5.6 Содержание отчета

В отчете должны быть приведены краткие теоретические сведения о работе биполярного транзистора, упрощенная схема для снятия характеристик, семейство входных и выходных характеристик, результаты расчетов, выводы.

5.7 Контрольные вопросы

5.7.1 Назначение, принцип работы биполярного транзистора PNP и NPN типов.

5.7.2 Характеристики транзистора.

5.7.3 Представление транзистора четырехполюсником.

5.7.4 h-параметры транзистора и их определение по семействам входных и выходных характеристик.

5.7.5 Схемы включения транзисторов и их сравнительный анализ.

5.7.6 Режимы работы транзистора.

5.7.7 Экспериментальная проверка исправности транзистора.

5.7.8 Схемы замещения транзистора.

5.7.9 С какой целью область базы выполняется тонкой и с малой концентрацией примеси ?

6 Лабораторная работа № 3 исследование характеристик полевых транзисторов

1. Цель работы

При выполнении лабораторной работы студенты должны полу­чить основные понятия о принципе действия полевых транзисто­ров, их преимуществах и недостатках по сравнению с биполярными транзисторами, научиться снимать характе­ристики полевых транзисторов, определять дифференциальные па­раметры.

6.2 Теоретические сведения

Полевым транзистором называют полупроводниковый прибор для усиления мощности электромагнитных колебаний в котором ток канала между истоком и стоком (выходная величина) управляется электрическим полем, возникающим при подаче напряжения между затвором и истоком (входная величина).

Омический контакт, от которого начинают движение основные носители заряда, называют истоком. Омический контакт к которо­му движутся основные носители заряда называют стоком. Элект­род, используемый для управления величиной сечения канала про­водимости или концентрацией носителей в нем, называют затвором.

Простейший полевой транзистор представляет собой тонкую пластинку из полупроводника (кремния) n- или p- типа с одним p-n переходом в центре пластины и с омическими контактами по краям (рисунок 6.1а).

Действие этого транзистора основано на зависи­мости толщины p-n перехода от приложенного обратного напряжения. Такой прибор называют полевым транзистором с управляющим p-n перехо­дом. Если подать напряжение между истоком и стоком Uис в такой полярности, чтобы напряжение на истоке совпадало по знаку с основными носителями зарядов, то между истоком и стоком поте­чет ток. Этот ток называют током канала проводимости или током стока Iс. Если на p-n переход исток-затвор подать напряжение Uзп в такой полярности, чтобы он был включен в обратном нап­равлении, то можно изменять сечение канала проводимости и ре­гулировать ток через исток-сток. Так как p-n переход включен в обратном направлении, то сопротивление исток-затвор очень большое и равно сопротивлению диода, включенного в обратном направлении. Управление толщиной канала осуществляется напря­жением на затворе, т.е. электрическим полем, возникающим в за­пирающем слое. Если увеличивать напряжение на затворе относи­тельно истока, то может наступить момент, когда произойдет полное перекрытие канала проводимости и ток через исток-сток прекратится. Это напряжение называют напряжени­ем отсечки.

Рисунок 6.1 – Полевой транзистор с управляющим PN-переходом

Основными характеристиками полевого транзистора с управ­ляющим p-n переходом являются:

сток-затворная - зависимость тока стока Iс от напряжения между затвором и истоком Uзи при постоянном значении напряжения между истоком и стоком (Uси= const);

выходная - зависимость между током стока Iс и напряжением между истоком и стоком Uси при постоянном зна­чении напряжения между затвором и истоком Uзи.

На выходных характеристиках имеется два явно выраженных участка - линейный и насыщения. При Uзи=0 ток стока максима­лен, он пропорционален напряжению Ucи и определяется исходным сопротивлением канала. При малых значениях напряжения Uси ли­нейная зависимость сохраняется (рисунок 6.1г). С увеличением напря­жения Uси положительный потенциал, приложенный к стоку, явля­ясь обратным для p-n перехода, расширяет область канала в об­ласти стока и делает его похожим на горловину. Наступает режим насыщения при котором увеличение напряжения Uси уменьшает се­чение канала и ток Iс остается постоянным.

К дифференциальным параметрам полевого транзистора отно­сятся.

