Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы электроники полевые приборы. Лабораторный практикум
.pdf
y
Рис. 1.4. Поперечное сечение верхней половины полевого транзистора
с p–n переходом
εп – относительная диэлектрическая проницаемость проводника;
ε0 – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума.
Интегрируя выражение (1.1), получаем выражение для поля Еy:
y
éù
dU
dy
1
êú
() const.
ydy
=- +
εε
ρ
êú
ò
êú
п0
0
ëû
(1.2)
Константа определяется из условия резких границ: поле
существует только в области пространственного заряда, вне его поле
равно нулю: y = h, Eh = 0:
hh
éù
11
0()constconst()
=- + = =
êú
ydy ydy
ρρ
êú
òò
εε εε
êú
п0 п0
00
ëû
h
éù
1
êú
() ()
=-
εε
п0
ydy ydyρρ
êú
òò
êú
00
ëû
y
,
dU
dy
т.е.
y
. (1.3)
h
, получим после вто-
Обозначив
h
éù
dU
Еydyydy
== -
y
dy
() () , () ()
Qy ydy Qh yd
1
êú
() ()
ρρ
êú
òò
εε
êú
п0
00
ëû
y
ρρ==
òò
00
рого интегрирования выражение для потенциала в любой плоскости
y – U(y):
11
y
() () ()
Uy Qh Qy dy
1
=-ò (1.4)
εε
[]
п0
0
и при y = h, т.е. на границе области пространственного заряда:
h
() ()
Uy h y ydyρ
==
1
εε
п0
ò
0
. (1.5)
Напряжение, при котором ширина области пространственного
заряда занимает всю толщину канала (т.е. y = a), называется напряжением отсечки:
a
Uyydyρ
отс
=
1
εε
п0
()
ò
0
. (1.6)
Для вывода и анализа ВАХ воспользуемся диффе рен ци альным
законом Ома: jс = σ(y)Ex, где jс – плотность тока, протекающего через канал, который называется током стока, σ(y) = qn(y)μn – удельная
электропроводность канала, зависящая от распределения электронов по толщине канала.
Интеграл плотности тока по всей толщине проводящего канала
от y = h до y = a определяет полный ток стока
a
Iz ydy
с
dU
2()
μρ=
n
ò
dx
h
, (1.7)
где μn – диэлектрическая проницаемость носителей заряда n;
z – ширина канала.
После некоторых преобразований выражение для плотности тока
запишется в виде
h
2
2
z
μ
IQaQhhhdh
с
где 0() ()
Qa ydyρ=
IqNaU UU U
=- ++-+
сс зсз
a
ò
ìü
ïï
22
z
μεε
n
LaqN
ïï
ïï
ïï
íý
Dkk
ïï
ïï
ïï
ïï
îþ
n
=-ò, (1.8)
L
εε
п0
в случае однородно легированного канала, тогда
æö
2
ç
ç
ç
ç
3
èø
() () ()
[]
h
1
1
éù
2
÷
п0
êú
÷
ϕϕ
()()
÷
êú
÷
D
ëû
ρ
33
22
. (1.9)
При фиксированном напряжении на затворе Uз максимальное
значение тока (ток насыщение I
12
с нас
) равно
ìü
ïï
ïï
z
μ
223
IqNa U U
с нас з з
n
=-+++
622
L
εε εε εε
п0 п0 п0
ïï
ïï
12
íý
Dk k
ïï
ïï
ïï
ïï
îþ
22
3
qN a qN a
DD
ϕϕ
() ()
æö
ç
ç
ç
ç
èø
3
2
÷
÷
÷
÷
÷
3
. (1.10)
2
Рассмотрим физическую модель возникновения тока насы-
щения. С увеличением напряжения стока до U
электрическое
с нас
поле в канале со стороны стока достигает критического значения
Е
, скорость электронов – скорости насыщения, а ток транзи-
крит
стора начинает насыщаться. При дальнейшем увеличении напряжения стока (Uс > U
) ОПЗ расширяется к стоку, а место, где
с нас
электроны впервые достигают скорости насыщения, смещается в противоположном направлении, т.е. к истоку. По мере продвижения от истока к стоку потенциал в канале растет, ширина
ОПЗ увеличивается, а проводящий канал сужается. Но поскольку
скорость электронов в этой области уже не зависит от электрического поля и равна скорости насыщения, для компенсации этого
сужения канала и обеспечения сохранения полного тока концентрация электронов здесь увеличивается и становится больше концентрации доноров. Таким образом, часть канала, где скорость
электронов равна скорости насыщения, оказывается отрицательно заряженной, а примыкающая к ней со стороны стока область
из-за нехватки электронов – положительно. Следовательно, часть
напряжения стока, избыточная над U
, падает на дипольном
с нас
слое, который расширяется в стоковой части канала при дальнейшем росте напряжения на стоке.
