LR_3
.doc
Лабораторная работа №3
Тема: исследование полевого транзистора.
Цель: Развить умения по измерению характеристик транзисторов на примере полевых транзисторов разных типов и научить по характеристикам определить основные параметры полевых транзисторов.
Оборудование: ПЭВМ, программный пакет «Electronics Workbench».
Краткие теоретические сведения:
Широкое распространение получили полевые транзисторы, иначе называемые канальными или униполярными в отличие от биполярных транзисторов. Главное достоинство полевых транзисторов – высокое входное сопротивление, которое может быть таким же, как у электронных ламп, и даже больше. Помимо высокого входного сопротивления полевые транзисторы имеют ряд преимуществ по сравнению с биполярными. Полевые транзисторы более температуростабильны, т. е. меньше изменяют свои характеристики и параметры при изменении температуры. Они могут хорошо работать в более широком интервале температур. Полевой транзистор создает меньшие шумы и обладает более высокой стойкостью к воздействию ионизирующего излучения. По радиационной стойкости эти транзисторы приближаются к электронным лампам. Недостаток многих полевых транзисторов – сравнительно невысокая крутизна стокозатворной характеристики.
Принцип устройства и включения полевого транзистора с управляющим n–р-переходом, а также его условное графическое обозначение показаны на рисунке 1. Пластинка из полупроводника, например, n-типа имеет на противоположных концах электроды (исток (u), сток (с)), с помощью которых она включена в выходную (управляемую) цепь усилительного каскада. Эта цепь питается от источника Е2, и в нее включена нагрузка Rн. Вдоль транзистора проходит выходной ток основных носителей. Входная (управляющая) цепь транзистора образована с помощью третьего электрода(затвора (з)), представляющего собой область с другим типом электропроводности. В данном случае это р-область. Источник питания входной цепи Е1 создает на единственном n–р-переходе данного транзистора обратное напряжение. Во входную цепь включен источник усиливаемых колебаний ИК.
Рисунок 1 – Схема включения и условное графическое обозначение
полевого транзистора с n–p-переходом и каналом n-типа.
Стокозатворные и стоковые характеристики полевого транзистора с управляющим p–n-переходом и каналом n-типа показаны на рисунке 2.
Рисунок 2 – Стоковые (а) и стокозатворные (б) характеристики полевого транзистора
Дальнейшим развитием полевых транзисторов являются транзисторы с изолированным затвором. У них металлический затвор отделен от полупроводникового канала тонким слоем диэлектрика. Иначе эти приборы называют МДП-транзисторами (от слов «металл – диэлектрик – полупроводник») или МОП-транзисторами (от слов «металл – оксид – полупроводник»), так как диэлектриком обычно служит слой диоксида кремния SiO2.
Структура МОП транзистора с индуцированным (инверсным) каналом и его условное графическое изображение показаны на рисунке 3.
Рисунок 3 – Структура МОП транзистора с индуцированным (инверсным) каналом
Канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности. Стокозатворные и стоковые характеристики полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом n-типа показаны на рисунке 4.
а) б)
Рисунок 4 - Стокозатворные а) и стоковые б) характеристики полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом n-типа.
Понятно, что для включения транзисторов с каналом р – типа необходимо изменить полярность источников питания.
При этом стокозатворные и стоковые (выходные) характеристики станут зеркальным отображением относительно оси ординат характеристик для транзисторов с каналом n – типа, показанных на рисунках 2,4.
Разновидность полевых транзисторов – транзисторы с двумя затворами. Они предназначены для двойного управления током стока, что используется при преобразовании частоты. Выпускаются также двойные полевые транзисторы, у которых в одном корпусе размещены два транзистора с самостоятельными выводами.
П
(1)
S = Δic /Δuз-и при uс-и = const,
где Δuз-и - приращения напряжения между затвором и истоком;
Δic – соответствующее приращение тока стока
и может быть до нескольких миллиампер на вольт.
Крутизна характеризует управляющее действие затвора. Например, S = = 3 мА/В означает, что изменение напряжения затвора на 1 В создает изменение тока стока на 3 мА. Крутизна определяется по стокозатворной характеристике.
В
(2)
Ri = Δuс-и /Δic при uз-и = const.
Сопротивление Ri определяется по выходной (стоковой) характеристике полевого транзистора.
На пологих участках выходных характеристик значение Ri достигает сотен килоом и оказывается во много раз больше сопротивления транзистора постоянному току R0 (R0 = Ucu/Ic при uз-и = const).
R0 – определяется на пологом участке выходной характеристики для произвольного напряжения Ucu.
