LR_3

Лабораторная работа №3

Тема: исследование полевого транзистора.

Цель: Развить умения по измерению характеристик транзисторов на примере полевых транзисторов разных типов и научить по характеристикам определить основные параметры полевых транзисторов.

Оборудование: ПЭВМ, программный пакет «Electronics Workbench».

Краткие теоретические сведения:

Широкое распространение получили полевые транзисторы, иначе называемые канальными или униполярными в отличие от биполярных транзисторов. Главное достоинство полевых транзисторов – высокое входное сопротивление, которое может быть таким же, как у электронных ламп, и даже больше. Помимо высокого входного сопротивления полевые транзисторы имеют ряд преимуществ по сравнению с биполярными. Полевые транзисторы более температуростабильны, т. е. меньше изменяют свои характеристики и параметры при изменении температуры. Они могут хорошо работать в более широком интервале температур. Полевой транзистор создает меньшие шумы и обладает более высокой стойкостью к воздействию ионизирующего излучения. По радиационной стойкости эти транзисторы приближаются к электронным лампам. Недостаток многих полевых транзисторов – сравнительно невысокая крутизна стокозатворной характеристики.

Принцип устройства и включения полевого транзистора с управляющим n–р-переходом, а также его условное графическое обозначение показаны на рисунке 1. Пластинка из полупроводника, например, n-типа имеет на противоположных концах электроды (исток (u), сток (с)), с помощью которых она включена в выходную (управляемую) цепь усилительного каскада. Эта цепь питается от источника Е2, и в нее включена нагрузка Rн. Вдоль транзистора проходит выходной ток основных носителей. Входная (управляющая) цепь транзистора образована с помощью третьего электрода(затвора (з)), представляющего собой область с другим типом электропроводности. В дан­ном случае это р-область. Источник питания входной цепи Е1 создает на единственном n–р-переходе данного транзистора обратное напряжение. Во входную цепь включен источник усиливаемых колебаний ИК.

Рисунок 1 – Схема включения и условное графическое обозначение

полевого транзистора с n–p-переходом и каналом n-типа.

Стокозатворные и стоковые характеристики полевого транзистора с управляющим p–n-переходом и каналом n-типа показаны на рисунке 2.

Рисунок 2 – Стоковые (а) и стокозатворные (б) характеристики полевого транзистора

Дальнейшим развитием полевых транзисторов являются транзисторы с изолированным затвором. У них металлический затвор отделен от полупроводникового канала тонким слоем диэлектрика. Иначе эти приборы называют МДП-транзисторами (от слов «металл – диэлектрик – полупроводник») или МОП-транзисторами (от слов «металл – оксид – полупроводник»), так как диэлектриком обычно служит слой диоксида кремния SiO2.

Структура МОП транзистора с индуцированным (инверсным) каналом и его условное графическое изображение показаны на рисунке 3.

Рисунок 3 – Структура МОП транзистора с индуцированным (инверсным) каналом

Канал возникает только при подаче на затвор напряжения опре­деленной полярности. Стокозатворные и стоковые характеристики полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом n-типа показаны на рисунке 4.

а) б)

Рисунок 4 - Стокозатворные а) и стоковые б) характеристики полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом n-типа.

Понятно, что для включения транзисторов с каналом р – типа необходимо изменить полярность источников питания.

При этом стокозатворные и стоковые (выходные) характеристики станут зеркальным отображением относительно оси ординат характеристик для транзисторов с каналом n – типа, показанных на рисунках 2,4.

Разновидность полевых транзисторов – транзисторы с двумя затворами. Они предназначены для двойного управления током стока, что используется при преобразовании частоты. Выпускаются также двойные полевые транзисторы, у которых в одном корпусе размещены два транзистора с самостоятельными выводами.

П

(1)

олевой транзистор характеризуется следующими параметрами. Основной параметр - крутизна S. Крутизна определяется по формуле

S = Δi_c /Δu_з-и при u_с-и = const,

где Δu_з-и - приращения напряжения между затвором и истоком;

Δi_c – соответствующее приращение тока стока

и может быть до нескольких миллиам­пер на вольт.

Крутизна характеризует управляю­щее действие затвора. Например, S = = 3 мА/В означает, что изменение напряжения затвора на 1 В создает изменение тока стока на 3 мА. Крутизна определяется по стокозатворной характеристике.

В

(2)

торой параметр – внутреннее (вы­ходное) сопротивление R_i. Этот параметр представляет собой сопротивление транзистора между стоком и истоком (сопротивление кана­ла) для переменного тока и выражается формулой

R_i = Δu_с-и /Δi_c при u_з-и = const.

Сопротивление R_i определяется по выходной (стоковой) характеристике полевого транзистора.

На пологих участках выходных ха­рактеристик значение R_i достигает сотен килоом и оказывается во много раз больше сопротивления транзистора постоянному току R₀ (R₀ = U_cu/I_c при u_з-и = const).

