Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

Кафедра промышленной электроники

Отчет по лабораторной работе №1

Изучение полевых (униполярных) транзисторов

Выполнил:

студент гр. МКС-323

Махмудов Р.М.

Проверил:

Лобанов Ю.В.

Уфа 2011

1. Цель работы: изучение принципа действия, характеристик и параметров полевых (униполярных) транзисторов.

2. Теоретическая часть

2.1. Классификация полевых (униполярных) транзисторов.

Полевой транзистор (ПТ) – это п/п прибор, управление током в котором, осуществляется изменением проводимости токопроводящего канала при воздействии электрического поля, поперечного к направлению тока.

Протекание рабочего тока в ПТ обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому они также называются униполярными транзисторами.

Ток в канале создается в результате дрейфового движения основных носителей заряда канала, под действием продольного электрического поля. Электрод, от которого носители уходят в канал, называется истоком (И), а электрод, принимающий носители в конце канала – стоком (С). Сток и исток имеют одинаковый тип электропроводности. Управляющее поперечное поле создается с помощью электрода, называемого затвором (З).

Полевые транзисторы бывают двух видов:

1) с затвором на основе электрического перехода (с управляющим переходом);

2) с изолированным затвором – (со структурой Металл-Диэлектрик-Полупроводник) – МДП.

В ПТ с затвором на основе электрического перехода в качестве управляющего перехода используются либо p-n-переход, либо контакт Ме - п/п (барьер Шоттки).

МДП–транзисторы подразделяются на:

1. ПТ с встроенным каналом; 2) ПТ с индуцированным каналом.

В МДП со встроенным каналом канал создан технологическим путем за счет введения соответствующей примеси (донорной для n-канала, акцепторной – для p-канала).

В МДП с индуцированным каналом канал возникает (индуцируется) только при подаче на затвор напряжения определенной полярности и величины.

а) б)

З З

И С И С

в) З г) З

П П

И С И С

П –подложка

Рисунок 1 - Условные обозначения ПТ

ПТ с управляющим переходом с каналом n- типа (а) и p-типа (б)

МДП-транзистор со встроенным (в) и с индуцированным (г) каналом n –типа

2.2. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом.

U_зи U_вх

+ – ~

З1

а

– И С

n – к а н а л

а

Z

L

З2 R_н

– U_cи + I_с

Рисунок 2 - Устройство двухзатворного ПТ с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа

На п/п образце n-типа на верхней и нижней плоскостях созданы p-области, образующие два электронно-дырочных перехода. (), т.е. n -область более высокоомная, чтобы более эффективно влиять на толщину канала. Границы перехода создают канал n-типа, а выводы с противоположных концов канала являются истоком «И» и стоком «С». Каждая из p- областей является затвором «З».

При подаче положительного напряжения между С и И (U_си > 0) возникает дрейфовое движение электронов в канале от Истока к Стоку, т.е. в цепи протекает ток I_с – ток стока.

На p-n-переходы подается обратное напряжение, чтобы ток в цепи затвора мал, и мощность, необходимая для управления ПТ, были малыми. Кроме этого расширяется диапазон управляющих напряжений.

При обратном смещении на затворе (U_зи < 0) происходит увеличение толщины обедненных слоев перехода. Область перехода смещается в канал n-типа (как более высокоомный), следовательно, уменьшается площадь сечения канала, его проводимость и уменьшается величина тока стока Iс. (режим обеднения).

При прямом напряжении на затворе происходит инжекция неосновных носителей заряда, что приводит к протеканию прямого тока через затвор в область канала, эффективность управления резко снижается. Величина прямого управляющего напряжения ограничена значением половины ширины запрещенной зоны (0,5 Е_зз = 0,6 - 0,7эВ) и на практике такой режим обогащения не применяется.

Рассмотрим режимы работы ПТ.

1. Напряжение U_си = 0, U_зи < 0 При увеличении по модулю напряжения на затворе происходит сужение канала. Можно добиться совмещения границ переходов, т.е. канал будет полностью перекрыт и сопротивление между И и С будет очень высоким (n - n₀ МОм), а ток стока стремится к нулю (I_с→0) и определяется только токами утечки. Это напряжение называется напряжением отсечки U_зи отс. (при U_си = 0).

Значение напряжения отсечки можно найти, используя формулу для ширины резкого p-n-перехода:

(1)

Для нахождения модуля напряжения отсечки приравняем , тогда:

(2)

где: .

Если пренебречь значением , то (3)

Т.к. мы полагали, что U_си = 0 то это означает, что толщина обедненной области определяется только напряжением на затворе U_зи и остается неизменным во всех сечениях по длине канала от И к С. Следовательно, остается постоянной и площадь сечения канала.

2. Рабочий режим ПТ, при котором .

В этом режиме существует распределение потенциала вдоль канала, т.к. ток стока I_с, протекающий через транзистор, создает падение напряжения, которое оказывается запирающим для перехода «затвор – канал».

Будем считать, что в начале канала у истока (при х=0) падение напряжения равно нулю U(х)=0, а в конце канала у стока (при х = L): U(х) = U_си. Это приводит к увеличению ширины p-n-перехода, причем ширина увеличивается по мере приближения к стоку, где будет иметь место наибольшее падение напряжения, вызванное током I_с на сопротивлении канала Rси. Увеличение ширины p-n- перехода приводит к уменьшению сечения и проводимости канала.

С учетом наличия напряжения на затворе можно записать:

(4)

Подставив в (1) вместо Uзи выражение (4), получим:

(5)

Толщина канала d равна: (6)

Определим напряжение насыщения, при котором канал перекрывается и его толщина становится равной нулю:

(7)

В частном случае при U_зи = 0 получим:

(8)

Сравнивая (2) и (8), видно, что (9)

При малых значениях напряжения U_си и малых токах I_с полевой транзистор ведет себя как линейное сопротивление: увеличение напряжения U_си ведет к увеличению тока I_с и наоборот. По мере роста напряжения характеристика все сильнее отклоняется от линейной, что связано с сужением канала у стока. При определенном значении напряжения U_си наступает режим насыщения, который характеризуется тем, что с увеличением напряжения U_си ток стока I_с практически не изменяется. Это происходит потому, что при большом напряжении U_си = канал у стока стягивается в узкую горловину. Наступает своеобразное динамическое равновесие, когда уменьшение толщины канала не дает возможности увеличения тока стока I_с. В отличие от режима это не приводит к отсечке тока, т.к. само образование «горловины» есть следствие увеличения тока стока. Вместо отсечки тока происходит отсечка его приращений, т.е. насыщение тока стока.