Электроника. Лабораторный практикум. Учебно-методическое пособие

Обратный ток эмиттерного перехода при отключенном коллекторе Iэбо рассчитайте по выражению

Необходимые значения Iкр и Uбэ р возьмите из п. 1 лабораторного

задания.

4. По соотношениям (5.4) рассчитайте коэффициенты уравнений Эберса–Молла (a11, a12, a21, a22 ). Примите, что I const , а зависимость f (Uкэ) определена в п. 2 данного подраздела. Расчет вы-

полните с точностью до четырех значащих цифр. Результаты расчета коэффициента передачи тока эмиттера и коэффициентов aij сведи-

те в табл. 5.2.

Таблица 5.2

5. Рассчитайте и постройте график семейства входных статических характеристик Iб f (Uбэ)Uкэ const по выражению (5.3) модели Эбер- са–Молла для значений напряжения на базе, изменяющихся для германиевого транзистора в пределах Uбэ 0,1...0,25 В с шагом 0,025 В.

61

Значения напряжения на коллекторе Uкэ примите равными соответ-

ственно 1 и 12 В.

6. Рассчитайте и постройте график семейства выходных статических характеристик Iк f (Uкэ) Iб const по выражению (5.5) модели Эберса–Молла для значений напряжения на коллекторе Uкэ , указан-

ных в табл. 5.1. Значения тока базы примите равными соответственно

Iб 0,5Iбр, Iб Iбр, Iб 2Iбр.

По графику, соответствующему значению тока базы Iб Iбр , рассчитайте выходное дифференциальное сопротивление транзистора

7. Рассчитайте и постройте график выходной характеристики модели транзистора без учета эффекта модуляции ширины базы по вы-

ражению (5.5). Расчет выполните для случая Iб Iб р, полагая, что a11, a12, a21, a22 – постоянные величины, значения которых взяты из п. 4 данного раздела при напряжении Uкэ Uкэр 12 В.

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1.Цель работы.

2.Эквивалентная схема модели транзистора.

3.Экспериментально измеренные параметры модели Эберса– Молла.

4.График зависимости f (Uкэ) и аппроксимирующей ее функ-

ции.

5.Семейство входных статических характеристик.

6.Семейство выходных статических характеристик.

7.Выходная характеристика транзистора, рассчитанная без учета влияния эффекта модуляции ширины базы.

8.Выводы по работе.

62

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.В чем заключается эффект модуляции ширины базы (эффект Эр-

ли)?

2.Как эффект модуляции ширины базы сказывается на семействе статических входных и выходных характеристик транзистора?

3.В чем заключается эффект смыкания переходов?

4.На какие параметры транзистора влияет эффект модуляции ширины базы?

5.Начертите эквивалентную схему модели Эберса–Молла для p–n–p-транзистора.

6.Каким образом можно учесть инерционные свойства транзистора

вмодели Эберса–Молла?

7.Каким образом в модели Эберса–Молла учитывается влияние температуры на работу транзистора?

8.Почему при экспериментальном определении параметров модели

Эберса–Молла сначала измеряется зависимость f (Uкэ) , а затем расчетным путем находится зависимость f (Uкэ)?

9.Почему в реальном транзисторе нельзя менять местами эмиттер

иколлектор?

10.Укажите полярность коллекторного и эмиттерного переходов для режима отсечки и насыщения?

11.Перечислите и охарактеризуйте известные вам математические модели транзистора.

12.В чем заключаются основные достоинства и недостатки модели Эберса–Молла?

Литература: [2, с. 235–240; 4, с. 145–151; 6, с. 179–184].

63

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР

Цель работы

1.Познакомиться с реальными характеристиками и параметрами полевого транзистора с управляющим p–n-переходом.

2.Изучить режим усиления и режим электрически управляемого резистора.

1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Полевой транзистор (ПТ) с управляю-

сщим p–n-переходом – это полупроводниковый прибор с одним электронно-дырочным пере-

Ичерез который из канала уходят носители заря-

да, – стоком; электрод, служащий для регулирования сопротивления канала, – затвором.

