5.1.4.1 Устройство и принцип действия

Рисунок 5.9 – структура МОП-транзистора со встроенным каналом n-типа

В МОП-транзисторах со встроенным каналом на стадии их изготовления между областями стока и истока технологическим путем создается тонкий приповерхностный слой (канал) с таким же типом электропроводности, что и электропроводность областей стока и истока (рисунок 5.9). Поэтому в таких транзисторах при нулевом напряжении на затворе включение источника постоянного напряжения между стоком и истоком сопровождается прохождением через канал некоторого тока, называемого начальным током стока. Увеличение положительного напряжения на затворе МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа приводит к увеличению концентрации электронов в канале и увеличению тока стока. При подаче на затвор такого транзистора отрицательного напряжения происходит отток электронов в глубину полупроводника, концентрация электронов в канале и его электропроводность уменьшаются, что приводит к уменьшению тока стока. При некотором отрицательном напряжении на затворе, называемом напряжением отсечки (U_{ЗИ отс}) произойдет инверсия типа электропроводности канала, и n-области стока и истока окажутся разделенными областью полупроводника p-типа. Ток стока уменьшится до значения, определяемого обратным током p-n-перехода.

Режим работы полевого транзистора, при котором увеличение по абсолютной величине напряжения на затворе приводит к уменьшению тока стока, называется режимом обеднения. Следовательно, МОП-транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения и называются полевыми транзисторами обедненного типа.

На рисунке 5.10 даны условные графические обозначения МОП-транзисто­ров с индуцированным каналом.

Рисунок 5.10 Условное графическое обозначение МОП-транзистора со встроенным каналом n-типа (а) и p-типа (б)

5.1.4.2 Статические характеристики МОП-транзисторов со встроенным каналом

Выходные (стоковые) статические характеристики МОП-транзисторов со встроенным каналом отличаются от аналогичных характеристик МОП-транзисто­ров с индуцированным каналом тем, что содержат характеристики, снятые как при отрицательных, так и при положительных напряжениях на затворе (рисунок 5.11). На характеристиках заметно выражены две области: крутая, соответствующая неперекрытому каналу, и пологая, соответствующая перекрытому каналу, или режиму насыщения тока стока. Наклон характеристик и сопротивление канала транзистора в крутой области определяются напряжением на затворе. Ток стока в МДП-транзисторах со встроенным каналом связан с напряжениями U_СИ, U_ЗИ, U_ЗИотс такими же аналитическими зависимостями (4) и (5), как в полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом.

Характеристики передачи (стокозатворные) МОП-транзистора со встроенным каналом отличаются от аналогичных характеристик полевых транзисторов других типов тем, что имеют участки при положительных и отрицательных напряжениях на затворе. На рисунке 5.10 показаны характеристики передачи МОП-транзистора со встроенным каналом n-типа. Увеличение положительного напряжения на затворе приводит к увеличению концентрации электронов в канале и увеличению тока стока, а увеличение отрицательного напряжения на затворе сопровождается уменьшением концентрации и снижением тока стока. При U_ЗИ = U_{ЗИ отс} транзистор запирается и I_С = 0. Аналитическая зависимость тока стока от напряжений U_ЗИ и U_{ЗИ отс} в МОП-транзисторах со встроенным каналом определяется выражением (5).

Режим обогащения

Режим обеднения

Рисунок 5.11 – Выходные (стоковые) характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа

Режим обеднения Режим обогащения

U_ЗИотс

Рисунок 5.12 – Передаточные (стокозатворные) характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа

5.1.5 Полевой транзистор как линейный четырехполюсник. Дифференциальные параметры полевых транзисторов

В режимах работы с малыми амплитудами сигнала ПТ любого типа, как и биполярный транзистор, можно представить в виде линейного четырехполюс­ника. Из-за высокого входного сопротивления полевых транзисторов наиболее подходящей как с позиций измерений, так и использования является система y-параметров. В этой системе токи затвора и стока рассматриваются как функции напряжений U_ЗИ и U_СИ:

I_З = f (U_ЗИ, U_СИ); I_С = f (U_ЗИ, U_СИ).

Уравнения четырехполюсника имеют вид:

;

.

Если заменить малые комплексные амплитуды бесконечно малыми приращениями, то из этих формул можно получить выражения для полных дифференциалов токов:

; (8)

. (9)

Частные производные в уравнениях (8) и (9) являются дифференциальными g-парамет­рами полевого транзистора; g-параметры – это вещественные части соответствующих y-параметров.

5.1.5.1. Проводимость прямой передачи или крутизна стокозатворной характеристики

U_СИ = const.

Она показывает, на сколько миллиампер (ампер) изменяется ток стока, если при постоянном U_СИ напряжение на затворе меняется на 1В. Крутизна позволяет сравнить транзисторы по их управляющим свойствам. Значения S лежат в пределах от 0,5 мА/В до нескольких ампер на вольт и в значительной мере определяются отношением ширины канала b к его длине l (с ростом b/l крутизна растет) и подвижностью носителей заряда. Так как подвижность электронов больше подвижности дырок, то при одинаковых размерах и разности напряжений U_ЗИ – U_пор крутизна n-канальных транзисторов выше, чем p-канальных.

В МОП-транзисторах для повышения крутизны необходимо уменьшать толщину подзатворного диэлектрика.

5.1.5.2. Выходная проводимость

U_ЗИ = const.

Наиболее часто используется не выходная проводимость, а выходное (внутреннее) сопротивление

R_i = 1/g_{22 и} =

U_ЗИ = const.

Внутреннее сопротивление составляет от нескольких десятков до сотен килоом.

5.1.5.3. Статический коэффициент усиления по напряжению

.

