Практична робота № 4.

Тема:	Розрахунок параметрів схем на базі напівпровідникових польових транзисторів.
Мета роботи: Зміст роботи: Організаційні та методичні вказівки:	Опрацювання і узагальнення матеріалу, розглянутого на попередніх заняттях. Засвоєння методики розрахунку електричних ланцюгів. Розрахунок найпростіших схем, до складу яких входять польові транзистори. Практичну роботу проводять після вивчення теми «Напівпровідникові прилади» з групою студентів в два етапи: 1. Підготовчий етап: Вивчення матеріалу, розглянутого на попередніх заняттях. Засвоєння методики розрахунку найпростіших схем, до складу яких входять польові транзистори 2. Виконавчий етап: Виконання завдань у відповідності з варіантом за прикладами, наведеними в методичних вказівках.
Час:	80 хвилин.

Теоретична частина

Польовий транзистор – це електроперетворювальний прилад, в якому струм, що протікає через канал, управляється електричним полем, що виникає при прикладанні напруги між затвором і витоком, і який призначений для посилення потужності електромагнітних коливань. 

До класу польових відносять транзистори, принцип дії яких заснований на використанні носіїв заряду тільки одного знаку (електронів чи дірок). Управління струмом у польових транзисторах змінюється провідністю каналу, через який протікає струм транзистора під впливом електричного поля. Внаслідок цього транзистори називають польовими.

За способом створення каналу розрізняють польові транзистори з затвором у вигляді керуючого р-n-переходу і з ізольованим затвором (МДН - чи МОН - транзистори): вбудованим каналом і індукованим каналом.

У залежності від провідності каналу польові транзистори поділяються на: польові транзистори з каналом р-типу і n-типу. Канал р-типу має діркову провідність, а n-типу – електронну. 

Польовий транзистор з керуючим р-n-переходом – це польовий транзистор, затвор якого відокремлений в електричному відношенні від каналу р-n-переходом, зміщеним у зворотному напрямку. 

Рисунок 1 Структура польового транзистора з керуючим р-n-переходом.

Рисунок 2 Умовні графічні позначення польового транзистора з керуючим р-n-переходом: а – каналом n-типу, б – каналом р-типу.

Каналом польового транзистора називають область у напівпровіднику, в якій струм основних носіїв заряду регулюється зміною її поперечного перерізу.  Електрод (вивод), через який в канал входять основні носії заряду, називають витоком. Електрод, через який з каналу йдуть основні носії заряду, називають стоком. Електрод, який служить для регулювання поперечного перерізу каналу за рахунок керуючого напруги, називають затвором. 

Полярність зовнішніх напруг, які підводяться до транзистора, показана на рис. 1. Управляюча (вхідна) напруга подається між затвором і витоком. Напруга U_зв є зворотною для обох р-n-переходів. Ширина р-n-переходів, а, отже, ефективна площа поперечного перерізу каналу, його опір і струм в каналі залежать від цієї напруги. З її зростанням розширюються р-n-переходи, зменшується площа перетину струмопровідного каналу, збільшується його опір, а, отже, зменшується струм в каналі. Отже, якщо між витоком і стоком включити джерело напруги U_св, то силою струму стоку I_с, що протікає через канал, можна керувати шляхом зміни опору (перерізу) каналу за допомогою напруги, що подається на затвор. На цьому принципі і грунтується робота польового транзистора з керуючим р-n-переходом. 

При напрузі U_зв = 0 перетин каналу найбільший, його опір найменший та струм I_с виходить найбільшим.Струм стоку I_{с поч} при U_зв = 0 називають початковим струмом стоку. Напруга U_зв, при якій канал повністю перекривається, а струм стоку I_с стає вельми малим (десяті частки мікроампер), називають напругою відсічення U_{зв відс}. 

Польовий транзистор з ізольованим затвором (МДП - транзистор) – це польовий транзистор, затвор якого відокремлений в електричному відношенні від каналу шаром діелектрика. 

МДН – транзистори  (структура: метал-діелектрик-напівпровідник) викону-ють з кремнію. В якості діелектрика використовують оксид кремнію SiO2. звідси інша назва цих транзисторів – МОН - транзистори (структура: метал-окисел-напівпровідник). Наявність діелектрика забезпечує високий вхідний опір цих транзисторів (10¹² ... 10¹⁴Ом).

 Принцип дії МДН - транзисторів оснований на ефекті зміни провідності приповерхневого шару напівпровідника на кордоні з діелектриком під впливом поперечного електричного поля. Приповерхневий шар напівпровідника є струмопровідним каналом цих транзисторів. МДН - транзистори виконують двох типів – з вбудованим і з індукованим каналом. 

