Лабораторные работы_рус РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

5.3.Опишите принцип действия и характеристики эмиттерного повторителя.

5.4.От каких параметров зависит коэффициент передачи повторителя?

5.5.Как соотносятся входные и выходные сопротивления эмиттерного повторителя?

5.6.Для каких целей используются эмиттерные повторители?

5.7.Чему равны коэффициент усиления по току и по напряжению?

5.8.Чему равны максимальное входное и минимальное выходное сопротивления эмиттерного повторителя?

5.9.Почему полоса пропускания по частоте у эмиттерного повторителя шире, чем у RC- каскада с ОЭ?

5.10.Почему схема с ОК называется эмиттерным повторителем?

5.11.Какие параметры повторителя определяют наивысшую частоту усиливаемого сигнала?

6.Литература

6.1.Манаев В.И. Основы радиоэлектроники.- Радио и связь.

М., 1990.-512 с.

6.2.Ушаков В.Н., Долженко О.В. Электроника: от элементов до устройств.- Радио и связь. М., 1993.- 352 с.

6.3.Основы радиоэлектроники/ Под ред. Г.Д.Петрухина,

МАИ, М.: 1993.- 416с.

6.4.Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. Лаборатория базовых знаний. М., 2000.- 488 с.

6.5.Каяцкас А.А.Основы радиоэлектроники. М.: Высшая школа, 1988.- 464 с.

6.6.Булычев А.Л., Лямин П.М., Тулинов Е.С. Электронные приборы, Лайт ЛТД. М., 2000.- 415 с.

6.7.Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники. М.: Высшая школа, 2000.- 399 с.

102

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТОКОВОГО ПОВТОРИТЕЛЯ

1.Цель работы

Изучение работы полевого транзистора и исследование основных параметров и характеристик истокового повторителя.

2.Теоретические сведения

2.1. Полевые транзисторы

Полевые транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, в которых прохождение тока обусловлено дрейфом основных носителей заряда под действием продольного электрического поля. Управление током в полевых транзисторах осуществляется путем изменения электропроводности токопроводящего участка полупроводника поперечным электрическим полем, поэтому он называется полевым. Благодаря управлению электрическим полем входное сопротивление полевых транзисторов для постоянного тока и низкой частоты переменного тока может быть очень большим: 108-1015 Ом. В биполярном транзисторе управление выходным током осуществляется с помощью входного тока базы и эмиттера, что неизбежно связано со сравнительно малым входным сопротивлением. В ряде случаев это не является недостатком, а скорее преимуществом. Например, при малом входном сопротивлении всякого рода наводки посторонних напряжений оказываются значительно меньшими, чем при высоком входном сопротивлении. Однако иногда крайне важно иметь очень большое входное сопротивление.

Кроме того, в отличие от биполярных транзисторов, в которых существенную роль играют как основные, так и неосновные носители, в полевых транзисторах ток переносится носителями одного знака (основными), поэтому их часто называют униполярными.

103

Для того чтобы управлять током в полупроводнике с помощью электрического поля, нужно менять либо площадь проводящего полупроводникового слоя, либо его удельную проводимость. В полевых транзисторах используют оба способа и соответственно различают две разновидности: транзистор с управляющим p-n переходом и МДП – транзистор (структура металл-диэлектрик-полупроводник). МДП – транзисторы, в свою очередь, подразделяют на МДП – транзисторы с индуцированным и встроенным каналами.

2.1.1.Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

Упрощенная структура кристалла полевого транзистора с управляющим p-n переходом, изготовленного на основе полупроводника n-типа, показана на рис.1а.

а) с управляющим p-n переходом; б) с индуцированным каналом; в) со встроенным каналом.

Рис.1 Структура полевых транзисторов

Транзистор состоит из области n-типа и двух областей p- типа, образованных на боковых гранях кристалла. Области p- типа соединяются вместе и образуют управляющий электрод, называемый затвором (З).

На границах раздела полупроводников p- и n- типа образуются запирающие слои, обладающие высоким сопротивлением. Объем, заключенный между p-n переходами,

104

называется каналом (К). Если к каналу подсоединить внешний источник постоянного напряжения, в канале создается продольное электрическое поле, под действием которого электроны в канале перемещаются (дрейфуют) в сторону положительного полюса источника напряжения.

