5. Содержание отчета

Отчет должен содержать краткие теоретические сведения конструкцию и принцип действия полевого транзистора с р-п переходом, данные эксперимента по пп. I-10, результаты расчета и графики, выводы по работе.

6.Контрольные воросы

1. Описать конструкцию полевого транзистора.

2. Объяснить принцип действия полевого транзистора.

3. Привести условные графические изображения полевых транзисторов с каналами п− и р− типа, обосновать полярности рабочих напряжений на электродах.

4. Дать определение напряжения отсечки, объяснить, как влияет напряжение на стоке на процесс перекрытия канала.

5. Изобразить вид канала для различных сочетаний напряжений на затворе и стоке.

6. Объяснить наличие на стоковых ВАХ пологого и крутого участков.

7. Привести аналитическое выражение для стокозатворной характеристики.

8. Дать определение крутизны и внутреннего сопротивления, пояснить их определение по ВАХ.

9. Привести схему замещения полевого транзистора.

ЛИТЕРАТУРА

7. Степаненко И.П. Основы теории транзисторных схем. Изд.4-е, перер. и доп., М. "Энергия", 1977, стр.293-316.

8. Булычев А.Л., Прохоренко В.А. Электронные приборы. Учебн.посо­бие для вузов по спец. "Радиотехника".-Мн.: Выш.шк.,1987. стр. 249-262, 342-348.

9. Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые приборы. М.: Высш.шк. 1987, стр. 301-322 .

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9

Исследование МДП – транзистора

1. Цель работы

Целью работы является изучение конструкции и принципа действия МДП – транзистора с индуцированным и встроенным каналами, экспериментальное исследование статических характеристик и определение параметров МДП – транзистора с индуцированным каналом р−типа.

2. Теоретические сведения

В полевых МДП−транзисторах металлический затвор изолирован от полупроводникового канала диэлектриком, т.е. транзистор представляет собой структуру металл− диэлектрик −полупроводник – МДП. Наиболее распространён диэлектрик оксид кремния, поэтому такие транзисторы часто называют МОП−транзисторы.

Различают МДП−транзисторы с встроенным каналом и индуцированным каналом. В МДП−транзисторах с встроенным каналом канал создаётся технологически. Основой МДП−транзистора является подложка слаболегированного кремния. В теле подложки создаются сильнолегированные области другого типа проводимости, соединённые каналом того же типа проводимости. В зависимости от типа проводимости различают транзисторы с каналом n−типа и p−типа. Наиболее распространены по технологическим причинам транзисторы с встроенным каналом n−типа – рис.1. В теле подложки – кристалла кремния p−типа проводимости – созданы две сильнолегированные области n−типа проводимости, соединённые каналом n−типа. Одна из областей n−типа является истоком, а другая – стоком. Электрод затвора изолирован от канала тонким слоем диэлектрика. Если приложить между стоком и истоком напряжение, положительное на стоке относительно истока, то через канал будет протекать ток, обусловленный начальной проводимостью канала. Если к затвору приложить положительное напряжение относительно истока, то электроны будут притягиваться из полупроводника к затвору, проводимость канала увеличивается, ток через транзистор возрастает. Такой режим работы при U_зи>0 для транзистора со встроенным каналом n−типа называется обогащением. При подаче на затвор отрицательного напряжения относительно истока дырки притягиваются из подложки, а электроны отталкиваются из канал, происходит обеднение канала основными носителями – электронами, проводимость канала уменьшается. При некотором отрицательном напряжении U_зи=U_отс, называемом напряжением отсечки, происходит инверсия типа электропроводности канала: n⁺−области будут разделены слоем p−типа проводимости. Ток стока определяется обратным током p−n перехода, образованного n⁺−слоем и p−слоем подложки. При протекании тока через канал от стока к истоку (движение электроновв обратном направлении) потенциал канала становится более положительным относительно затвора по мере приближения к стоку, что равносильно подаче на соответствующий участок затвора отрицательного напряжения. Поэтому канал сужается к стоку и при U_си≥|U_отс| канал перекрывается.