Крутизна характеристики полевого транзистора s определяется
как изменение тока стока при изменении напряжения на затворе.
В данном случае от напряжения на затворе (при постоянном напряжении на стоке) зависят положения границ области пространственного заряда h1 и h2. Поэтому
II I
¶¶ ¶
сс с
s
== +
UhUhU
¶¶¶¶¶
з1з2з
hh
¶¶
12
. (1.11)
Рассчитывая частные производные, получаем общее выражение
для крутизны полевого транзистора
hh
éù
2
shdhhdh
=-
21
z
μ
êú
n
() ()
ρρ
êú
òò
L
êú
00
êú
ëû
. (1.12)
13
Проводимость канала определяется как изменение тока стока
при изменении напряжения на стоке при постоянном напряжении
на затворе:
a
éù
2
Iz
¶
ghdhhdh
== -
к
UL
¶
μ
с
с
êú
n
() () .
ρρ
êú
òò
êú
00
êú
ëû
h
2
(1.13)
В линейной области ВАХ (Uс → 0) проводимость канала определяется выражением
п0
D
1
2
÷
÷
÷
2
÷
÷
ϕ
. (1.14)
k
éù
êú
æö
qN a z
μεε
gU
кз
Dn
=- +
L
2
ç
êú
ç
1
êú
ç
ç
qN a
èø
êú
êú
ëû
В области насыщения крутизна сток-затворной характеристики
равна
éù
êú
æö
IqNaz
¶
с нас п 0
sU
== - +
UL
¶
з
μεε
Dn
2
ç
êú
ç
1
êú
ç
ç
qN a
èø
êú
êú
ëû
1
2
÷
÷
÷
2
÷
÷
D
ϕ
з
. (1.15)
k
Отметим полную идентичность выражений (1.14) и (1.15).
На рис. 1.5 изображены ВАХ реального n-канального полевого
транзистора КП313. Как видно из этих характеристик, при увеличении
отрицательного напряжения на затворе напряжение, соответствующее
началу насыщения U
пряжение отсечки, равное U
, уменьшается. Это обусловлено тем, что на-
с нас
= ϕk + Uз + U
отс
, не должно меняться.
с нас
14
Рис. 1.5. Реальные ВАХ кремниевого полевого транзистора
с n-каналом КП313
Переходные сток-затворные характеристики (рис. 1.6) выражают
зависимость тока стока от напряжения на затворе при постоянном
напряжении на стоке Iс = f(Uз)|
. Из этой зависимости опреде-
Uс = const
ляется крутизна статической сток-затворной характеристики s:
IdI
Δ
lim
s
== , (1.16)
сс
UdU
Δ
зз
U
=
const
c
которая показывает способность упрвления током стока напряжением на затворе и для данных транзисторов имеет величину
порядка нескольких единиц или десятклов микроампер на вольт.
Приблизительно определить крутизну сток-затворной характеристики можно по тангенсу угла наклона переходной вольт-амперной
I
характеристики
с
s
» .
UΔΔ
const
U
=
c
з
Рис. 1.6. Переходные ВАХ полевого транзистора
Частотные характеристики ПТ определяются двумя основными
факторами: временем пролета и временем перезарядки емкости затвора RC.
Граничной частотой ПТ называется частота, при которой ток через
входную емкость равен току эквивалентного генератора тока стока:
2πС
= sUз; fгр = s/2πСвх. (1.17)
вх fгр
15
Входная емкость определяется как емкость затвор–исток:
εε
СС zL
@@ , (1.18)
вх зи
п0
a
и при максимальном значении крутизны на участке насыщения
2
zqN a
μ
nD
s
= , (1.19)
f
гр
L
2
qN a
nD
= . (1.20)
2
Lμπε ε
п0
Максимальная частота определяется как частота, при которой
коэффициент однонаправленного усиления по мощности становится равным единице:
f
f
@
max
éù
2/2
RR R R f RCπ
++ +
()()
звхи кгр ззс
êú
ëû
гр
, (1.21)
где Rз – сопротивление затвора;
Rвх – входное сопротивление, определяется как дифференциаль-
ное сопротивление,
kT n
R
вх
qI I=+
;
зc
Rи – омическое сопротивление истока;
Rк – входное сопротивление канала, Rк = 1/gк;
Сзс – емкость перехода затвор–сток.
