Физические основы электроники. Методическое пособие для проведения лабораторных работ

31

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

МДП-ТРАНЗИСТОР С ИНДУЦИРОВАННЫМ КАНАЛОМ

Цель: исследование полупроводниковой структуры транзистора, в которой управление током в приповерхностном индуцированном канале осуществляется с помощью поперечного электрического поля, а управляющий электрод (затвор)

изолирован от проводящего канала.

1 Подготовка к лабораторной работе

Изучить литературу [1 , [2 , [3 , конспект лекций по данной теме.

Обратить внимание на то, что в лабораторной работе для исследований ис-

пользуется полевой транзистор с изолированным затвором МДП-транзистор

(рисунок 4.1).

Si n-типа

Рисунок 4.1 Структура полевого транзистора с изолированным затвором (с p-каналом)

Необходимо помнить, что МДП-транзисторы с индуцированным каналом работают только в режиме обогащения канала основными носителями заряда.

Основными параметрами, характеризующими полевой транзистор как нели-

нейный элемент, являются: коэффициент усиления по напряжению kU, крутизна передаточной характеристики S, дифференциальное выходное (внутреннее) со-

противление Ri, дифференциальное сопротивление участка затвор-сток RЗС.

32

Следует обратить внимание на параметры полевых транзисторов (в том числа МДП-транзисторов), которые зависят от температуры. Ими являются напряжение отсечки и пороговое напряжение. В режиме больших токов стока повышение температуры окружающей среды приводит к уменьшению тока стока

IС. То есть автоматически происходит снижение мощности, рассеивающейся в полевом транзисторе, что обуславливает значительно меньшую склонность этих транзисторов к тепловому пробою (по сравнению с биполярными транзисторами).

ВНИМАНИЕ! В процессе измерений НЕДОПУСТИМО превышение пре- дельно-допустимых значений токов и напряжений. Для предупреждения выхода из строя МДП-транзистора следует определить область безопасных режимов. Подробно процедура описана в лабораторной работе №2.

Обозначения МДП-транзисторов с соответствующим индуцированным каналом показаны на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-транзистор) с индуцированным p-каналом и n- каналом

2 Порядок выполнения лабораторной работы

2.1 Собрать схему исследования (рисунок 4.3) на лабораторной установке «Электронные приборы». Следует обратить внимание на полярность питающих напряжений! Она должна соответствовать рабочему режиму работы исследуемой полупроводниковой структуры (МДП-транзистор с индуцированным p-каналом или n- каналом).

33

Рисунок 4.3 Схема для измерений статических характеристик МДПтранзистора с индуцированным каналом n-типа

2.2 Снять две передаточные характеристики IC = f(UЗИ) при напряжении на стоке 0,3Uси доп и 0,6Uси доп. Результаты измерений занести в таблицу 1.

В ходе эксперимента определить пороговое значение напряжения Uпор при токе стока порядка Ic = 100 мкА, а затем, увеличивая UЗИ, снять эксперименталь-

ные значения тока.

2.3 Снять выходные характеристики IС=f(UСИ) МДП-транзистора с индуци-

рованным каналом (при комнатной температуре).

2.3.1 Установить на входе собранной схемы такое значение параметра UЗИ,

которое соответствует току стока 0,3IС доп при UСИ доп (п. 2.2).

2.3.2 В выходной цепи, изменяя значение напряжения UСИ, фиксировать со-

ответствующие значения тока стока.

2.3.3 Увеличить на входе схемы значение параметра UЗИ до величины, кото-

рая соответствует току стока в п. 2.2 IС = 0,8IС доп при UСИ доп.

34

2.3.4 В выходной цепи, изменяя значение напряжения UСИ, фиксировать со-

ответствующие значения тока стока IС.

2.3.5 Установить на входе значение параметра UЗИ, соответствующее сред-

нему значению относительно пунктов 2.3.1 и 2.3.3. Выполнить пункт 2.3.4. 2.3.6 Результаты измерений занести в таблицу 2.

2.4Поместить МДП-транзистор в термостат при температуре Т = 40оС.

2.5Снять управляющую (передаточную) характеристику IС = f(UЗИ) при

UСИ = 0,3 UСИ доп. Для этого необходимо повторить пункт 2.2.

2.6 Поместить МДП-транзистор в термостат при температуре Т = 80оС. По-

вторить пункт 2.5.

2.7. По результатам измерений заполнить таблицу 3.

Таблица 3

2.8 Исследовать управляющую (передаточную) характеристику IC = f(UЗИ) и

выходные характеристики IС=f(UСИ) МДП-транзистора с помощью компьютерного моделирования, используя программу Electronics Workbench.

Для выполнения задания постройте на экране монитора схему исследования

(рисунок 4.4). Для выбора МДП-транзистора надо щелкнуть Транзисторы

(Transistors) и перетащить на рабочее поле необходимый МДП-транзистор (с

каналом p- или n- типа). Задать модель транзистора из библиотеки intrntl 1 по заданию преподавателя.

35

Рисунок 4.4 Схема исследования управляющей (передаточной) характери-

стики и выходных характеристик МДП-транзистора с каналом n-типа на компьютере

2.8.1 Установить напряжение UСИ = 100 В и, изменяя напряжение UЗИ от 0 В

до 100 В, снять управляющую (передаточную) характеристику IC = f(UЗИ).

Результаты измерений занести в таблицу 4.

Таблица 4

UЗИ, В

IC, мА

3.8.2Установить напряжение UЗИ = 30 В и, изменяя напряжение UСИ от 0 В

до 100 В, снять выходную характеристику IС =f(UСИ).

3.8.3Повторить п. 3.8.2 для напряжений UЗИ , равных 60 В и 100 В.

3.8.4Результаты исследований занести в таблицу 5.