I_С = const

Он показывает, во сколько раз изменение напряжения на затворе больше влияет на ток стока, чем изменение напряжения на стоке. Значение μ_у может достигать нескольких сотен.

Дифференциальные параметры можно определить по статическим характеристикам транзистора (рисунки 8 и 9), используя формулы:

; ; .

U_СИ = const U_ЗИ = const

Поскольку характеристики полевых транзисторов нелинейны, значения дифференциальных параметров зависят от положения выбранной рабочей точки (режима по постоянному току), т. е. значений напряжений U_СИ и U_ЗИ.

5.2 Цель работы

Научиться определять статические и дифференциальные параметры ПТ.

5.3 Задачи

Для достижения поставленной цели вам необходимо решить следующие задачи:

– провести измерения и построить статические вольт-амперные характеристики (ВАХ) МОП-тразистора или ПТ с управляющим p-n-переходом (по заданию преподавателя);

– определить статические параметры ПТ;

– рассчитать дифференциальные параметры ПТ.

5.4 Порядок работы и методы решения задач

5.4.1 Из справочника /1/ выпишите кратко основные электрические параметры исследуемого ПТ, выполните эскиз внешнего вида со схемой расположения выводов, зарисуйте условное графическое обозначение /5/, расшифруйте маркировку ПТ.

Изобразите схему включения ПТ с общим истоком в активном режиме /2, раздел 6.1/, укажите токи и напряжения во входной и выходной цепях. Дайте эскиз структуры ПТ.

5.4.2 С помощью лабораторного макета, передняя панель которого с элементами управления и контроля режимов ПТ показана на рисунке 6.1, проведите измерения статических выходных и передаточных характеристик ПТ /2, раздел 6.3, 3, разделы 6.1, 6.5/.

Измерение статических ВАХ с помощью лабораторного макета производится по точкам методом вольтметра-амперметра.

Принципиальная электрическая схема измерительного макета приведена на рис. 6.2.

Определите по справочнику /1/ тип проводимости канала исследуемого вами ПТ и переведите ключи измерения полярности напряжения на стоке и затворе в положение, соответствующее его работе в активном режиме (см. рисунок 6.1). Подключите испытуемый ПТ к измерительному блоку.

При измерении выходных ВАХ ПТ необходимо задавать различные напряжения на стоке и измерять соответствующие им токи стока. Напряжение на стоке меняйте от нуля до 10 В.

Выходную характеристику ПТ измерьте четыре раза при постоянных напряжениях на затворе U_зи = 0; 0,25; 0,5 и 1,0 В.

При измерении передаточной характеристики ПТ необходимо задавать различные напряжения на затворе и измерять соответствующие им значения тока стока при условии постоянства напряжения между стоком и истоком.

Напряжение на затворе меняйте от нуля до значений, при которых I_с  0.

Передаточную характеристику измерьте четыре раза при постоянных напряжениях на стоке U_си = 0,5; 1,0; 5,0 и 10 В.

5.4.3 Используя результаты полученных измерений, постройте семейства выходных и передаточных характеристик ПТ.

5.4.4 По статическим ВАХ ПТ определите его статические параметры и укажите их на графиках /3, разделы 6,1 и 6.5; 4/:

– начальный ток стока I_{с нач} при U_СИ = 10 В;

– напряжение отсечки U_{зи отс} или пороговое напряжение U_{ЗИ пор} (в зависимости от типа транзистора) при I_С = 0,01 мА;

– напряжение насыщения U_{си нас} при U_зи = 0; 0,25; 0,5 и 1,0 В.

На основе построенных статических ВАХ ПТ рассчитайте его дифференциальные параметры /2, раздел 6.5; 4/ методом графического дифференцирования:

– активную составляющую g_22и полной выходной проводимости ПТ при U_си = 10 В; U_зи = 0;

– крутизну характеристики S при U_зи = 0 и при напряжениях U_си = 0,5; 1,0; 5,0 и 10 В;

– коэффициент усиления  при U_зи = 0 и U_си = 10 В.

Постройте зависимость крутизны S от напряжения U_си.

При расчете дифференциальных параметров ПТ методом графического дифференцирования величины приращений токов и напряжений на электродах ПТ необходимо выбирать такими, чтобы в пределах этих приращений участок статической ВАХ ПТ оставался линейным.

Отчет о работе должен содержать результаты измерений и вычислений по всем пунктам задания.

Для успешной защиты выполненной работы вы должны знать принцип работы ПТ с управляющим p-n-переходом, его основные статические и дифференциальные параметры, уметь их определять, уметь пояснить ход статических ВАХ, сравнить с другими типами усилительных приборов.

Рисунок 5.13 – Лицевая панель измерителя статических характеристик полевых транзисторов

Рисунок 5.14 – принципиальная электрическая схема измерителя статических характеристик полевых транзисторов

Литература

1 Аксенов А. И. Отечественные полупроводниковые приборы. Транзисторы биполярные. Диоды. Варикапы. Стабилитроны и стабисторы. Тиристоры. Оптоэлектронные приборы. Аналоги отечественных и зарубежных приборов: Справ. изд. – 6-е изд., доп. и испр. – М.: Солон-Пресс, 2008.–589 с.: ил.

2 Шишкин Г. Г. Электроника: Учеб. для вузов / Г. Г. Шишкин, А. Г. Шишкин. – М. : Дрофа, 2009. – 703 с. : ил.

3 Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учеб. пособие. – 8-е изд., испр. – СПб.: Лань, 2006. – 480 с.: ил.

4 ГОСТ 19095-73. Транзисторы полевые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров.

5 ГОСТ 2.730-73. Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые.

Приложение А

(обязательное)