Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
18
Добавлен:
02.05.2014
Размер:
491.01 Кб
Скачать

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Уфимский государственный авиационный

технический университет

Кафедра промышленной электроники

Лабораторная работа ПП-4

Исследование статических характеристик,

статических и дифференциальных параметров полевых

транзисторов.

Выполнили: студенты

группы ПЭ-321

Проданюк Василий

Козлов Павел

Коновалов Кирилл

Ахметова Марина

Проверил: Кудаяров Р.А.

Уфа 2004г

Цель работы:

изучение принципа действия и основных свойств полевого транзистора с управляющим p-n переходом, его работы при усилении сигнала и в качестве регулируемого сопротивления; исследование статических и дифференциальных параметров; исследование статических вольт - амперных характеристик (входных, выходных и характеристик передачи).

1 Краткие теоретические сведения:

    1. Устройство и принцип работы

Полевыми транзисторами (ПТ) называются приборы, работа которых основана на модуляции сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем. От биполярных транзисторов (БТ) полевые транзисторы отличаются тем, что в токообразовании рабочего тока участвуют носители заряда только одного типа (электроны либо дырки). Этим объясняется второе название приборов - унитроны.

Полевые транзиторы бывают двух видов:

- с управляющим р-n - переходом;

- со структурой "металл-диэлектрик полупроводник" (МДП - структуры).

В данной лабораторной работе изучаются ПТ с управляющим р-n - переходом. Устройство транзистора показано на рисунке 4.1. Пластина из полупроводникового материала, имеющего примесную проводимость определенного типа (р - или n), выполняет функцию рабочего канала. От концов пластины сделаны два вывода: электрод, от которого начинают движение основные носители заряда в канале, называют истоком (И), а электрод, к которому движутся заряды, называется стоком (С). Вдоль пластины с обеих сторон выполнены управляющие р-n - переходы или барьеры Шотки. Заметим, что в отличие от БТ, плоскость р-n - перехода расположена параллельно потоку носителей. От р-n - переходов сделан третий вывод - затвор (3). Внешнее напряжение прикладывают так, что между электродами стока и истока протекает ток основных носителей, а напряжение, приложенное к затвору, смещает управляющий р-n - переход в обратном направлении. Как известно из теории р-n - переходов [1], при обратном смещении образуется запорный слой, обедненный носителями зарядов, с высоким электрическим сопротивлением (порядка десятков МОм). Последнее обуславливает принципиальную особенность ПТ с управляющим р-n - переходом - высокое входное сопротивление.

Рисунок 4.1 - Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим р-n - переходом

а - выходные ВАХ

б - входная ВАХ

в - характеристика передачи (стокозатворная)

Рисунок 4.2 - Статические вольт-амперные характеристики полевого транзистора с управляющим р-п - переходом

При изменении напряжения U между затвором и истоком модулируется ширина запорного слоя и, соответственно, сопротивление рабочего канала между стоком и истоком rси, вплоть до полного перекрытия канала. Таким образом, при фиксированном напряжении между стоком и истоком за счет изменения напряжения сигнала U можно изменять рабочий ток IС от нуля до максимальной величины IC.max, определяемой параметрами внешней цепи ес, rC.

Эффект усиления сигнала по мощности в ПТ аналогичен усилению сигнала в БТ: вариации маломощного сигнала (U = var) вызывают вариации сигнала существенно большего уровня мощности от падения напряжения, создаваемого током стока IС на сопротивлениях rC или RCИ. Из принципа действия ПТ следует, что для сохранения управляемости сопротивления канала, управляющий р-n - переход должен быть смещен в обратном направлении (режим обеднения канала).

Из принципа действия следует, что в ПТ рабочим током IС можно управлять как по цепи затвора (U = var, UCИ = const), так и по цепи стока (UCИ = var, U = const) в определенных пределах, которые задаются двумя параметрами: напряжением отсечки UЗИ.ОТС и напряжением насыщения UCИ.HАС

Напряжение между затвором и истоком, при котором ток стока равен нулю (IС = 0), называют напряжением отсечки:

(4.1)

На практике удобнее вместо (4.1) использовать формулу

(4.2)

где i0 - заданное малое значение тока стока, надежно фиксируемое из­мерительным прибором.

Условие отсечки тока стока по (4.1) и (4.2) физически определяется таким уровнем расширения запорного слоя управляющего р-n - перехода, что рабочий канал исчезает (RCИ 64).

Напряжение между стоком и истоком, при котором скорость роста IС равна нулю (или dIC = 0), называется напряжением насыщения:

(4.3)

Другими словами, в режиме насыщения ПТ происходит "отсечка" не самого тока IС, а его приращения. На практике режим насыщения фиксируется по условию, когда IС остается почти постоянным, несмотря на рост напряжения UCИ. Физически появление режима насыщения при росте UCИ можно объяснить наличием внутренней отрицательной обратной связи за счет падения напряжения от тока IС на сопротивлении канала rк = rк(х), где х - координата, отсчитываемая вдоль канала в направлении IС (от истока к стоку):

(4.4)

Из (4.4) видно, что напряжения обратной связи DUOC нарастает по величине от истока к стоку. Напряжение DUOC прикладывается к управляющему р-n - переходу в запирающей полярности, т.е. приводит к расширению запорного слоя и увеличению RCИ. Следовательно, наиболее узкая часть канала ("горловина") наблюдается у стока. При этом, если считать, что сопротивление ПТ определяется только сопротивлением канала rси, то у края р-n - перехода, обращенного к истоку, будет действовать управляющее напряжение Uy = U, a у края, обращенного к стоку

(4.5)

Формула (4.5) показывает, что при перегрузке ПТ по напряжению р-n - переход пробивается вблизи стока.

При малых значениях напряжения UCИ и малых токах стока ПТ ведет себя как линейное сопротивление. По мере увеличения напряжения UCИ выходная вольт-амперная характеристика (ВАХ), все более отклоняется от линейной - становится пологой (рисунок 4.2а). Это режим насыщения, который характеризуется тем, что при достаточно большом UCИ канал вблизи стока за счет падения напряжения DUCИ стягивается в узкую горловину. Наступает динамическое равновесие, при котором увеличение +DIC, вызванное увеличением напряжения DUCИ, уравновешивается противоположным процессом сужения канала и соответствующего уменьшения тока -DIC за счет падения напряжения DUCИ. В итоге близко к нулю приращение тока DIC при росте UCИ:

(4.6)

Так как влияние электрического поля, создаваемого вариациями U и UCИ вблизи "горловины" канала практически одинаково, справедливы соотношения.

При значительном увеличении UCИ у стокового конца наблюдается пробой р-n - перехода.

Кроме усиления сигнала, ПТ, как и БТ, широко используется как электронные ключи и регулируемые сопротивления. ПТ входят в состав многих микросхем.

Аналогично БТ, полевые транзисторы можно включать по схеме с общим истоком (аналог схемы с ОЭ) и общим стоком (аналог схемы с ОК). Схема с ОЗ используется редко.

Основными преимуществами ПТ с управляющим р-n - переходом перед БТ является высокое входное сопротивление, малые шумы, простота изготовления. Недостатки: выход из строя при электрических перегрузках по напряжению (даже кратковременных), худшая радиационная стойкость. Эти недостатки частично устраняются. Так, для защиты ПТ от перегрузок по напряжению по цепи затвора в мощных приборах встраиваются защитные стабилитроны [3]. Сопротивления ПТ в открытом состоянии уже снижено до сотых долей Ома. Радиационная стойкость повышается технологическими способами [3].

Соседние файлы в папке Лабораторная работа №4