Таблица 5

36

3 Обработка результатов измерений

3.1 По результатам измерений (таблица 1) построить графики двух управ-

ляющих (передаточных) характеристик МДП-транзистора IC = f(UЗИ).

3.2 Па результатам измерений (таблица 2) построить графики семейства вы-

ходных характеристик IС =f(UСИ) МДП-транзистора на одном рисунке (при ком-

натной температуре).

3.3 Па результатам измерений (таблица 3) построить графики управляющих

(передаточных) характеристик IC = f(UЗИ) МДП-транзистора на одном рисунке

(при температуре 40оС и 80оС).

3.4 По результатам обработки измерений (п.п. 3.1, 3.2) рассчитать теорети-

ческие зависимости IC = f(UЗИ) при UСИ = 0,6UСИ ДОП и IC = f(UСИ) при UЗИ, соответствующем току стока IC = 0,8 IC ДОП. Для этого с использованием формулы

(5.3) определить крутизну S по передаточной характеристике (п. 3.1) при

UСИ = 0,3UСИ ДОП (UЗИ выбрать в середине снятой характеристики).

По найденному значению S рассчитать удельную крутизну b (5.4).

На семействе выходных характеристик отметить границы линейного участ-

ка и границу режима насыщения UСИ НАС = UСИ – UПОР.

Далее по формулам (5.1) и (5.2) рассчитать требуемые теоретические зави-

симости и нанести их на графики, полученные в результате экспериментальных

исследований.

Для расчета тока стока в линейном режиме при Uси < Uси нас = Uзи – Uзи 0 используются следующие выражения:

37

Для расчета тока стока в режиме насыщения при Uси ≥Uси нас используются следующие выражения

В соответствии с (5.2) Iс в режиме насыщения не зависит от Uси , т.е. выход-

ное сопротивление МДП-транзистора неограниченно велико.

Реальная величина Rвых нас составляет десятки кОм, что связано с уменьше-

нием длины канала. Для режима насыщения также можно использовать линей-

ную аппроксимацию

графики семейства выходных характеристик IС =f(UСИ) МДП-транзистора на од-

ном рисунке.

3.7 По каждому пункту исследований сделать выводы о соответствии полу-

ченных результатов теории.

38

4 Содержание отчета

Отчет должен содержать:

-название и цель работы;

-паспортные данные исследуемого МДП-транзистора;

-схемы измерений на лабораторной установке и на компьютере;

-таблицы и графики управляющей (передаточной) характеристики и семей-

ства выходных характеристик для реального МДП-транзистора и для компью-

терного моделирования;

- выводы.

5 Контрольные вопросы

1Нарисуйте структуру и объясните принцип действия МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа.

2Нарисуйте и объясните передаточную (управляющую) характеристику МДП-транзистора.

4 Нарисуйте и объясните семейство выходных характеристик МДП-

транзистора.

5В чем различие принципа действия и основных характеристик полевого транзистора с p-n-переходом и МДПтранзистора с индуцированным каналом?

6Какими преимуществами обладают полевые транзисторы по сравнению

сбиполярными?

39

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР В СХЕМЕ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Цель: исследование полупроводниковой структуры с двумя взаимодействующими выпрямляющими электрическими переходами, включенной по схеме общий эмиттер (ОЭ).

1 Подготовка к лабораторной работе

Изучить литературу [1 , [2 , [3 , конспект лекций по данной теме.

Обратить внимание на то, что в лабораторной работе для исследований полупроводниковой структуры используется биполярный транзистор (БТ) с выпрямляющими электрическими переходами в виде p-n-переходов (рисунки 3.1, 3.2).

Следует обратить внимание, изучаемая схема обладает усилением по току, т.к. IБ = IЭ - IК << IК (IК ≈ IЭ), и усилением по напряжению ∆UКЭ > ∆UБЭ. Кроме того, ее входное сопротивление намного больше входного сопротивления схемы с ОБ.

ВНИМАНИЕ! В процессе измерений НЕДОПУСТИМО превышение предельных эксплуатационных параметров (см. лабораторную работу № 3).

2 Порядок выполнения лабораторной работы

2.1 Собрать схему исследования (рисунок 5.1) на учебной лабораторной установке «Электронные приборы». Следует обратить внимание на полярность питающих напряжений эмиттерной и коллекторной цепей! Она должна соответствовать активному режиму работы исследуемой полупроводниковой структуры ( p-n-p-типа или n-p-n-типа)!

2.2 Снять входные статические характеристики БТ (при комнатной температуре).

2.2.1 На входе и выходе схемы с помощью регулируемых источников питания Е1, Е2 установить нулевые значения напряжений. UКЭ параметр входных статических характеристик БТ в схеме с ОЭ.

40

?

?

Рисунок 3.1- Схема исследования входных и выходных статических характеристик

2.2.2 Изменяя значение входного напряжения UБЭ, фиксировать соответ-

ствующие значения входного тока IБ (IБ = f(UЭБ)). Результаты занести в табли-

цу 1.

2.2.3 Повторить действия п.п. 2.2.1, 2.2.2, при этом увеличить абсолютное значение параметра выходной цепи UКБ по сравнению с предыдущим. Результаты занести в таблицу 2.

2.2.6 Результаты свести в таблицу 1.

Таблица 1

UКЭ=0 В

UБЭ,___

IБ,___

UКЭ=…В

UБЭ,___

IБ,___

UКЭ=…В

UБЭ,___

IБ,____

2.3 Снять выходные статические характеристики БТ в схеме с ОЭ. Для этого необходимо:

2.3.1 ВНИМАНИЕ! Построить (используя паспортные данные) в соответ-

ствующей системе координат линии, ограничивающие область безопасности ре-

жимов работы транзистора (рисунок 3.5).