4. Контрольные вопросы

1. Как с помощью статических ВАХ транзистора оценить значения его h-параметров (7)?

2. Как с помощью двух источников напряжения и двух амперметров измерить статический коэффициент передачи тока базы транзистора ?

3. Найти коэффициент усиления нагруженного каскада с ОЭ (рис. 15). Как влияет на коэффициент усиления уменьшение сопротивления нагрузки?

4. По рис. 11 и 12 оценить максимальную амплитуду входного сигнала усилителя с ОЭ, не вызывающего существенных искажений при усилении.

Лабораторная работа № 9 полевой транзистор

Цель работы: Знакомство с принципом действия и основными характеристиками полевого транзистора, а также исследование его работы в режиме управляемого сопротивления.

1. Теоретические сведения

Полевой транзистор – полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и тремя выводами. Характеризуется очень высоким входным сопротивлением, близким к входному сопротивлению электронных ламп. Идея создания полевого транзистора предложена У. Шокли в 1952 году.

1.1. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и его характеристики

В зависимости от конструкции полевые транзисторы делятся на транзисторы с n-каналом и транзисторы c p-каналом. Устройство этих типов полевых транзисторов, а также их условные обозначения показаны на рис. 1. Проводящим каналом служит пластинка из полупроводника n-типа (для транзистора с n-каналом), имеющая два электрода на противоположных концах, которые носят названия сток и исток. Управляющая цепь транзистора образована с помощью третьего электрода – затвора, подключенного к p-области.

Рис. 1. Структура и условные обозначения полевых транзисторов

с управляющим p-n-переходом

Рассмотрим принцип действия полевого транзистора на примере структуры с n-каналом (рис. 2). При наличии ненулевого напряжения между стоком и истоком u_си через канал протекает ток основных носителей (в данном случае – электронов). Если p-n-переход между затвором и каналом смещен в обратном направлении, вблизи него формируется обедненный слой, частично или полностью перекрывающий канал и препятствующий прохождению через него электронов. Площадь сечения проводящего канала между стоком и истоком зависит от толщины обедненного слоя и изменяется в зависимости от приложенного управляющего напряжения u_зи. Таким образом, ток стока i_с зависит от сечения канала, а значит – от управляющего напряжения. При некотором значении u_зи = U_отс, которое называется напряжением отсечки, канал закрывается полностью и ток стока i_с становится равным нулю.

Следует отметить, что обедненный слой ассиметричен – в области стока он шире за счет разницы потенциалов между стоком и истоком. Ток затвора полевого транзистора с управляющим переходом представляет собой ток через обратносмещенный p-n-переход и поэтому крайне мал (единицы нА).

Рис. 2. Включение полевого транзистора и регулирование ширины канала

Конструктивно управляющий переход изготавливается либо сплавлением полупроводников, либо диффузионными методами. Обычно области стока и истока легированы сильнее, чем область перехода для уменьшения потерь мощности. Часто канал наносится на массивную подложку р-типа, которую можно использовать как дополнительный затвор. Диффузионные полевые транзисторы могут работать на частотах до сотен МГц, что значительно меньше характерных частот биполярных транзисторов. Сравнительно небольшой частотный диапазон работы полевых транзисторов объясняется наличием существенной емкости между затвором и каналом.

Рис. 3. Управляющие (а) и выходные (б) характеристики полевого транзистора

с управляющим p-n-переходом

Рассмотрим ВАХ полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. Поскольку ток затвора i_з можно считать равным нулю, ток стока равен току истока i_с = i_и. Это означает, что состояние полевого транзистора описывается тремя величинами, в качестве которых обычно используют ток стока i_с, напряжение между стоком и истоком u_си и управляющее напряжение u_зи. Связь между этими тремя величинами описывается двумя семействами вольт-амперных характеристик – управляющих и выходных . Семейства управляющих и выходных ВАХ полевого транзистора с n-каналом показаны на рис. 3.

Управляющие ВАХ полевого транзистора (рис. 3, а) слабо зависят от напряжения u_си и достаточно хорошо описываются выражением

,

(1)

где I_c0 – начальный ток стока (при u_зи = 0), а U_отс – напряжение отсечки (при i_c = 0). Одним из основных параметров полевого транзистора является крутизна S его управляющей характеристики, которая определяется как производная тока стока по напряжению затвор-исток

.

(2)

С учетом формулы (1) для крутизны можно записать аналитическое выражение

.

(3)

На выходных характеристиках полевого транзистора (рис. 3, б) можно выделить несколько областей:

1) Область быстрого роста (|u_си| < |u_зи – U_отс|) характерна стремительным ростом тока стока при увеличении напряжения u_си, что соответствует более или менее суженному, но не перекрытому полностью каналу. Граница этой области зависит как от управляющего напряжения u_зи, так и от напряжения u_си, поскольку положительное напряжение u_си уменьшает сечение канала. Семейство выходных ВАХ в области быстрого роста хорошо аппроксимируется следующим выражением

.

(4)

2. В линейной области выходных ВАХ (|u_си| > |u_зи – U_отс|) канал перекрывается на стоке. По формуле (1), а также на рис. 3 видно, что в этой области i_с практически не зависит от напряжения u_си; остаточная зависимость тока стока от напряжения u_си характеризуется дифференциальным выходным сопротивлением, которое определяется как

.

(5)

С учетом определения дифференциального выходного сопротивления (5) и крутизны (2) в линейной области для малых отклонений напряжений и токов справедливо выражение

.

(6)

3. Область пробоя характеризуется резким увеличением тока стока при повышении напряжения u_си, которое обусловлено электрическим пробоем обратносмещенного p-n-перехода между затвором и каналом и может привести к выходу транзистора из строя.

4. 

   Рис. 4. Малосигнальная эквивалентная схема полевого транзистора

   Область отсечки (u_зи < U_отс) характерна перекрытием канала в области истока.

Как видно на рис. 3, увеличение тока стока наблюдается и при u_зи > 0, однако при этом резко возрастает ток затвора, поскольку p-n-переход между затвором и каналом оказывается смещенным в прямом направлении. Поэтому в таком режиме полевые транзисторы не используются.

Как и для биполярных транзисторов, при анализе схем на полевых транзисторах в режиме малых сигналов имеет смысл пользоваться системой линеаризованных уравнений, однако в данном случае удобно пользоваться не h-параметрами, а y-матрицей, поскольку ток затвора пренебрежимо мал. С учетом выражения (6) пара уравнений, описывающая полевой транзистор как четырехполюсник, имеет вид:

(7)

Соответствующая этой системе уравнений малосигнальная среднечастотная эквивалентная схема показана на рис. 4. Видно, что по сути полевой транзистор является управляемым двухполюсником, а не четырехполюсником.