Рис. 1. МДП−транзистор с встроенным каналом n−типа

На рис.2 приведено семейство стоковых характеристик МДП−транзистора со встроенным каналом n−типа.

Стоковые характеристики содержат участок линейного нарастания тока стока и участок насыщения (ограничения) тока стока. Переход от одного участка к другому обусловлен смыканием канала у стока.

Рис. 2. Стоковые характеристики МДП−транзистора с встроенным каналом n−типа

На рис.3 изображён вид канала для характерных точек стоковой характеристики.

В общем случае потенциал участка канала, прилегающего к затвору, относительно затвора равен U_си−U_зи. На линейном (омическом участке) при U_зи=0, U_си<|U_отс| ток стока возрастает линейно при увеличении U_си (т.2 рис.2). Когда из−за падения напряжения на объёмном сопротивлении канала напряжение между стоком и затвором станет равным U_отс, обеднённый слой смыкается с поверхностью, канал перекрывается – т.2. Дальнейшее увеличение U_си не приводит к существенному увеличению тока стока, а перекрытие канала происходит на участках канала, расположенных ближе к истоку – т.3. Чем меньше напряжение на затворе относительно истока, тем ниже начальная проводимость канала и тем раньше (при меньшем напряжении U_си) канал смыкается – т.4,5,6 рис.2, рис.3б. При U_зи<U_отс канал перекрыт, ток I_с=0 – т.7.

В режиме обогащения при U_зи>0 соответственно увеличивается ток насыщения транзистора – т.8, перекрытие канала происходит при большем напряжении U_си – т.9, а линейный участок более крутой – т.10.

Рис. 3. Вид канала МДП транзистора с встроенным каналом

а) U_зи=0 1.U_си <|U_отс| − линейный участок

2.U_си ≈|U_отс| − граничная точка

3.U_си >|U_отс| − участок насыщения

б) U_зи<0 4.U_си >U_зи−U_отс − участок насыщения

5. U_си ≈U_зи−U_отс − граничная точка

6. U_си <U_зи−U_отс − линейный участок

7. U_зи−U_отс <0, I_c=0 − отсечка

в) U_зи>0 Обогащение канала

8. U_си >U_зи−U_отс − участок насыщения

9. U_си ≈U_зи−U_отс − граничная точка

10. U_си <U_зи−U_отс − линейный участок

_{На рисунке 4 изображена сток}−затворная характеристика

Рис. 4. Сток−затворная характеристика МДП−транзистора с встроенным каналом n−типа

Номера характерных точек соответствуют рисункам 2 и 3. При U_зи>0 канал обогащается носителями n−типа, при U_зи<0 обедняется, при U_зи>|U_отс| происходит инверсия типа проводимости приповерхностного слоя, канал n−типа исчезает, ток I_с практически равен нулю. Протекает лишь малый ток обратно−смещённого перехода, образованного n⁺−областью стока и p−областью подложки.

Для предотвращения протекания прямых токов p−n переходов исток−подложка и сток−подложка к электроду подложки p−типа подключают отрицательное напряжение, а к подложке n−типа – положительное. Иногда при помещении кристалла в корпус электрод подложки соединяют с истоком.

М ДП−транзисторы с индуцированным (сформированным с помощью электрического поля) каналом, как правило изготавливаются на подложке кремния n−типа проводимости, в которой создаются две сильнолегированные области p⁺−типа проводимости. Области p⁺−типа имеют омические контакты с электродами – истоком и стоком. Электрод затвора изолирован от подложки тонким слоем диэлектрика рис.5.