Рис. 6.1. Структура Принцип действия полевых транзисторов полевого транзистора коренным образом отличается от принципа действия биполярных.

В полевых транзисторах основными носителями тока являются либо электроны (n), либо дырки (p), поэтому их называют «униполярными».

В полевых транзисторах ток между истоком и стоком протекает под действием продольного электрического поля, а у большинства биполярных – за счет диффузии.

64

Управление величиной тока в ПТ происходит с помощью поперечного электрического поля, меняющего (модулирующего) сопротивление канала в области затвора. Биполярные транзисторы управляются путем изменения концентрации неосновных носителей заряда в базе.

По конструктивному исполнению и технологии изготовления полевые транзисторы можно разделить на две основные группы: полевые транзисторы с управляющим p–n-переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором.

Полевой транзистор с управляющим p–n-переходом состоит из по-

лупроводникового стержня (пластины кремния) p- или n- типа с омическими контактами по краям и p–n-переходом в центральной части. Между омическими контактами методом диффузии формируется проводящий канал с дырочной (p) или электронной (n) проводимостью. Сопротивлением токопроводящего канала управляет p–n-переход, смещенный в обратном направлении и расположенный в отличие от биполярного транзистора параллельно направлению движения носителей заряда.

При подключении к стоку и истоку ПТ напряжений разной полярности (Uси) между ними возникает электрический ток стока (Iс). Ве-

личина Iс зависит от концентрации основных носителей заряда в ка-

нале и его ширины. Если на затвор относительно истока подать напряжение (Uзи), смещающее p–n-переход в обратном направлении, то

ширина канала в области затвора уменьшится, а сопротивление канала увеличится. Это приведет к уменьшению тока стока. С увеличением напряжения на затворе область, обедненная носителями заряда, а следовательно, повышенного сопротивления, расширяется в глубь канала. При этом ширина проводящей части канала уменьшается, ток стока также уменьшается, а затем и прекращается. Напряжение на затворе,

при котором Iсстановится равным нулю, называется напряжением от-

сечки (Uотс) .

Протекающий по каналу ток Iс создает вдоль канала падение

напряжения. Это напряжение оказывается обратным для p–n-перехода и, складываясь с Uзи , еще больше уменьшает протекающий ток. Ины-

ми словами, ток, протекающий в канале, ограничивает сам себя. Из сказанного следует: запирающее напряжение, а значит, и область повышенного сопротивления распределяются вдоль канала неравномерно. Они минимальны в области, примыкающей к истоку, и максимальны со стороны стока (см. рис. 6.1).

65

Если зафиксировать Uзи и увеличивать напряжение Uси, то сначала ток стока будет увеличиваться пропорционально напряжению Uси – это «омический» режим работы ПТ. Однако далее с ростом Uси начи-

нает работать механизм самоограничения, рост тока прекращается, его величина стабилизируется – это режим «насыщения». Напряжение на стоке, при котором транзистор переходит в режим насыщения, называ-

ется пороговым (Uпор). Напряжение на затворе, при котором ток Iс

становится равным нулю, называется напряжением отсечки (Uотс ).

Ясно, что транзистор перейдет в режим насыщения тогда, когда сумма напряжений на стоке и затворе станет численно равна напряжению отсечки:

Полевые транзисторы в сравнении с биполярными обладают сле-

дующими основными преимуществами.

Высокое входное сопротивление порядка 107...109 Ом, так как

входным электродом служит затвор, представляющий собой обратно смещённый p–n-переход. Поэтому ПТ практически не потребляют мощность от источника сигнала.

Малый уровень собственных шумов, так как у униполярных транзисторов отсутствует составляющая шума, связанная с генерацией

ирекомбинацией неосновных носителей, что позволяет усиливать существенно более слабые сигналы.

Лучшие частотные свойства, дающие возможность работать с СВЧ-сигналами (до 1010 Гц).

При работе ПТ в импульсном режиме достижимы очень малые

времена переключения (порядка 10 11...10 10 с), так как они обладают незначительным временем накопления и рассасывания зарядов.