Иногда пользуются еще третьим параметром – коэффициентом усиления μ, который показывает, во сколько раз сильнее действует на ток стока изменение напряжения затвора, нежели изменение напряжения стока. Коэффициент усиления определяется формулой
(3)
т. е. выражается отношением таких изменений Δuс-и и Δuз-и, которые компенсируют друг друга по действию на ток ic, в результате чего этот ток остается постоянным. Так как для подобной компенсации Δuс-и и Δuз-и должны иметь разные знаки (например, увеличение Δuс-и должно компенсироваться уменьшением Δuз-и), то в правой части формулы (3) стоит знак «минус». Иначе, можно вместо этого взять абсолютное значение правой части. Коэффициент усиления связан с параметрами S и Ri простой зависимостью
(4)
Для пологих участков выходных характеристик достигает сотен и даже тысяч. В начальной области этих характеристик, когда они идут круто (при малых uс-и), значения всех трех параметров уменьшаются.
В
(5)
Rвх = Δuз-и / iз при Δuс-и = const
Поскольку ток iз – обратный ток n-р-перехода, а значит, очень мал, то Rвх достигает единиц и десятков мегаом. Полевой транзистор имеет также входную емкость между затвором и истоком Сз-и, которая является барьерной емкостью n-р-перехода и составляет единицы пикофарад у диффузионных транзисторов и десятки пикофарад у сплавных. Меньшие значения имеет проходная емкость между затвором и стоком Сз-с, а самой малой является выходная емкость между истоком и стоком Сс-и.
2 Ход работы:
2.1.1 Собрать электрическую цепь согласно схеме изображенной на рисунке 5.
Рисунок 5 - Схема включения полевого транзистора с управляющим p – n переходом и каналом р - типа
2.1.2 Снять стокозатворную характеристику полевого транзистора, т.е. зависимость Iс = f(Uзи) при Uси = const.
2.3 Изменять Uвых1=Е1 = Uзи от 0 с шагом 0,25 В (контролируя напряжение по прибору РV1) до тех пор, пока значение Ic, контролируемое по прибору РА1, не станет равным 0 мА.(Ic – ток стока, Uзи – напряжение на затворе, относительно истока).
2.1.3 Данные занести в таблицу 2.
Таблица 2
Iс, мА |
4 |
3,5 |
3 |
2,5 |
2 |
1,5 |
1 |
0,5 |
0,25 |
0 |
Uзи,В |
0 |
0,25 |
0,5 |
0,75 |
1 |
1,25 |
1,5 |
1,75 |
2 |
2,25 |
Uси =
2.2 Снять стоковую (выходную) характеристику вида Ic = f (Uси) при Uзи=Е1= const.
2.2.1 Изменять Uси с помощью регулировки Uвых2 = Е2 с шагом 0,2В от 0 до 1В и с шагом 1В до 10В, измерять его по прибору РV2 и контролировать по прибору РА1 ток Ic.
2.2.2 Результаты измерений занести в таблицу 4.
Таблица 4
Uси,В |
0 |
0,2 |
0,4 |
0,6 |
0,8 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
Iс, мА |
0 |
0,75 |
1,4 |
2 |
2,5 |
3 |
4,024 |
4,043 |
4,063 |
4,083 |
4,103 |
4,123 |
4,143 |
4,162 |
4,182
|
Uзи = 0,5В
2.3 Собрать электрическую цепь согласно схеме, показанной на рисунке 7.
Рисунок 7 – Схема включения полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом р – типа.
2.3.1
Снять стокозатворную характеристику полевого транзистора, т.е зависимость Ic = f(Uзи) при Uси = const.
2.3.2 Изменять Uвых1=Е1 = Uзи от 0 с шагом 1В (контролируя напряжение по прибору PV1) до тех пор, пока значение Iс, контролируемое по прибору РА1, не станет равным 1мА.
2.3.3 Данные занести в таблицу 6.
Таблица 6
Uзи,В |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
Iс, мА |
0 |
0,01 |
0,04 |
0,09 |
0,16 |
0,25 |
0,35 |
0,45 |
0,55 |
0,65 |
0,75 |
0,85 |
0,95 |
Uси =5В
2.4 Снять стоковую (выходную) характеристику полевого транзистора вида Ic = f(Uси) при Uзи = const.
2.4.1 Изменять Uси = Uвых2 = Е2 с помощью регулировки Uвых2 с шагом 0,2 В до 1 В и с шагом 1В до 10В, измерять Uси с помощью прибора PV2, а с помощью прибора РА1 контролировать ток стока Iс.