R₀ – определяется на пологом участке выходной характеристики для произвольного напряжения U_cu.

Иногда пользуются еще третьим па­раметром – коэффициентом усиления μ, который показывает, во сколько раз сильнее действует на ток стока измене­ние напряжения затвора, нежели измене­ние напряжения стока. Коэффициент уси­ления определяется формулой



(3)

= – Δu_с-и / Δu_з-и при i_c = const,

т. е. выражается отношением таких из­менений Δu_с-и и Δu_з-и, которые компен­сируют друг друга по действию на ток i_c, в результате чего этот ток остается постоянным. Так как для подобной компенсации Δu_с-и и Δu_з-и должны иметь разные знаки (например, увеличение Δu_с-и должно компенсироваться уменьшением Δu_з-и), то в правой части формулы (3) стоит знак «минус». Иначе, можно вместо этого взять абсолютное значение пра­вой части. Коэффициент усиления свя­зан с параметрами S и R_i простой зависимостью



(4)

= SR_i.

Для пологих участков выходных ха­рактеристик  достигает сотен и даже тысяч. В начальной области этих харак­теристик, когда они идут круто (при малых u_с-и), значения всех трех парамет­ров уменьшаются.

В

(5)

ходное сопротивление полевого транзистора определяется, как обычно, по формуле

R_вх = Δu_з-и / i_з при Δu_с-и = const

Поскольку ток i_з – обратный ток n-р-перехода, а значит, очень мал, то R_вх достигает единиц и десятков мегаом. Полевой транзистор имеет также вход­ную емкость между затвором и истоком С_з-и, которая является барьерной ем­костью n-р-перехода и составляет еди­ницы пикофарад у диффузионных тран­зисторов и десятки пикофарад у сплав­ных. Меньшие значения имеет проход­ная емкость между затвором и стоком С_з-с, а самой малой является выходная емкость между истоком и стоком С_с-и.

2 Ход работы:

2.1.1 Собрать электрическую цепь согласно схеме изображенной на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схема включения полевого транзистора с управляющим p – n переходом и каналом р - типа

2.1.2 Снять стокозатворную характеристику полевого транзистора, т.е. зависимость Iс = f(Uзи) при Uси = const.

2.3 Изменять Uвых1=Е1 = Uзи от 0 с шагом 0,25 В (контролируя напряжение по прибору РV1) до тех пор, пока значение Ic, контролируемое по прибору РА1, не станет равным 0 мА.(Ic – ток стока, Uзи – напряжение на затворе, относительно истока).

2.1.3 Данные занести в таблицу 2.

Таблица 2

Iс, мА	4	3,5	3	2,5	2	1,5	1	0,5	0,25	0
Uзи,В	0	0,25	0,5	0,75	1	1,25	1,5	1,75	2	2,25

Uси =

2.2 Снять стоковую (выходную) характеристику вида Ic = f (Uси) при Uзи=Е1= const.

2.2.1 Изменять Uси с помощью регулировки U_вых2 = Е2 с шагом 0,2В от 0 до 1В и с шагом 1В до 10В, измерять его по прибору РV2 и контролировать по прибору РА1 ток Ic.

2.2.2 Результаты измерений занести в таблицу 4.

Таблица 4

Uси,В	0	0,2	0,4	0,6	0,8	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Iс, мА	0	0,75	1,4	2	2,5	3	4,024	4,043	4,063	4,083	4,103	4,123	4,143	4,162	4,182

Uзи = 0,5В

2.3 Собрать электрическую цепь согласно схеме, показанной на рисунке 7.

Рисунок 7 – Схема включения полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом р – типа.

2.3.1

Снять стокозатворную характеристику полевого транзистора, т.е зависимость Ic = f(Uзи) при Uси = const.

2.3.2 Изменять Uвых1=Е1 = Uзи от 0 с шагом 1В (контролируя напряжение по прибору PV1) до тех пор, пока значение Iс, контролируемое по прибору РА1, не станет равным 1мА.

2.3.3 Данные занести в таблицу 6.

Таблица 6

Uзи,В	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11		12
Iс, мА	0	0,01	0,04	0,09	0,16	0,25	0,35	0,45	0,55	0,65	0,75	0,85	0,95

Uси =5В

2.4 Снять стоковую (выходную) характеристику полевого транзистора вида Ic = f(Uси) при Uзи = const.

2.4.1 Изменять Uси = Uвых₂ = Е₂ с помощью регулировки Uвых₂ с шагом 0,2 В до 1 В и с шагом 1В до 10В, измерять Uси с помощью прибора PV2, а с помощью прибора РА1 контролировать ток стока Iс.