Полевые транзисторы более устойчивы к воздействию ионизирующих излучений, поскольку их параметры не зависят от времени жизни неосновных носителей.

Полевые транзисторы хорошо работают при низких температу-

рах вплоть до температуры жидкого азота (–197 С).

Транзисторы с управляющим p–n-переходом могут использоваться

втрех схемах включения: с общим истоком (ОИ), с общим стоком (ОС), с общим затвором (ОЗ).

66

Основные характеристики и параметры полевого транзистора

Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов связыва-

ют изменение тока стока Iс с изменением одного из напряжений Uси или Uзи при фиксированной величине другого (рис. 6.2).

Семейство стоковых (выходных) характеристик (рис. 6.2, а) пред-

ставляет собой зависимость

Iс f (Uси)Uзи const .

Штриховая линия на рисунке отделяет омический режим работы транзистора от режима насыщения. Действительно, если Uотс= 2 В,

а Uзи= 0, то на основании формулы (6.1) Uпор 2В и при напряжении Uси< 2 В ток стока меняется (в первом приближении) пропорционально изменению напряжения Uси, т. е. сопротивление канала мало зависит от напряжения на стоке (омический режим). При Uси> 2 В

канал в области, прилегающей к стоку, сильно обедняется подвижными носителями заряда (перекрывается), дальнейшее увеличение напряжения на стоке сопровождается пропорциональным ростом сопротивления канала так, что ток стока практически не меняется (ре-

жим насыщения). При Uзи 0 режим насыщения наступает раньше на

величину напряжения на затворе (6.1).

Семейство статических сток-затворных характеристик (или ха-

рактеристик управления или передаточных) (рис. 6.2, б) – это зависимость вида

Iс f (Uзи)Uси const .

Полевой транзистор обычно работает в режиме насыщения, поэтому семейство сток-затворных характеристик рассматривают для этого

режима (Uси> 2В).

Все характеристики начинаются в одной точке Uзи= Uотс . При Uзи= 0 ток стока достигает своего максимального значения. Незначительный рост Ic при различных Ucи связан с неполным начальным

перекрытием канала, которое возрастает при увеличении напряжения на стоке.

67

Рис. 6.2. Выходные (а) и передаточные (б) характеристики полевого транзистора

Работа полевого транзистора в режиме малого сигнала чаще всего описывается смешанной группой малосигнальных параметров, ко-

торые рассчитываются в рабочей точке (Uзи р, Uси р, Iс р ). Основны-

ми для схемы с общим истоком являются:

крутизна сток-затворной характеристики (S) определяет наклон сток-затворных характеристик

внутреннее сопротивление Ri определяет наклон стоковых характеристик в области насыщения

статический коэффициент усиления по напряжению , который вычисляется по сток-затворному семейству ВАХ,

68

2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

1. Постройте семейство статических передаточных (сток-затвор-

2. Постройте семейство статических выходных (стоковых) харак-

3. Вычислите основные статические параметры полевого транзистора , S, Ri , (6.2)–(6.4). Вычисления проведите по таблицам и гра-

фикам ВАХ относительно рабочей точки, которая задана для различных вариантов в табл. 6.3.

69

Указание. На графиках ВАХ необходимо отметить требуемые для расчётов приращения.

Проверьте выполнение соотношения (6.5) для полученных значений , S, Ri .

Координаты рабочей точки для различных вариантов и Eср заданы

в табл. 6.3.

Вычислите соответствующее заданной рабочей точке сопротивление нагрузки Rн.

Определите двумя способами коэффициент усиления по напряжению:

1) по графикам семейства выходных характеристик и нагрузочной прямой

где приращения берутся между точками пересечения нагрузочной прямой и ближайшими к рабочей точке выходными характеристиками;

2) по формуле

где S и Ri – значения крутизны и внутреннего сопротивления в рабо-

чей точке.

5. Постройте динамическую сток-затворную характеристику. Она учитывает влияние сопротивления нагрузки на работу транзистора в усилительном каскаде.

70