1.Крутизна характеристики управления (определяется по сток-затворной характеристике рисунок 6.1д)

где Ic -приращение тока стока;

U_э - приращение напряжения между затвором и истоком.

2. Внутреннее (дифференциальное) сопротивление определяет­ся по выходной характеристике (рисунок 6.1г)

где Uc - приращение напряжения между истоком и стоком;

Ic - приращение тока стока при постоянном значении напряжения на затворе.

3. Статический коэффициент усиления по напряжению

Принцип работы транзисторов с каналом Р-типа такой же, только носителями являются дырки и полярность напряжения на электродах противоположная.

Наряду с полевыми транзисторами с управляющим p-n перехо­дом электронная промышленность выпускает полевые транзисторы, у которых затвор изолирован от полупроводниковой области кана­ла слоем диэлектрика. Получившаяся структура полевого транзис­тора металл - диэлектрик - полупроводник определила и его наз­вание - МДП. В качестве диэлектрика обычно используют окисел кремния (SiO₂), поэтому такой полевой транзистор еще называют МОП (металл-окисел-полупроводник). Полевой транзистор с изоли­рованным затвором имеет две конструктивные разновидности - с индуцированным каналом и встроенным каналом.

Полевой транзистор с индуцированным каналом (рисунок 6.2) представляет пластину из полупроводника n- или p- типа, кото­рая называется подложкой. В ней создаются две области с другим типом проводимости, одна из них называется истоком, другая - стоком. Электрод затвора изолирован от подложки тонким слоем диэлектрика, толщиной 0,2 ... 0,3 мкм.

Р

а

исунок 6.2 – Полевой транзистор с изолированным затвором

индуцированным каналом

Из-за контактных явле­ний, возникающих на границе раздела диэлектрика и полупровод­ника, в подложке индуцируется заряд основных носителей, обра­зующий обогащенный поверхностный слой. Так как области стока и истока имеют другой тип проводимости, то имеем два p-n перехо­да. При любой полярности напряжения между истоком и стоком один из p-n переходов будет включен в обратном направлении и препятствует протеканию тока. Если на затвор относительно истока подать напряжение та­кого знака, который имеют основные носители подложки, то в по­верхностном слое вблизи затвора происходит притягивание неос­новных носителей подложки и отталкивание основных носителей. Уменьшение концентрации основных носителей приводит к снижению проводимости поверхностного слоя и образованию обедненного слоя.

При дальнейшем увеличении напряжения на затворе, происхо­дит дальнейшее увеличение концентрации неосновных носителей и уменьшение концентрации основных носителей и может наступить такой момент, когда концентрация неосновных носителей превысит концентрацию основных носителей. При этом в поверхностном слое полупроводника происходит смена типа проводимости и говорит о возникновении (индуцировании) инверсного слоя (канала проводи­мости) удельная проводимость и толщина которого возрастают с увеличением приложенного на затвор напряжения.

Напряжение, при котором возникает инверсный слой, называ­ют пороговым.

Так как увеличение инверсной проводимости связано с его обогащением неосновными носителями, то считают, что транзисто­ры подобного типа работают по принципу обогащения.

Семейство статических стоковых и сток-затворных характе­ристик полевого транзистора с изолированным затвором и индуци­рованным каналом представлено на рисунке 6.2д, 6.2г.

Дифференциальные параметры этого транзистора такие же, как и у полевого транзистора с управляющим p-n переходом .

Полевой транзистор со встроенным каналом (рисунок 6.3) предс­тавляет собой подложку из полупроводника p-типа, в которой n-области истока и стока соединены n-каналом проводимости.

а

Рисунок 6.3 – Полевой транзистор с изолированным затвором

встроенным каналом

Этот канал возникает естественным путем из-за контактных явле­ний на границе полупроводника p-типа с диэлектриком или созда­ется технологическим путем. Проводимость такого канала проти­воположна проводимости подложки, поэтому его называют инверс­ным.

В таком транзисторе путь для тока исток-сток открыт при нулевом напряжении между затвором и истоком Uзи. Если прило­жить отрицательное напряжение к затвору относительно истока, то под его воздействием основные носители подложки - дырки будут притягиваться к каналу проводимости, а основные носители канала проводимости - электроны будут отталкиваться из канала проводимости. Это вызовет обеднение канала проводимости основ­ными носителями и уменьшение тока исток-сток. При некотором напряжении, которое называют напряжением отсечки ток, канал проводимости исчезает и ток через исток-сток стано­вится равным нулю.

