Лабораторная работа № 3. Исследование полевых транзисторов.

Целью работы является исследование вольтамперных характеристик различных видов полевых транзисторов.

Краткие теоретические сведения.

Полевым транзистором называется полупроводниковый усилительный прибор, при переносе тока в котором участвуют носители только одного типа (электроны или дырки). Такие транзисторы иногда называются униполярными.

Управление потоком носителей, проходящим через соответствующую область полевого транзистора (канал), осуществляется путем изменения электрического поля, создаваемого в этой области с помощью специального электрода – затвора. В отличие от биполярного транзистора, ток в цепи управления полевого не протекает, то есть полевой транзистор подобно электронной лампе, является прибором с потенциальным управлением.

Затвор может быть отдален от области канала либо посредством обратносмещенного p-n перехода, или слоем диэлектрика, в роли которого чаще всего используются окислы полупроводниковых материалов. Транзисторы первого вида называются полевыми транзисторами с управляющим p-n переходом, а транзисторы второго вида - МДП или МОП транзисторами. Выводы от крайних областей канала имеют наименования – сток и исток.

Упрощенная структура полевых транзисторов с p-n переходом и каналами различных типов проводимости, а также их условные обозначения на электрических схемах приведены на рис. 3.1.

При работе такого транзистора переход затвор-канал смещается в обратном направлении, в связи с чем в слоях полупроводника появляются зоны, обедненные свободными носителями. С ростом обратного напряжения размеры

Рис. 3.1. Структура и условные обозначения полевых транзисторов с p-n переходом.

обедненных слоев будут увеличиваться. Наиболее заметно этот эффект проявляется в полупроводнике, образующем канал, что связано с малой концентрацией примесей, вводимых в материал из которого он изготавливается. При увеличении запирающего напряжения сечение канала и, соответственно, его проводимость будут уменьшаться по сравнению с ситуацией, когда. При некотором напряжении, называемом напряжением отсечки, канал перекроется полностью и его проводимость исчезнет. Данные ситуации отображены на рис. 3.2 для полевого транзистора сn-каналом.

Рис. 3.2. Структура канала полевого транзистора при управлении по цепи затвора.

При смене полярности управляющего напряжения слои, обедненные свободными носителями, исчезают, проводимость канала дополнительно увеличивается, но появляется ток во входной цепи, и такой режим работы полевого транзистора с p-n переходом практически не используется.

В полевом транзисторе ток стока сложным образом зависит как от управляющего напряжения, так и от разности потенциалов, приложенных между выводами исток – сток. В ситуации, когда для транзистора с n-каналом , а на сток подано положительное относительно истока напряжение, через канал потечет некоторый ток стока . При этом потенциал канала транзистора меняется от нуля в области истока до +у электрода стока. Такое распределение разности потенциалов приводит к тому, что сечение проводящего канала вблизи стока будет меньше, чем у истока (рис. 3.3.).

Рис. 3.3. Изменение профиля канала полевого транзистора при изменении напряжения сток – исток.

С ростом напряжения , ток стока с одной стороны будет увеличиваться, но с другой стороны его рост будет замедляться за счет уменьшения сечения канала. При некотором напряжении сток – исток, называемом напряжением насыщения, произойдет практически полное перекрытие канала, но несмотря на это ток стока по нему будет протекать. Дальнейший рост напряжениявызовет пропорциональное увеличение длины проводящей зоны канала и,соответственно, его сопротивления. При этом величина тока стока, равная:

(3.1)

будет оставаться практически неизменной вплоть до пробоя перехода затвор-сток.

Графики зависимостей тока стока от напряжения при различных значенияхприведены на рис. 3.4. На каждом из них можно выделить два участка: первый (омический) прии второй (участок насыщения) при. На первом участке с ростом напряженияпроисходит изменение сечения канала и, где– некоторый коэффициент. На втором участке меняется длина проводящей зоны канала и.