Полупроводниковая область, от которой движутся электроны, называют истоком (И), а область, к которой они движутся, называется стоком (С). На затвор относительно истока подается напряжение UЗИ, смещающее p-n переходы затвор-канал в обратном направлении. В основе работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом лежит идея изменения площади поперечного сечения проводящего канала. При увеличении Uзи смещающее обратное напряжение на p-n переходах увеличивается, запирающие слои расширяются, уменьшая сечение канала. При этом электропроводимость канала и проходящий через него ток уменьшаются. Таким образом, изменяя напряжение на затворе можно управлять током, проходящим через канал полевого транзистора. При некотором напряжении на затворе может произойти смыкание областей объемного заряда, т.е. канал перекрывается. Напряжение на затворе (при UСИ=0), при котором канал перекрывается, называется напряжением отсечки UЗИ ОТС.. Очевидно, что эффективное управление сечением канала происходит в том случае, если запирающий слой p-n перехода расширяется в основном в сторону канала. Это достигается выбором концентрации доноров и акцепторов, таким образом, чтобы выполнялось условие NA>> ND. Т.е. область затвора должна иметь повышенную проводимость по отношению к исходной пластине, а p-n переход резко несимметричен.

При наличии напряжения UСИ потенциалы канала у стокового и истокового концов оказываются разными. Напряжения на p-n переходе у истокового конца равно │UЗИ│, а у стокового канала │UЗИ│+│UСИ│, поэтому запирающий слой у стокового конца будет шире, чем у истокового. Увеличение напряжения стока UСИ вызовет увеличение тока стока IС, которая создает падение напряжения вдоль канала, и напряжение p-n перехода у стокового конца может достигнуть

105

UЗИ ОТС., при котором в сечении около стока должно произойти перекрытие канала.

Правые точки канала имеют более положительный потенциал по отношению с левыми, и еще более положительный потенциал по отношению ко всем точкам затвора, находящимся при одинаковом отрицательном потенциале. Вследствие этого проводящий канал сильно сужен

вправой части. Если разность потенциалов затвор-сток превышает напряжение отсечки, то канал в правой части на некотором протяжении имеет очень малое сечение. Но абсолютно полного перекрытия канала не будет. В действительности около стока остается узкая токопроводящая перемычка (так называемая «горловина» канала), в которой напряженность электрического поля достигает критического значения, а скорость дрейфа носителей – скорости насыщения, определяющий постоянную плотность дрейфового тока. При дальнейшем увеличении напряжении стока «горловина» удлиняется и на ней падает все дополнительное напряжение стока, сверх того значения, при котором произошло условное перекрытие канала. Полного перекрытия канала путем

увеличения напряжения UСИ получить нельзя, поскольку само перекрытие является следствием прохождения тока стока. В результате автоматически устанавливается некоторая малая ширина канала. В итоге происходит не отсечка, а лишь ограничение тока канала, т.е. этот ток становится практически

независимым от UСИ. Такой процесс называется насыщением, а напряжение и ток соответственно напряжением насыщения

UСИ НАС. и током насыщения IС НАС.. Таким образом, ширина канала, определяющая его сопротивление, и ток стока IС зависят от напряжения UЗИ и UСИ. Пусть, например, напряжение отсечки UЗИ ОТС=-5 В. если напряжение UЗИ=-1В, то сужение канала в правой части начнется при напряжении UСИ=+4В. Если напряжение сток-исток повысить, то сужение канала продвинется влево.

Входное сопротивление полевого транзистора велико (сотни МОм), поскольку управляющий p-n переход включается

вобратном направлении.

106

2.1.2. МДП-транзисторы

Работа МДП-транзисторов основана на изменении удельного сопротивления канала. При создании разности потенциалов между объемом полупроводника и изолированным затвором в приповерхностной области полупроводника образуется тонкий слой с концентрацией носителей зарядов, отличной от концентрации в остальном объеме полупроводника

– канал, сопротивлением которого можно управлять изменяя напряжение на затворе. В зависимости от способа изменения типа электропроводности на поверхности кристалла различают транзисторы с индуцированным и встроенными каналами. В транзисторах, изготовленных на основе кремния, в качестве диэлектрика обычно используют диоксид кремния SiO2, поэтому такие МДП-транзисторы часто называют МОПтранзисторами.