Рис. 5. МДП−транзистор с индуцированным каналом p−типа

Т ранзистор со стороны электродов С и И представляет собой два встречно включённых p−n перехода и ток через него отсутствует. Если к затвору приложить отрицательное напряжение относительно подложки, соединённой с истоком, то в области подложки под затвором вначале образуется обеднённый слой вследствие выталкивания электронов. При дальнейшем увеличении отрицательного напряжения на затворе свободные дырки из подложки притягиваются в приповерхностный слой. При некотором отрицательном напряжении на затворе, называемом пороговым, концентрация дырок в приповерхностном слое становится больше концентрации электронов, происходит инверсия типа проводимости приповерхностного слоя. Образуется канал p−типа, соединяющий области p⁺−типа – сток и исток. Если между стоком и истоком приложить отрицательное напряжение U_си, то при наличии канала будет протекать ток, обусловленный движением дырок от истока к стоку. Для образования канала на затворе относительно подложки (истока) должно быть отрицательное напряжение |U_зи|>|U_ПОР|. При протекании тока стока потенциал канала, прилегающего к затвору, становится более отрицательным. При некотором напряжении U_си<U_ПОР потенциал канала становится равным U_ПОР относительно затвора, канал у стока перекрывается. Ток стока при дальнейшем увеличении не возрастает – участок насыщения. При большем по абсолютной величине напряжении U_зи ток насыщения увеличивается, а переход из линейного режима в режим насыщения тока происходит при больших напряжениях U_си­. На рис.6 приведено семейство стоковых характеристик транзистора с индуцированным каналом p−типа.

Рис. 6. Стоковые характеристики МДП−транзистора с индуцированным каналом p−типа

Через транзистор протекает ток только в режиме обогащения, когда напряжение на затворе более отрицательное, чем U_ПОР. Перегиб характеристик происходит, когда напряжение U_си превышает по абсолютной величине |U_зи||U_ПОР|.

Вид канала для характерных точек ВАХ изображён на рис.7.

7	1.|Uзи1|>|UПОР|, |Uси|<|Uзи1|−|UПОР| − линейный участок 2.|Uзи1|>|UПОР|, , |Uси|≈|Uзи1|−|UПОР| − граничная точка 3.|Uзи1|>|UПОР|, , |Uси|>|Uзи1|−|UПОР| − участок насыщения 4. |Uзи2|>|Uзи1|, |Uси|<|Uзи2|−|UПОР| − линейный участок 5. |Uзи2|>|Uзи1 , |Uси|≈|Uзи2|−|UПОР| − граничная точка 6. |Uзи2|>|Uзи1 , |Uси|>|Uзи2|−|UПОР| − участок насыщения 7. |Uзи|≤|UПОР|, Ic≈0 – канал отсутствует
Рис. 7. Вид канала МДП−транзистора

Если, например, пороговые напряжения транзистора с индуцированным каналом p−типа U_ПОР=−5В, то при U_зи=−7В переход от линейного участка к участку насыщения тока стока – перекрытие канала у стока – происходит при U_си=U_зи−U_ПОР=−7В−(−5В)=−2В, так как у стока напряжение на затворе относительно канала равно пороговому: U_зс=U_зи−U_си=−7В−(−2В)=−5В=U_ПОР. Если же U_зи=−10В, то напряжение перекрытия канала U_си=−10В−(−5В)=−5В.

С ток−затворная характеристика транзистора приведена на рис.8.

Рис. 8. Сток−затворная характеристика МДП−транзистора с индуцированным каналом p−типа.

Сток−затворная характеристика снимается при фиксированном напряжении U_си. При увеличении напряжения на стоке (по модулю) сток−затворная характеристика идёт более круто, при уменьшении более полого, во всех случаях проходя через точку 7 – [U_зи=U_ПОР; I_с=0].