При подаче на затвор относительно истока некоторого запирающего напряжения происходит дополнительное уменьшение сечения канала и, соответственно, снижение тока стока при тех же напряжениях. В режим насыщения транзистор также будет переходить при меньшей величине разности потенциалов(рис. 3.4).

Напряжение отсечки является некоторой константой конкретного транзистора. В общем виде для любого полевого транзистора справедливо соотношение:

. (3.2)

Совокупность приведенных на рис. 3.4 зависимостей тока стока от напряжения сток – исток, при различных потенциалах затвора, образует семейство выходных характеристик полевого транзистора.

Рис. 3.4. Семейство выходных характеристик полевого транзистора с p-n переходом.

На начальном участке выходные характеристики представляют собой отрезки практически прямых линий, наклон которых зависит от величины управляющего напряжения на затворе (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Начальный участок семейства выходных характеристик полевого транзистора.

Так как линейная связь между током и напряжением описывается законом Ома:

, (3.3)

то из рис. 3.5 следует, что в данном режиме () полевой транзистор может выполнять функции управляемого резистора, величина которого, зависит от напряжения. Линейность выходных характеристик при смене полярности напряжениясохраняется пока переход затвор-сток остается запертым.

При расчетах устройств на полевых транзисторах используются стокозатворные характеристики, примерный вид которых для различных напряжений приведен на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Семейство стокозатворных характеристик полевого транзистора с p-n переходом и n-каналом.

Напряжение отсечки по данным характеристикам обычно отсчитывается на уровне тока стока, равном 10мкА. В малосигнальном режиме, когда ,,полевой транзистор может считаться линейным устройством, что позволяет смоделировать его работу совокупностью линейных элементов, отражающих ту или иную особенность функционирования реального транзистора, то есть представить его в виде эквивалентной схемы

Полевой транзистор, как и биполярный, может включаться различным образом, в частности с общим истоком, общим стоком и общим затвором. Одна из разновидностей эквивалентных схем для режима усиления малого сигнала при его включении с общим истоком приведена на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Эквивалентная схема полевого транзистора

при включении с общим истоком.

Введение конденсаторов ,,, учитывающих наличие межэлектродных емкостей, позволяет моделировать ухудшение усилительных свойств полевого транзистора с ростом частоты входного сигнала. Так как при управлении током стока, ток во входной цепи не протекает, то в эквивалентной схеме нет элементов, определяющих связь затвора по постоянному току с остальными ее узлами.

Под действием переменного напряжения в выходной цепи потечет ток:

, (3.4)

где – параметр, называемый крутизной характеристики управления полевого транзистора. Этот факт отражается введением в эквивалентную схему генератора тока .

Экспериментально крутизну можно определить по стокозатворной характеристике:

(3.5)

или используя семейство выходных характеристик. Из этого же семейства определяется еще один параметр эквивалентной схемы – внутреннее или динамическое сопротивление :

. (3.6)

Здесь ,,– постоянные значения токов и напряжений, для которых производится расчет параметров полевого транзистора.

Внутреннее сопротивление характеризует степень наклона выходных характеристик полевого транзистора на участке насыщения. С другой стороны, можно считать, что при протекании выходного тока по(рис. 3.7) на выходных зажимах появляется напряжение. Отношение выходного и входного напряжений называется коэффициентом усиления полевого транзистора:

. (3.7)

В отличие от биполярного, полевой обладает практически симметричной структурой, поэтому его параметры в нормальном и «инверсном» включении, когда выводы стока и истока меняются местами, будут приблизительно одинаковыми.

Следующим видом полевых транзисторов являются транзисторы с изолированным затвором (транзисторы типа МОП или МДП). На рис. 3.8 приведены структуры и обозначения на принципиальных схемах одной из разновидностей таких транзисторов – МОП транзисторов со встроенным каналом разного типа проводимости. Как видно из данного рисунка, в слое полупроводникового материала, который называется подложкой, создаются области противоположного типа проводимости называемые стоком и истоком, соединенные проводящим каналом из материала с тем же типом проводимости, но слабее легированного по сравнению с областями стока и истока.