Розглянемо особливості МДН - транзисторів з вбудованим каналом. Конструкція такого транзистора з каналом n-типу показана на рис. 3. У вихідній платівці кремнію р-типу з відносно високим питомим опором, яку називають підкладкою, за допомогою дифузійної технології створені дві сильнолегіровані області з протилежним типом електропровідності – n. На ці області нанесені металеві електроди – витік і стік. Між витоком і стоком є ​​тонкий приповерхневий канал з електропровідністю n-типу. Поверхня кристалу напівпровідника між витоком і стоком покрита тонким шаром (близько 0,1 мкм) діелектрика. На шар діелектрика заведено металевий електрод – затвор. Наявність шару діелектрика дозволяє в такому польовому транзисторі подавати на затвор керуючу напругу обох полярностей. 

Рисунок 3 Конструкція МДН - транзистора з вбудованим каналом n-типу.

При подачі на затвор позитивної напруги електричним полем, яке при цьому створюється, дірки з каналу будуть виштовхувати в підкладку, а електрони витягуватися з підкладки в канал. Канал збагачується основними носіями заряду – електронами, його провідність збільшується і струм стоку зростає. Цей режим називають режимом збагачення. 

При подачі на затвор напруги, негативної щодо витоку, в каналі створюється електричне поле, під впливом якого електрони виштовхуються з каналу в підкладку, а дірки втягуються з підкладки в канал. Канал збіднюється основними носіями заряду, його провідність зменшується і струм стоку зменшується. Такий режим транзистора називають режимом збідніння. 

У таких транзисторах при U_зв = 0, якщо прикласти напругу між стоком і витоком (U_св> 0), протікає струм стоку I_{с поч}, який називається початковим і що представляє собою потік електронів.

Конструкція МДН - транзистора з індукованим каналом n-типу показана на рис. 4.

Рисунок 4 Конструкція МДН - транзистора з індукованим каналом n-типу

Канал провідності струму тут спеціально не створюється, а утворюється (індукується) завдяки припливу електронів з напівпровідникової пластини (підкладки) у випадку прикладення до затвору напруги позитивної полярності щодо витоку. За відсутності цієї напруги каналу немає, між витоком і стоком n-типу розташований тільки кристал р-типу і на одному з р-n-переходів виходить зворотна напруга. У цьому стані опір між витоком і стоком дуже великий, тобто транзистор замкнений. Але якщо подати на затвор позитивну напругу, то під впливом поля затвора електрони будуть переміщуватися з областей витоку і стоку і з р-області (підкладки) у напрямку до затвору. Коли напруга затвора перевищить деяке порогове, значення U_{зв пор}, то в приповерхневому шарі концентрація електронів перевищить концентрацію дірок, і в цьому шарі відбудеться інверсія типу електропровідності, тобто індукується струмопровідний канал n-типу, що з’єднує області витоку і стоку, і транзистор починає проводити струм. Чим більше позитивне напруга затвора, тим більше провідність каналу і струм стоку. Таким чином, транзистор з індукованим каналом може працювати тільки в режимі збагачення.  Умовні графічні позначення МДН - транзисторів наведені на рис.5.

Рисунок 5 Умовне графічне позначення МДН - транзисторів: 

а – з вбудованим каналом n-типу;  б – з вбудованим каналом р-типу;  в – з виводом від підкладки;  г – з індукованим каналом n-типу;  д – з індукованим каналом р-типу;  е – з виводом від підкладки.

Практична частина

Задача № 1.

Польовий транзистор з керованим p-n переходом та каналом n-типу використовується у підсилюючому каскаді. Напруга відтинання транзистора U_відт= - 2 В, максимальний струм стоку І_{с макс} =1,8 мА. Відомо, що при напрузі джерела живлення Е_с=20 В струм стоку І_с = 1 мА. Модуль коефіціента підсилення по напрузі K_u = 10. Визначити напругу зміщення затвор – виток U_зв, крутизну вольтамперної характеристики в робочій точці S, опір резистора в ланцюзі витоку R_в, опір навантаження в ланцюзі стоку R_с.

Рисунок 6 Підсилюючий каскад на польовому транзисторі.

Розв’язок

Напруга затвор – виток знаходиться за допомогою формули:

Якщо підставити в дану формулу значення, що надані в умовах задачі, отримуємо:

Після розрахунку U_зв = 0,5 В.