Упрощенная структура МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис.1б в полупроводнике p-типа, называемом подложкой, методом диффузии образованы две n+ -области, не имеющие между собой электрического соединения. Одна из них называется стоком, другая – истоком. При отсутствии напряжения между затвором и истоком UЗИ=0 канал отсутствует, а между стоком и истоком оказывается встречно включенными два p-n перехода, поэтому IС в этом случае практически равен нулю. Если подать на затвор положительное напряжение (UЗИ>0), то действием электрического поля начнется оттеснение дырок от поверхности полупроводника, расположенной напротив затвора, в глубь полупроводника. В результате этого в приповерхностном слое образуются свободные электроны. При некотором пороговом напряжении на затворе концентрация электронов в этом слое может оказаться больше, чем концентрация дырок. Произойдет инверсия типа электропроводности. Инверсный слой электронов соединит n+ -области стока и истока, т.е. создается проводящий канал. Сопротивление канала зависит от концентрации электронов в нем. Поэтому изменяя UЗИ, можно менять ток стока при подключении напряжения между стоком и истоком UСИ. Из-за падения напряжения на канале при прохождении по

107

нему тока электрическое поле вблизи истока оказывается больше, чем вблизи стока, вследствие чего канал у истока шире, чем у стока. При увеличении положительного напряжения на затворе глубина проникновения инверсного слоя в полупроводник будет увеличиваться. Это приведет к увеличению электропроводности канала и к росту тока стока. Такой режим работы транзистора называется режимом обогащения. Транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения и поэтому называются полевыми транзисторами обогащенного типа. Если на затвор подать отрицательное напряжение, то n+ -области стока и истока окажутся разделенными и ток стока уменьшится до очень малого значения, определяемого обратным током включенных встречно p-n переходов.

В МДП-транзисторах со встроенным каналом рис.1в между областями стока и истока заранее технологическим путем создается тонкий приповерхностный слой (канал) с таким же типом электропроводности, что у стока и истока. Поэтому при UЗИ=0 между стоком и истоком (при подключении UСИ) будет некоторый ток, называемый начальным током стока IС. НАЧ.. Такие транзисторы работают как при положительных, так и при отрицательных напряжениях на затворе. При отрицательном напряжении наблюдается режим обеднения, когда электрическое поле, создаваемое UЗИ, выталкивает электроны из канала, уменьшая его удельную проводимость. При положительном напряжении UЗИ наблюдается режим обогащения, когда электроны втягиваются в канал из р-области, что увеличивает удельную проводимость канала.

В качестве исходной полупроводниковой пластины во всех видах полевых транзисторов могут быть использованы полупроводники как n-, так и р-типов. Поэтому различают полевые транзисторы n- и р-типов, а всего может быть шесть разновидностей полевых транзисторов (рис.2).

108

линейно. Затем наступает режим насыщения, при котором рост тока IС с повышением напряжения UСИ практически прекращается. Это происходит потому, что с увеличением тока площадь поперечного сечения проводящего канала уменьшается и при достаточно больших значениях IС наступает своеобразное динамическое равновесие – увеличение тока IС вызывает сужение канала, которое приводит к уменьшению тока, и наоборот. При достаточно большом напряжении UСИ наблюдается резкий рост тока IС, обусловленный электрическим пробоем p-n перехода у стокового конца канала. При UЗИ<0 вид характеристик IС(UСИ) будет таким же, как и при UЗИ=0, только из-за того, что первоначальная площадь поперечного сечения проводящего канала будет меньше, начальное значение тока IС также будет меньше. Уменьшается и напряжения насыщения, и напряжения пробоя.

Общий вид семейства выходных статических вольтамперных характеристик полевого транзистора с управляющим p-n переходом показан на рис.3а; МДП-транзистора с индуцированным каналом – на рис.3б; МДП-транзистора со встроенным каналом – на рис.3в. Отличия выходных характеристик различных типов МДП-транзисторов заключаются в расположении характеристик при UЗИ=0. в МДПтранзисторе со встроенным каналом эта характеристика располагается посередине семейства. Выше ее идут характеристики, соответствующие режиму обогащения, а ниже

– режиму обеднения.

Приведенные выше характеристики МДП-транзисторов справедливы для случая, когда их подложки (П) соединены с истоком. Подложку можно также использовать в качестве дополнительного электрода, напряжение на котором управляет током в проводящем канале транзистора. В этом случае подложку называют нижним затвором. Механизм управления током канала оказывается совершенно таким же, как при управлении напряжением затвора, а семейство характеристик IС(UСИ) при UПИ=const имеет тот же вид, что и характеристик

IС(UСИ) при UЗИ=const.

110