Рис. 3.8. Структура и условные обозначения МОП транзисторов со встроенным каналом.

Над областью канала располагается металлический или полупроводниковый электрод – затвор, отделенный от канала слоем окисла или другого диэлектрика.

Для работы такого транзистора с каналом из n-полупроводника на подложку подается максимальный действующий в схеме отрицательный потенциал, чтобы переходы исток-подложка, сток-подложка были бы закрыты. Но подложка может соединяться и с истоком. В этом случае протеканию тока через границу раздела исток-подложка препятствует внутреннее поле p-n перехода. При напряжении между затвором и истоком () равном нулю и положительном относительно истока напряжении на стоке (), по каналу потечет ток. Его зависимость от напряжения будет аналогична соответствующей зависимости у полевого транзистора сp-n переходом и n-каналом, так как подложку в этом случае можно представить в роли соответствующего затвора.

При подаче на затвор МОП транзистора положительного относительно истока напряжения, произойдет подтягивание электронов из подложки в p-область канала и его проводимость, а следовательно, и ток стока будут увеличиваться. Такой режим работы полевого транзистора со встроенным каналом называется режимом обогащения. В случае если на затвор подается отрицательное относительно истока напряжение, происходит выталкивание электронов из области канала в подложку, проводимость канала и ток стока уменьшаются. Данная ситуация соответствует работе транзистора в режиме обеднения. При некоторой величине отрицательного напряжения на затворе, называемой напряжением отсечки , канал полностью перекрывается, его проводимость и, соответственно, ток стока становятся равными нулю.

Вольтамперные характеристики МОП транзистора со встроенным каналом n-типа имеют вид, показанный на рис. 3.9. Током стока можно управлять при подаче на затвор относительно истока напряжения обоих полярностей.

Рис. 3.9. Вольтамперные характеристики полевого транзистора МОП типа со встроенным n-каналом.

Структура следующей разновидности МОП транзистора - полевого транзистора с индуцированным, или наведенным каналом представлена на рис. 3.10. В исходном состоянии проводящий канал между областями стока и истока отсутствует, соответственно и ток стока будет равен нулю.

Проводящий канал и ток у транзистора с подложкой из p-полупроводника появляются лишь при подаче на затвор относительно истока положительного напряжения, большего, чем некоторое пороговое значение . При этом дырки из подзатворной области отталкиваются вглубь подложки, данная область обогащается электронами и приформируется область с инверсной по отношению к подложкеn-проводимостью, соединяющая зоны стока и истока. С ростом напряжения размеры данной области (канала), ее проводимость и ток стока увеличиваются.

Рис. 3.10. Структура и условные обозначения МОП транзисторов с индуцированным каналом.

Вольтамперные характеристики этого транзистора приведены на рис. 3.11. Они похожи на соответствующие характеристики МОП транзистора со встроенным каналом, но управление током стока происходит лишь при положительном напряжении на затворе, большем порогового.

Рис. 3.11. Вольтамперные характеристики полевого транзистора МОП типа с индуцированным n-каналом.

МОП транзисторы, как и полевые транзисторы с p-nпереходом в принципе являются симметричными структурами. Их эквивалентная схема аналогична эквивалентной схеме, приведенной на рис. 3.7.

В связи с тем, что в качестве материала подложки можно выбрать полупроводник любого типа проводимости, имеется шесть разновидностей полевых транзисторов: транзисторы с управляющим p-nпереходом, МОП транзисторы со встроенным и индуцированным каналом, причем в каждом случае проводимость канала может быть какn, так и pтипов (рис. 3.1, 3.8, 3.10). Схемы включения и характеристики однотипных транзисторов с разными видами проводимости отличаются лишь полярностью прикладываемых напряжений и направлениями протекающих токов.

Описание лабораторной установки.

Установка для проведения лабораторной работы №3 «Исследование полевых транзисторов» состоит из лабораторного и измерительного стендов.

