- •Отчет по лабораторной работе №1
- •Теоретическая часть
- •2.1. Классификация полевых (униполярных) транзисторов.
- •2.2. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом.
- •2.3. Вах полевого транзистора с управляющим переходом в схеме ои.
- •2.3.1. Выходные (стоковые) характеристики: .
- •2.4. Дифференциальные параметры полевого транзистора с управляющим переходом.
- •2.5. Малосигнальная модель пт с управляющим переходом.
- •3. Описание лабораторного стенда
- •4. Экспериментальная часть
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Уфимский государственный авиационный технический университет
Кафедра промышленной электроники
Отчет по лабораторной работе №1
Изучение полевых (униполярных) транзисторов
Выполнил:
студент гр. МКС-323
Махмудов Р.М.
Проверил:
Лобанов Ю.В.
Уфа 2011
-
Цель работы: изучение принципа действия, характеристик и параметров полевых (униполярных) транзисторов.
-
Теоретическая часть
2.1. Классификация полевых (униполярных) транзисторов.
Полевой транзистор (ПТ) – это п/п прибор, управление током в котором, осуществляется изменением проводимости токопроводящего канала при воздействии электрического поля, поперечного к направлению тока.
Протекание рабочего тока в ПТ обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому они также называются униполярными транзисторами.
Ток в канале создается в результате дрейфового движения основных носителей заряда канала, под действием продольного электрического поля. Электрод, от которого носители уходят в канал, называется истоком (И), а электрод, принимающий носители в конце канала – стоком (С). Сток и исток имеют одинаковый тип электропроводности. Управляющее поперечное поле создается с помощью электрода, называемого затвором (З).
Полевые транзисторы бывают двух видов:
1) с затвором на основе электрического перехода (с управляющим переходом);
2) с изолированным затвором – (со структурой Металл-Диэлектрик-Полупроводник) – МДП.
В ПТ с затвором на основе электрического перехода в качестве управляющего перехода используются либо p-n-переход, либо контакт Ме - п/п (барьер Шоттки).
МДП–транзисторы подразделяются на:
-
ПТ с встроенным каналом; 2) ПТ с индуцированным каналом.
В МДП со встроенным каналом канал создан технологическим путем за счет введения соответствующей примеси (донорной для n-канала, акцепторной – для p-канала).
В МДП с индуцированным каналом канал возникает (индуцируется) только при подаче на затвор напряжения определенной полярности и величины.
а) б)
З З
И С И С
в) З г) З
П П
И С И С
П –подложка
Рисунок 1 - Условные обозначения ПТ
ПТ с управляющим переходом с каналом n- типа (а) и p-типа (б)
МДП-транзистор со встроенным (в) и с индуцированным (г) каналом n –типа
2.2. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом.
Uзи Uвх
+ – ~
З1
а
– И С
n – к а н а л
а
Z
L
З2 Rн
– Ucи + Iс
Рисунок 2 - Устройство двухзатворного ПТ с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа
На п/п образце n-типа на верхней и нижней плоскостях созданы p-области, образующие два электронно-дырочных перехода. (), т.е. n -область более высокоомная, чтобы более эффективно влиять на толщину канала. Границы перехода создают канал n-типа, а выводы с противоположных концов канала являются истоком «И» и стоком «С». Каждая из p- областей является затвором «З».
При подаче положительного напряжения между С и И (Uси > 0) возникает дрейфовое движение электронов в канале от Истока к Стоку, т.е. в цепи протекает ток Iс – ток стока.
На p-n-переходы подается обратное напряжение, чтобы ток в цепи затвора мал, и мощность, необходимая для управления ПТ, были малыми. Кроме этого расширяется диапазон управляющих напряжений.
При обратном смещении на затворе (Uзи < 0) происходит увеличение толщины обедненных слоев перехода. Область перехода смещается в канал n-типа (как более высокоомный), следовательно, уменьшается площадь сечения канала, его проводимость и уменьшается величина тока стока Iс. (режим обеднения).
При прямом напряжении на затворе происходит инжекция неосновных носителей заряда, что приводит к протеканию прямого тока через затвор в область канала, эффективность управления резко снижается. Величина прямого управляющего напряжения ограничена значением половины ширины запрещенной зоны (0,5 Езз = 0,6 - 0,7эВ) и на практике такой режим обогащения не применяется.
Рассмотрим режимы работы ПТ.
-
Напряжение Uси = 0, Uзи < 0 При увеличении по модулю напряжения на затворе происходит сужение канала. Можно добиться совмещения границ переходов, т.е. канал будет полностью перекрыт и сопротивление между И и С будет очень высоким (n - n0 МОм), а ток стока стремится к нулю (Iс→0) и определяется только токами утечки. Это напряжение называется напряжением отсечки Uзи отс. (при Uси = 0).
Значение напряжения отсечки можно найти, используя формулу для ширины резкого p-n-перехода:
(1)
Для нахождения модуля напряжения отсечки приравняем , тогда:
(2)
где: .
Если пренебречь значением , то (3)
Т.к. мы полагали, что Uси = 0 то это означает, что толщина обедненной области определяется только напряжением на затворе Uзи и остается неизменным во всех сечениях по длине канала от И к С. Следовательно, остается постоянной и площадь сечения канала.
2. Рабочий режим ПТ, при котором .
В этом режиме существует распределение потенциала вдоль канала, т.к. ток стока Iс, протекающий через транзистор, создает падение напряжения, которое оказывается запирающим для перехода «затвор – канал».
Будем считать, что в начале канала у истока (при х=0) падение напряжения равно нулю U(х)=0, а в конце канала у стока (при х = L): U(х) = Uси. Это приводит к увеличению ширины p-n-перехода, причем ширина увеличивается по мере приближения к стоку, где будет иметь место наибольшее падение напряжения, вызванное током Iс на сопротивлении канала Rси. Увеличение ширины p-n- перехода приводит к уменьшению сечения и проводимости канала.
С учетом наличия напряжения на затворе можно записать:
(4)
Подставив в (1) вместо Uзи выражение (4), получим:
(5)
Толщина канала d равна: (6)
Определим напряжение насыщения, при котором канал перекрывается и его толщина становится равной нулю:
(7)
В частном случае при Uзи = 0 получим:
(8)
Сравнивая (2) и (8), видно, что (9)
При малых значениях напряжения Uси и малых токах Iс полевой транзистор ведет себя как линейное сопротивление: увеличение напряжения Uси ведет к увеличению тока Iс и наоборот. По мере роста напряжения характеристика все сильнее отклоняется от линейной, что связано с сужением канала у стока. При определенном значении напряжения Uси наступает режим насыщения, который характеризуется тем, что с увеличением напряжения Uси ток стока Iс практически не изменяется. Это происходит потому, что при большом напряжении Uси = канал у стока стягивается в узкую горловину. Наступает своеобразное динамическое равновесие, когда уменьшение толщины канала не дает возможности увеличения тока стока Iс. В отличие от режима это не приводит к отсечке тока, т.к. само образование «горловины» есть следствие увеличения тока стока. Вместо отсечки тока происходит отсечка его приращений, т.е. насыщение тока стока.