2.4.2 Результаты измерений занести в таблицу 7

Таблица 7

Uси,В	0	0,2	0,4	0,6	0,8	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Iс, мА	0	0,0196	0,0384	0,0564	0,0736	0,09	0,16	0,21	0,24	0,25	0,25	025	0,25	0,25	0,25

Uзи =5В

2.5 Построить стокозатворные и стоковые (выходные) характеристики полевых транзисторов с управляющим p – n переходом и изолированным затвором и по ним определить основные параметры полевых транзисторов: крутизну S, внутреннее (выходное) сопротивление транзистора Ri, сопротивление транзистора постоянному току Rо, коэффициент усиления µ. Параметры S, Ri, Rо, µ необходимо определить по соответствующим формулам, размещенным в кратких теоретических сведениях и пометить в таблице 8.

Таблица 8

Параметры Тип транзистора	S	Ri	Rо	µ
С управляющим p – n переходом
С изолированным затвором

Примечание: приращения напряжений и соответствующие им приращения токов необходимо устанавливать самостоятельно по методу двух точек.

Выводы: В ходе данной работы установлено

1. Канал в транзисторах с индуцированным каналом возникает только при подачи напряжения определённой полярности, при отсутствии этого напряжения канала нет

2. Канал в транзисторах с индуцированным каналом возникает только при подаче напряжения определённой полярности, при отсутствии этого напряжения канала нет

3. Снятые стокозатворные характеристики неудобны для расчетов, поэтому на практике используются выходными (стоковыми) характеристиками, где i_c = F(u_с-и) при u_з-и= const

4. . Наиболее распространена схема включения с общим истоком, которая обеспечивает очень большое усиление тока и мощности и переворачивает фазу напряжения при усилении.

4 Ответы на контрольные вопросы:

1. Дать классификацию полевых транзисторов

Полевые транзисторы: с управляющим p-n переходом, с изолированным затвором

2. В чём преимущества полевых транзисторов перед биполярными?

В отличии от биполярных, полевые транзисторы униполярны; управляются не входным током, а электрическим полем, подаваемым на затвор; более мощные; влияние температуры на работу незначительно

3. Какие транзисторы исследовались в работе?

Транзистор VT4 (КП301) с изолированным затвором и индуцированным p-каналом

4. В чём особенности транзистора МДП со встроенным каналом?

Данный транзистор может работать как в режиме обеднения (чем больше отрицательное напряжение, тем меньше ток стока), так и в режиме обогащения (под действием прямого напряжения создаётся электрическое поле, под действием которого из областей истока и стока, а так же из кристалла в канал будут приходить электроны; при этом проводимость канала увеличивается и, следовательно, ток возрастает)

5. Каков принцип действия транзистора с управляющим p-n переходом?

При изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на p-n переходе, и от этого изменяется толщина запирающего слоя. Вследствие этого меняется площадь поперечного сечения области через которую проходит поток основных носителей заряда, т.е. выходной ток. Эта область называется каналом.

транзисторы с изолированным затвором. У них металлический затвор отделен от полупроводникового канала тонким слоем ди­электрика.

На рисунке 7.13 показаны принцип уст­ройства полевого транзистора с изоли­рованным затвором и его условное графическое обозначение. Основанием служит кремниевая пластинка с электро­проводностью типа р. В ней созданы две области с электропроводностью n⁺-типа с повышенной

проводимостью.

. Толщина диэлектрического слоя диоксида кремния (показан штри­ховкой) 0,1-0,2 мкм.

Иногда от кристалла бывает сделан отдельный вывод. Прибор с та­кой структурой называют транзистором с собственным (или встроенным) кана­лом, и работает он следующим образом.

Рисунок 7.13 – Принцип устройства МДП-транзистора с собственным каналом n-типа (а) и условное графическое обозначение МДП-транзисторов каналами n-типа (б) и р-типа (в)

Если же на затвор подать положи­тельное напряжение, то под действием поля, созданного этим напряжением, из областей истока и стока, а также из кристалла в канал будут приходить электроны; проводимость канала при этом увеличивается и ток стока воз­растает. Этот режим называют режимом обогащения.

Если при нулевом напряжении затво­ра приложить между стоком и истоком напряжение, то через канал потечет ток, представляющий собой поток электро­нов. Через кристалл ток не пойдет, так как один из р–n-переходов находится под обратным напряжением. При пода­че на затвор напряжения, отрицательно­го относительно истока, а следователь­но, и относительно кристалла, в канале создается поперечное электрическое по­ле, под влиянием которого электроны проводимости выталкиваются из канала в области истока и стока и в кристалл. Канал обедняется электронами, сопро­тивление его увеличивается, и ток стока уменьшается. Чем больше отрицатель­ное напряжение затвора, тем меньше этот ток. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.

Рисунок 7.14 – Выходные характеристики МДП-транзистора с собственным каналом n-типа

Рисунок 7.15 – Характеристика управления МДП-транзистора с собственным каналом n-типа

Рисунок 7.16 – Принцип устройства и условное графическое обозначение транзистора с индуцированным каналом n-типа

Разработал	Ящук И. Г,			Основы электроники и микроэлектроники Отчёт по лабораторной работе № 3 Исследование полевого транзистора.	Лист
Проверил	Щеперка В.Н.
		Подпись	Дата