Внешний вид передних панелей стендов приведен на рис. 3.12 и рис. 1.8

Лабораторный стенд содержит регулируемый источник питания выходных цепей транзисторов с диапазоном изменения напряжения 015В и ограничением выходного тока на уровне 50мА. Тумблер включения источника питания, выходные гнезда и ручка регулировки выходного напряжения размещены в правой части панели стенда.

Для задания входных управляющих напряжений в составе стенда имеется дополнительный источник с дискретной регулировкой напряжения в пределах от –9,99В до +9,99 В. Установка требуемого напряжения осуществляется переключателями, дискретность его изменения 0,01В. Выход данного источника подключен к гнезду с маркировкой «», а второй полюс соединен с гнездами «–» источника питания. Кроме этого в составе стенда имеется источник фиксированного напряжения величиной –15В для питания цепи подложки.

В лабораторной работе исследуются характеристики полевых транзисторов с управляющим p-n переходом и n-каналом КП302Б (VT1), МОП транзистора со встроенным n-каналом КП305Б (VT2) и МОП транзистора с индуцированным n-каналом КП306Б (VT3). Кроме этого в состав лабораторного макета входит полевой транзистор с p-каналом и управляющим p-n переходом (КП103К) VT4, резистор R1 величиной 1 кОм и резистор R2 c сопротивлением 2 кОм.

Включение питания лабораторного стенда производится тумблером «Вкл.». О функционировании источников питания свидетельствует свечение зеленого светодиода.

Порядок проведения лабораторной работы.

1. Домашняя подготовка.

В ходе домашней подготовки необходимо, пользуясь справочной литературой, определить и записать в рабочую тетрадь основные параметры транзисторов, характеристики которых исследуются в ходе выполнения данной лабораторной работы.

Зарисовать в рабочую тетрадь все схемы для проведения измерений и соответствующие таблицы для записи результатов исследований.

2. Проведение лабораторной работы.

2.1. Исследование характеристик полевого транзистора с управляющим p-nпереходом.

Цель исследования – экспериментальное определение параметров транзистора по его вольтамперным характеристикам.

2.1.1. Снятие стокозатворной (передаточной) характеристики.

Собрать с транзистором VT1 схему, приведенную на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Схема для исследования характеристик полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

Установить ручку регулятора напряжения питания в крайнее левое положение (), переключатели источника управляющего напряжения в положение 000, предел измерения вольтметраPV1 – 15В, предел измерения миллиамперметра PA1 – 100мА.

Включить питание макета. Ручкой регулятора установить напряжение =5В. Задавая переключателями источника управляющего сигнала напряжения 0В; -0,5В; -1В; -1,5В; -2В; -2,5В;;;, зафиксировать по миллиамперметруPA1 токи стока и занести полученные результаты в таблицу:

(В)	0	-0,5	-1	-1,5	-2	-2,5
(мА)							0,01

Под понимается напряжение отсечки, т.е. напряжение , при котором ток стока становится равным 10 мкА. Установить напряжение =10В и провести аналогичные измерения, заполнив соответствующую таблицу. При выключенном лабораторном стенде поменять местами выводы стока и истока (схема на рис. 3.14) и провести вышеописанный цикл измерений для =10В.

Рис. 3.14. Схема для исследования характеристик полевого транзистора с управляющим p-n переходом при инверсном включении.

2.1.2. Снятие выходных характеристик полевого транзистора.

Собрать, используя транзистор VT1, схему, приведенную на рис. 3.13. Установить напряжение источника питания и управляющее напряжение равными нулю, пределы измерения PV1 – 0,75В, PA1 – 100мА. Задавая управляющее напряжение равным 0В; -0,5В; -1В; -1,5В; -2В; -2,5В, провести измерения тока стока и записать результаты в крайний левый столбец таблицы, приведенной на рис. 3.15.

	0	0,5	1	1,5	2	3	5	8	10	15
0
-0,5
-1
-1,5
-2
-2,5

Рис. 3.15. Структура таблицы для записи результатов измерений при исследовании выходных характеристик полевых транзисторов.