Максимальна крутизна вольтамперної характеристики приладу розраховується за формулою:

Після розрахунку:

Крутизна вольтамперної характеристики приладу в робочій точці розраховується за формулою:

Якщо підставити в дану формулу всі відомі значення:

Опір в ланцюзі в ланцюзі витока знаходиться за формулою:

Опір резистора в ланцюзі стоку можна зайти з формули:

З цієї формули можна розрахувати опір резистора в ланцюзі стоку:

Таблиця 1 Таблиця варіантів для задачі №1.

Варіант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
Uвідт, В	-1,5	-1,6	-1,7	-1,8	-1,9	-2,1	-2,2	-2,3	-2,4	-2,5	-2,6	-2,7	-2,8
Іс макс, мА	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,8	1,9	2	2,1	2,2	2,3	2,4	2,5
Ес, В	20,5	21	22	21,5	22,5	23	23,5	24	24,5	25	25,5	26	26,5
Іс, мА	0,5	0,6	0,7	0,55	0,65	0,7	0,75	0,8	0,85	0,9	1	0,95	1,25
Ku	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23
Варіант	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26
Uвідт, В	-3	-3,1	-3,2	-3,3	-3,4	-3,5	-3,6	-3,7	-3,8	-3,9	-4	-4,1	-4,2
Іс макс, мА	2,25	2,7	3	3,25	3,5	3,75	4	4,25	4,5	4,75	5	5,25	5,5
Ес, В	20,5	21	22	21,5	22,5	23	23,5	24	24,5	25	25,5	26	26,5
Іс, мА	1,5	1,75	2	2,25	2,5	2,75	3	3,25	3,5	3,75	4	4,25	4,5
Ku	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23

Задача № 2.

У витокового повторювача струм стоку І_с = 5 мА, крутизна вольтамперної характеристики в робочій точці S = 2 мА/В, R_н = 500 Ом, напруга на резисторі витоку дорвнює вихідній напрузі між витоком і стоком U_Rв =U_вс, В. Визначити коефіціент підсилення K_U, вихідний опір транзистора R_вих та напругу стокового джерела живлення Е_с.

Рисунок 7 Схема витокового повторювача.

Розв’язок.

В зв’язку з тим, що дана схема за умовами задачі являє собою витоковий повторювач, величина опору резистора, що підключається до ланцюга витоку, R_в, повинна дорівнювати величині опору навантаження R_н.

Коефіціент підсилення по напрузі розраховується за формулою:

Виходячи з цієї формули, можна визначити коефіціент підсилення:

Вихідний опір знаходиться за формулою:

Таким чином, вихідний опір дорівнює:

Напруга, що подається на резистор, підключений до витоку, має таке значення:

Звідси:

В

В зв’язку з тим, що напруга на резисторі витоку дорівнює напрузі між стоком та витоком, напруга стокового джерела живлення знаходиться як сума цих двох напруг:

В

Таблиця 2 Таблиця варіантів для задачі №2.

Варіант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
S, мА/В	1	1,25	1,5	1,75	2	2,25	2,5	2,75	3	3,25	3,5	3,75	4
Іс , мА	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5	5,5	2	2,5	3	3,5	4
Rн, Ом	220	250	300	350	400	450	550	500	600	650	700	750	800
Варіант	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26
S, мА/В	0,5	0,75	1	1,25	1,5	1,75	2	2,25	2,5	2,75	3	3,25	3,5
Іс , мА	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5	5,5	2	2,5	3	3,5	4
Rн, Ом	800	750	700	650	600	550	500	450	400	350	300	250	200

Контрольні питання.

1. Які пристрої називаються польовими транзисторами?

2. На які типи поділяються польові транзистори?

3. В чому полягає принцип роботи польового транзистора з керуючим р-n-переходом?

4. Як працює польовий транзистор з вбудованим каналом?

5. Які режими роботи польового транзимтора вам відомі?

6. В чому полягає конструктивна різниця між двома типами польових транзисторів з ізольованим затвором?

Практична робота № 5.

Тема:	Розрахунок основних параметрів підсилювачів.
Мета роботи: Зміст роботи: Організаційні та методичні вказівки:	Опрацювання і узагальнення матеріалу, розглянутого на лекційних заняттях. Засвоєння методики розрахунку електронних схем підсилювачів. Розрахунок найпростіших схемпідсилювачів. Практичну роботу проводять після вивчення теми “Підсилювачі” з групою студентів в два етапи: 1. Підготовчий етап: Вивчення матеріалу, розглянутого на теоретичних заняттях. Ознайомлення з методикою розрахунку схем, до складу яких входять підсилювачі. 2. Виконавчий етап: Виконання завдань у відповідності з варіантом за прикладами, наведеними в методичних вказівках.
Час:	160 хвилин.