Зависимость тока стока от напряжений на затворе и стоке описывается выражением

(1)

Это выражение справедливо для МДП−транзисторов с индуцированным и встроенным каналом при достаточно малых напряжениях на стоке, когда эффект перекрытия канала проявляется слабо. Для транзисторов с встроенным каналом вместо U_ПОР используется U_отс. Коэффициент S_уд измеряется в и называется удельной крутизной. Удельная крутизна прямопропорциональна подвижности носителей в канале, ширине канала (поэтому мощные МДП−транзисторы с относительно большой шириной канала обладают большей крутизной) , и обратнопропорциональна длине канала и толщине диэлектрика, изолирующего затвор. Последнее обстоятельство наряду с очень большим входным сопротивлением обуславливает необходимость применения специальных мер при хранении и пайке МДП−транзисторов, т.к. пробой тонкого слоя диэлектрика возможен при простом прикосновении к затвору.

Полагая в уравнении (1) U_зи=const, получим аналитическое описание стоковых характеристик, а при U_си=const – сток−затворных.

В области насыщения, когда |U_си|≥|U_зи−U_ПОР| и канал перекрыт, ток стока слабо зависит от U_си. Подставляя в (1) U_си=U_зи−U_ПОР, получим выражение для стоковых характеристик в области насыщения и для сток−затворной характеристики:

(2)

В области насыщения сток−затворная характеристика имеет квадратичный характер (рис.8).

Крутизна МДП−транзистора определяется дифференцированием уравнения (2):

(3)

Из формулы (3) понятен физический смысл S_уд: удельная крутизна – это крутизна транзистора при |U_зи−U_ПОР|=1В.

Дифференциальное выходное сопротивление стока получим, продифференцировав уравнение (1):

(4)

При увеличении U_си и приближении его к U_зи−U_ПОР происходит перекрытие канала и R_с резко возрастает, теоретически стремясь к бесконечности. Практически стоковые характеристики в области насыщения имеют конечный наклон, а сопротивление R_с характеризуется внутренним сопротивлением R_I, определяемом аналогично Z_к биполярных транзисторов и R_i полевых транзисторов с p−n переходом (рис.9).

Минимальное сопротивление стока достигается при U_си=0, называется сопротивлением сток−исток или сопротивлением канала полевого транзистора в открытом состоянии:

(5)

П о стоковым характеристикам R_сиоткр можно определить через крутизну графика тока в начале координат (рис.9).

Рис. 9. Определение R_СИОТКР и R_i по стоковым характеристикам МДП −транзистора

Из формулы (5) видно, что для уменьшения сопротивления R_СИОТКР необходимо увеличивать крутизну, т.е. задавать максимальное напряжение |U_зи|. Типичное значение сопротивлений R_сиоткр=10÷200 Ом, R_i=10÷100 кОм.

В таблице 2.1 приведены условные графические изображения МДП −транзисторов, вид стокзатворной характеристики и полярности рабочих напряжение на электродах.

Схема замещения МДП− транзистора в режиме малого сигнала аналогична эквивалентной схеме полевого транзистора с p−n переходом. Особенностью МДП −транзисторов является существенно большее по сравнению с другими полупроводниковыми приборами – по 10¹²−10¹⁵ Ом – входное сопротивление.

МДП −транзисторы с встроенным каналом применяются, как правило, в усилительных каскадах, а с индуцированным каналом – для построения аналоговых и цифровых ключей.

Таблица 2.1

Тип канала МДП− транзистора	Сток− затворная характеристика	Полярности напряжений
Встроенный канал n−типа		Напряжение на стоке положительное относительно истока, на подложке – отрицательное
З Встроенный канал p−типа		Напряжение на стоке отрицательное, на подложке – положительное
З П И Индуцированный канал n−типа		Напряжение на стоке положительное, на затворе положительное относительно истока, на подложке – отрицательное
С И П З Индуцированный канал p−типа		Напряжение на стоке и затворе отрицательное относительно истока, на под­ложке–положитель­ное

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В работе исследуется МОП− транзистор с индуцированным каналом р−типа КП301Б, имеющий основные параметры:

Пороговое напряжение U_ПОР, при U_СИ=−15В, Iс=0,3мА −2,7−5,4В

Крутизна S при U_СИ=−15В, Iс=5 мА I2,6мА/В

Активная составляющая выходной проходимости g22 u

при U_СИ=−15В, Iс=5 мА не более150 мкС

Максимальный постоянный ток стока I_{C МАКС}. 15мА

Напряжение U_{ЗИ МАКС} 30В

Напряжение U_{СИ МАКС} 20В

Мощность Р_МАКС 100 мВт

Температура окружающей среды −45ºС +70ºС

Схема эксперимента приведена на рис.10.

Рис. 10. Схема эксперимента

Подключение напряжения U_СИ производить только предварительно установив U_ЗИ=0, затем повышать постепенно U_ЗИ и проводить измерения, не допуская при этом повышения тока стока свыше 10,5 мА.

Т.к. схема эксперимента собирается в процессе работы, для защиты транзистора от статического электричества электрод затвора соединен с истоком высокоомным резистором. При снятии характеристик в области насыщения вольтметр, измеряющий U_СИ, должен быть подключен к источнику Ес = 0  −10В, а в области линейного нарастания тока (при малых U_СИ) − к стоку транзистора для исключения влияния сопротивлений амперметра и вольтметра.

4.ЗАДАНИЕ

1. Определить пороговое напряжение U_ЗИ =U_ПОР при U_СИ=−10В, Iс=0,1мА и напряжение U'_ЗИ, соответствующее Iс=10мА.

Определить U_ЗИ =(U_ПОР − U_ЗИ')·0,2.

2. Снять семейство стоковых характеристик для 5 значений U_ЗИ:

U_ЗИ1= U_ПОР − 5·U_ЗИ= U_ЗИ',

U_ЗИ2= U_ПОР − 4·U_ЗИ,

U_ЗИ3= U_ПОР − 3·U_ЗИ,

U_ЗИ4= U_ПОР − 2·U_ЗИ,

U_ЗИ5= U_ПОР −U_ЗИ.

Данные занести в таблицу 4.1

Таблица 4.1

UСИ, В

−0,1

−0,2

−0,3

−0,5

−1

−2

−3

−4

−6

−8

−10

Iс, мА

UЗИ1

UЗИ2

UИ3З

UЗИ4

UЗИ5

3. Снять стокзатворную характеристику для трех значений U_СИ. Данные занести в таблицу 4.2.

Таблица 4.2.

UЗИ, В			UЗИ1=	UЗИ2=		UЗИ3=		UЗИ4=		UЗИ5=
Iс, мА	UСИ=−10В
	UСИ=−8 В
	UСИ= −2 В

4. Построить семейство стоковых и стокзатворных характеристик.

5. Определить удельную крутизну транзистора Sуд.

Указание. Для определения удельной крутизны воспользоваться стокзатворной характеристикой при U_СИ= −10В, определить крутизну S (рис.8) и по формуле (3) рассчитать Sуд.

6. Построить теоретическую стокзатворную характеристику совместно с экспериментальной.

Указание. Воспользоваться результатом п.5 и формулой (2).

7. Определить внутреннее сопротивление Ri для U_СИ= −6В, U_ЗИ= U_ЗИ3.

8. С использованием стоковых характеристик по п.4. построить зависимости S и R_{СИ ОТКР}. от напряжения на затворе, предварительно заполнив таблицу 4.3.

Таблица 4.3.

N	1	2	3	4	5
UЗИ, В
 Iс, мА
Uс, В
RСИОТКР., Ом
S,мА/В

Указание. Значения U_ЗИ задавать в соответствии с п.2. Методика определения R_{СИ ОТКР}. указана на рис.9. Для определения крутизны воспользоваться формулой (5).

9. На основании формулы (3)рассчитать теоретические значение крутизны Sт и построить график S (U_ЗИ) совместно с расчетным S по п.8.