Установить управляющее напряжение равным нулю, задать следующее по таблице значение и провести цикл аналогичных измерений, заполнив второй столбец таблицы и так далее вплоть до=15В.

При токах стока, превышающих 1015мА, мощность, рассеиваемая на испытуемом транзисторе, может вызвать его разогрев и, соответственно, изменение характеристик. Поэтому измерения при токах стока следует проводить по возможности быстрее.

2.1.3. Снятие начального участка семейства выходных характеристик полевого транзистора.

Собрать с транзистором VT1 схему, приведенную на рис. 3.13. Установить предел измерения PV1 – 1,5В, предел измерения PA1 – 100мА. Задать управляющее напряжение =0В и, изменяяв пределах 0В; 0,5В; 1В; 1,5В, произвести замеры тока стока. Результаты занести в соответствующие графы таблицы, приведенной на рис. 3.16.Последовательно устанавливая равным -0,5В; -1В; -1,5В; -2В, провести аналогичные измерения.

	+1,5	+1	+0,5	0	-0,5	-1	-1,5
0
-0,5
-1
-1,5
-2

Рис. 3.16. Структура таблицы для записи результатов исследований начального участка семейства выходных характеристик полевого транзистора.

При выключенном лабораторном стенде поменять полярность вольтметра PV1, миллиамперметра PA1 и источника питания, как показано на рис. 3.17. Провести цикл измерений, описанных выше для -0,В; -1В; -1,5В и заполнить соответствующее графы таблицы, представленной на рис. 3.16.

Рис. 3.17. Схема для исследования начального участка выходных характеристик полевого транзистора.

2.2. Исследование характеристик МОП транзистора со встроенным каналом.

Цель исследования – экспериментальное определение параметров транзистора по его вольтамперным характеристикам.

2.2.1. Снятие стокозатворной характеристики.

Собрать с транзистором VT2 схему, изображенную на рис. 3.18.

Рис. 3.18. Схема для исследования характеристик МОП транзистора со встроенным n-каналом.

Установить ручку регулятора напряжения в крайнее левое положение, переключатель управляющего напряжения в положение «000»в таб, предел измерения вольтметра PV1 – 15В, миллиамперметра PA1 – 100мА.

Включить питание стенда, установить регулятором напряжение =5В. Задавая переключателями источника управляющего сигналанапряжения, указанные в таблице, провести измерения токов стока и занести лицу полученные результаты.

(В)

+3

+2,5

+2

+1,5

+1

+0,5

0

-0,5

-1

-1,5

(мА)

0,01

Под понимается напряжение отсечки. Установить=10В, провести цикл аналогичных измерений и заполнить соответствующую таблицу. Выключить лабораторный стенд, соединить подложку с истоком, отключив ее от источника напряжения – 15В. Провести аналогичные измерения для=10В.

2.2.2. Снятие выходных характеристик.

Собрать, используя транзистор VT2 схему, представленную на рис. 3.18, и провести цикл измерений, аналогичных описанному в первой части пункта 2.1.2 для напряжений , равных: -1В; -0,5В; 0В; +0,5В; +1В; +1,5В; +2В.

2.3. Исследование характеристик МОП транзистора с индуцированным каналом.

Цель исследования – экспериментальное определение параметров транзистора по его вольтамперным характеристикам.

2.3.1. Снятие стокозатворной характеристики.

Собрать, используя транзистор VT3, схему, приведенную на рис. 3.19. Провести цикл измерений, аналогичных описанным в первой части пункта 2.2.1 для =5В, 10В и=0В; +; +3В; +4В; +5В; +6В; +7В; +9В (– пороговое напряжение).

Рис. 3.19. Схема для исследования характеристик МОП транзистора с индуцированным n-каналом.

2.3.2. Снятие выходных характеристик.