Если приложить положительное напряжение на затвор относи­тельно истока, то неосновные носители подложки - электроны, будут притягиваться в область канала, происходит его обогаще­ние и ток исток-сток возрастет.

Статические характеристики полевого транзистора со встро­енным каналом n-типа приведены на рис.6. Дифференциальные па­раметры этого транзистора такие же, как и у полевого транзис­тора с управляющим p-n переходом.

Условные графические обозначения полевых транзисторов и их классификация приведены на рисунке 6.4.

Рисунок 6.4 – Классификация полевых транзисторов

Существуют двухзатворные полевые транзисторы МОП структу­ры, у которых два затвора, управляющие током через исток-сток. Для таких транзисторов нужно снимать две сток-затворных и две выход­ных характеристики.

Для интегральных микросхем используют полевые транзисторы с изолированным затвором с каналом n и p типов, работающие в режимах обогащения. Их называют КМОП транзисторами или компле­ментарными (имеющими одинаковые электрические характеристики, но разный тип канала проводимости).

Полевые транзисторы обладают высоким входным сопротивле­нием, малым уровнем шумов, высокой термостабильностью и радиа­ционной стойкостью. Это обуславливает их широкое применение в электронных схемах.

К недостаткам полевых транзисторов относят возможность необратимого пробоя диэлектрики затвора из-за электрических потенциалов, поэтому выводы транзистора при хранении и монтаже необходимо перемыкать.

Эквивалентная схема полевого транзистора представлена на рисун- ке 6.5.

Рисунок 6.5. – Эквивалентная схема полевого транзистора

Затвор можно представить в виде двух сопротивлений зат­вор-исток Rзи и затвор-сток Rзс, зашунтированных соответствую­щими емкостями Сзи, Сзс.

Сопротивление истока Rи эквивалентно сопротивлению участ­ка полупроводника, заключенного между контактом истока и об­ластью канала, примыкающей к затвору. Сопротивление стока Rc представляет сопротивление участка полупроводника, заключенно­го между контактом стока и областью канала, примыкающей к зат­вору.

Усилительные свойства полевого транзистора выражают ис­точник тока Iг = S * Uзи и внутреннее (дифференциальное) соп­ротивление Ri канала проводимости. Крутизна S и сопротивление Ri являются дифференциальными параметрами полевого транзистора и определяются по входным и выходным характеристикам.

В полевом транзисторе отсутствуют процессы диффузии и связанные с ним инерционность и накопление зарядов. Максималь­ная частота полевого транзистора зависит лишь от постоянной времени стока и определяется по формуле

где R_к - среднее значение сопротивления канала;

С_о - полная емкость между затвором и каналом.

К максимально допустимым параметрам полевого транзис­тора относят следующие:

• максимально допустимое напряжние между стоком и истоком Uисmax;

• максимально допустимое напряжение между затвором и ис­током Uзиmax;

• максимально допустимый ток стока Icmax;

• максимально допустимая мощность рассеивания на стоке Pcmax;

• максимальная рабочая частота fmax, Гц.

Полевой транзистор, как любой активный электронный эле­мент с тремя выводами, может быть включен в усилительную схему тремя способами. В зависимости от того, какой вывод является общим для входной и выходной цепи различают схему с общим ис­током, с общим стоком и общим затвором (рисунок 6.6). Основной схе­мой включения полевого транзистора является схема с общим ис­током (рисунок 6.6а). Так же как и в схемах на биполярных транзисторах в выходной цепи (стоковой) необходимо установить ток покоя стока Iсо. Это можно выполнить либо с помощью резистора, вклю­ченного в цепь истока и зашунтированного конденсатором для пропускания переменного входного сигнала к истоку (автомати­ческое смещение), либо с помощью делителя напряжения в цепи затвора (рисунок 6.7).

а б в

а – с общим истоком; б – с общим стоком; в – с общим затвором

Рисунок 6.6 – Схемы включения полевых транзисторов

а б

а – с автоматическим смещением; б – с помощью делителя напряжения

Рисунок 6.7 - Способы задания точки покоя (рабочей точки) усилителя

на полевом транзисторе