Электрическая эквивалентная схема полевого транзистора с
p–n переходом представлена на рис. 1.7.
Рис. 1.7. Электрическая эквивалентная схема ПТ с затвором в виде p–n перехода
16
1.3. Описание измерительной установки
Измерение ВАХ полевых транзисторов проводится с помощью
системы NI ELVIS II (рис. 1.8).
1 – ноутбук; 2 – USB кабель; 3 – настольная рабочая станция NI ELVIS II;
4 – макетная плата; 5 – блок питания; 6 – сетевой шнур питания
Рис. 1.8. Система NI ELVIS II:
NI ELVIS II использует приборы, разработанные в программной
среде LabVIEW, специально спроектированную настольную рабочую
станцию и макетную плату, которые обладают функциональностью
комплекта наиболее распространенных лабораторных приборов.
Питание NI ELVIS II и ноутбука, входящего в состав установки, осуществляется переменным током напряжением 220 В, частотой 50 Гц.
1.4. Задание
1. Получить у лаборанта полевой транзистор и по справочнику
найти его параметры и схему распределения выводов. Определить
полярность напряжений Uс и Uз. Параметры и расположение выводов занести в лабораторный журнал.
2. Получить измерительную схему ВАХ полевого транзистора.
3. Снять семейство выходных характеристик транзистора для
пяти различных величин напряжения на затворе от 0,3 В до –0,9 В
через 0,3 В по 10 значениям напряжения на стоке Uc, обеспечивающим наличие линейного и пологого участков ВАХ.
17
4. Измерить величину напряжения отсечки U
на стоке U
= 5 В и токе стока 1 мкА.
с
5. Измерить величину тока затвора при напряжении стока U
при напряжении
отс
с
=
= 5 В и напряжении затвора Uз = –0,5 В.
6. Построить зависимость крутизны от напряжения на стоке по
6 точкам по статической ВАХ полевого транзистора при U
= 1 В.
з
7. Построить зависимость крутизны от напряжения на затворе по
расстоянию ΔIс между статическими ВАХ для различных Uз при напряжении стока Uс = 5 В.
8. Результаты измерений и вычислений должны быть представлены в виде таблиц и графиков после соответствующей обработки графическим редактором.
9. Определить оптимальный режим работы ПТ в целях получения
максимальной крутизны.
10. Оценить погрешность измерений.
1.5. Порядок выполнения работы
и указания по технике безопасности
При выполнении работы следует руководствоваться указаниями
по технике безопасности, представленными в начале лабораторного
практикума.
1. Собрать на макетной плате схему измерения ВАХ полевого
транзистора, выданную лаборантом, в режиме вольтметра (рис. 1.9).
2. Включить ноутбук в сеть.
3. Включить плату в сеть.
4. В «Пуске» выбрать программу NI ELVISmx Instrument Launcher.
5. В этой программе выбрать вкладки DMM (Digital Multimeter) и
VPS (Variable Power Supplies).
6. В окне VPS установить напряжение на затворе Uз согласно за-
данию, учитывая его полярность. Нажать кнопку Run.
7. В окне DMM нажать кнопку Run. В режиме V установить с
помощью ручки резистора на собранной схеме необходимое по заданию напряжение на стоке Uс.
8. Поменять на схеме измерения ВАХ вольтметр на амперметр.
9. В окне DMM поменять режим на А .
10. Записать полученный ток стока I
11. Снова поменять на схеме измерения ВАХ амперметр на вольтметр.
.
с
18
Рис. 1.9. Схема для измерения ВАХ транзистора КП103
12. В окне DMM поменять режим на V . С помощью ручки ре-
зистора установить следующее значение Uс.
Примечание. В окнах открытых программ для изменения Uз сна-
чала нажать Stop. После изменения напряжения на затворе снова в
двух окнах нажать Run.
13. Измерение напряжения отсечки.
Все действия те же. Только нужно найти такое Uз, при котором Iс с
изменением Uс меняться не будет и будет крайне мал.
14. То же самое проделать с другим транзистором (рис. 1.10).
Показания прибора при измерении представить в виде таблиц дл
р- и n-канала.
19
для p-канала
Uс, В
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
20
Рис. 1.10. Схема для измерения ВАХ транзистора КП303
U
= –0,9 В Uз = –0,6 В Uз = –0,3 В Uз = 0 В Uз = 0,3 В
з
I
, мА Iс, мА Iс, мА Iс, мА Iс, мА
с
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]