Провести на ранее собранной схеме цикл измерений, аналогичных описанным в пункте 2.1.2, для напряжений , равных +4В; +5В; +6В; +7В; +8В; +9В, и заполнить соответствующую таблицу.

3. Обработка экспериментальных результатов.

3.1. Обработка результатов пунктов 2.1.12.1.3.

Построить на одном листе миллиметровки стокозатворные характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом для =5В и=10В при нормальной и инверсной схемах включения, выбрав масштаб по оси токов 2,5 мА/см, а по оси напряжений 0,25В/см.

По характеристикам для В определить крутизну полевого транзистора для управляющих напряжений -2,5В; -2В; -1,5В; -1В; -0,5В,используя соотношение (3.5) и приняв =0,25В (0,125В относительно заданной точки). Построить график зависимости . Отметить на графиках стокозатворных характеристик напряжения отсечки.

Используя результаты измерений по п. 2.1.2, построить на одном листе миллиметровки семейство выходных характеристик полевого транзистора выбрав масштаб по оси токов 2,5мА/см, а по оси напряжений 1В/см. Выделить на характеристиках омическую область и область насыщения. Проверить выполнение соотношения (3.2).

По соответствующим характеристикам, используя соотношения (3.5) и (3.6), определить крутизну и динамическое сопротивление для =10В,

приняв, что =5В (2,5 В относительно), а в качествевзяв разность управляющих напряжений для соседних характеристик. По полученным данным вычислить величину коэффициента усиления полевого транзистора.

По данным пункта 2.1.3 построить на одном листе миллиметровки графики начальных участков выходных характеристик полевого транзистора для обоих полярностей напряжения , выбрав масштаб по оси токов 5мА/см, а по оси напряжений 0,5В/см. Рассчитать для каждого из значенийвеличину сопротивления канала при=0,=1В (0,5 относительно). Построить график зависимости.

3.2. Обработка результатов пунктов 2.2.1, 2.2.2.

Построить на одном листе миллиметровки стокозатворные характеристики МОП транзистора с индуцированным каналом для всех вариантов его включения, выбрав масштаб по оси напряжений 0,5В/см, а по оси токов 5мА/см.

По характеристике для включения с подложкой, присоединенной к истоку, определить, используя соотношение (3.5), крутизну полевого транзистора для управляющих напряжений +2,5В; +2В; +1,5В; +1В; +0,5В; 0В;-0,5В; -1В; -1,5В, приняв =0,25В (0,125В относительно заданной точки). Построить график зависимости. Отметить на графиках стокозатворных характеристик напряжения отсечки.

Используя результаты, полученные в п. 2.2.2, построить на одном листе миллиметровки семейство выходных характеристик исследуемого транзистора, выбрав масштаб по оси напряжений 1В/см, а по оси токов 2мА/см.

Выделить на характеристиках соответствующие области и проверить выполнение соотношения (3.2). Определить, используя соотношения (3.5) и (3.6), крутизну транзистора и его динамическое сопротивление для:

а) -1В;10В; б)-0,5В;10В;

в) 0В;10В; г)+0,5В;10В,

приняв =5В (2,5В относительно), а в качествевзяв разность управляющих напряжений для соседних характеристик. По полученным данным вычислить величину коэффициента усиленияполевого транзистора.

3.3. Обработка результатов, полученных при выполнении пунктов 2.3.1, 2.3.2.

Построить графики стокозатворных и выходных характеристик МОП транзистора с индуцированным каналом, приняв масштабы по осям токов и напряжений в обоих случаях 1мА/см и 1В/см. Отметить на величину порогового напряжения

Определить по вышеизложенной методике крутизну полевого транзистора при значениях управляющих напряжений +3В, +4В, +5В, +6В, +7В, +8В, +9В и построить график зависимости . Определить крутизну транзистора и его динамическое сопротивление по семейству выходных характеристик для =5В и

а) 5В;10В; б)6В;10В;

в) 7В;10В; г)8В;10В;

по методике, описанной в предыдущем пункте. Вычислить значение коэффициента усиления.