2.4.2 Результаты измерений занести в таблицу 7
Таблица 7
Uси,В |
0 |
0,2 |
0,4 |
0,6 |
0,8 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
Iс, мА |
0 |
0,0196 |
0,0384 |
0,0564 |
0,0736 |
0,09 |
0,16 |
0,21 |
0,24 |
0,25 |
0,25 |
025 |
0,25 |
0,25 |
0,25 |
Uзи =5В
2.5 Построить стокозатворные и стоковые (выходные) характеристики полевых транзисторов с управляющим p – n переходом и изолированным затвором и по ним определить основные параметры полевых транзисторов: крутизну S, внутреннее (выходное) сопротивление транзистора Ri, сопротивление транзистора постоянному току Rо, коэффициент усиления µ. Параметры S, Ri, Rо, µ необходимо определить по соответствующим формулам, размещенным в кратких теоретических сведениях и пометить в таблице 8.
Таблица 8
Параметры
Тип транзистора |
S |
Ri |
Rо |
µ |
С управляющим p – n переходом |
|
|
|
|
С изолированным затвором |
|
|
|
|
Примечание: приращения напряжений и соответствующие им приращения токов необходимо устанавливать самостоятельно по методу двух точек.
Выводы: В ходе данной работы установлено
1. Канал в транзисторах с индуцированным каналом возникает только при подачи напряжения определённой полярности, при отсутствии этого напряжения канала нет
2. Канал в транзисторах с индуцированным каналом возникает только при подаче напряжения определённой полярности, при отсутствии этого напряжения канала нет
3. Снятые стокозатворные характеристики неудобны для расчетов, поэтому на практике используются выходными (стоковыми) характеристиками, где ic = F(uс-и) при uз-и= const
4. . Наиболее распространена схема включения с общим истоком, которая обеспечивает очень большое усиление тока и мощности и переворачивает фазу напряжения при усилении.
4 Ответы на контрольные вопросы:
-
Дать классификацию полевых транзисторов
Полевые транзисторы: с управляющим p-n переходом, с изолированным затвором
2. В чём преимущества полевых транзисторов перед биполярными?
В отличии от биполярных, полевые транзисторы униполярны; управляются не входным током, а электрическим полем, подаваемым на затвор; более мощные; влияние температуры на работу незначительно
3. Какие транзисторы исследовались в работе?
Транзистор VT4 (КП301) с изолированным затвором и индуцированным p-каналом
4. В чём особенности транзистора МДП со встроенным каналом?
Данный транзистор может работать как в режиме обеднения (чем больше отрицательное напряжение, тем меньше ток стока), так и в режиме обогащения (под действием прямого напряжения создаётся электрическое поле, под действием которого из областей истока и стока, а так же из кристалла в канал будут приходить электроны; при этом проводимость канала увеличивается и, следовательно, ток возрастает)
5. Каков принцип действия транзистора с управляющим p-n переходом?
При изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на p-n переходе, и от этого изменяется толщина запирающего слоя. Вследствие этого меняется площадь поперечного сечения области через которую проходит поток основных носителей заряда, т.е. выходной ток. Эта область называется каналом.
транзисторы с изолированным затвором. У них металлический затвор отделен от полупроводникового канала тонким слоем диэлектрика.
На рисунке 7.13 показаны принцип устройства полевого транзистора с изолированным затвором и его условное графическое обозначение. Основанием служит кремниевая пластинка с электропроводностью типа р. В ней созданы две области с электропроводностью n+-типа с повышенной
проводимостью.
. Толщина диэлектрического слоя диоксида кремния (показан штриховкой) 0,1-0,2 мкм.
Иногда от кристалла бывает сделан отдельный вывод. Прибор с такой структурой называют транзистором с собственным (или встроенным) каналом, и работает он следующим образом.
Рисунок 7.13 – Принцип устройства МДП-транзистора с собственным каналом n-типа (а) и условное графическое обозначение МДП-транзисторов каналами n-типа (б) и р-типа (в)
Если же на затвор подать положительное напряжение, то под действием поля, созданного этим напряжением, из областей истока и стока, а также из кристалла в канал будут приходить электроны; проводимость канала при этом увеличивается и ток стока возрастает. Этот режим называют режимом обогащения.
Если при нулевом напряжении затвора приложить между стоком и истоком напряжение, то через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов. Через кристалл ток не пойдет, так как один из р–n-переходов находится под обратным напряжением. При подаче на затвор напряжения, отрицательного относительно истока, а следовательно, и относительно кристалла, в канале создается поперечное электрическое поле, под влиянием которого электроны проводимости выталкиваются из канала в области истока и стока и в кристалл. Канал обедняется электронами, сопротивление его увеличивается, и ток стока уменьшается. Чем больше отрицательное напряжение затвора, тем меньше этот ток. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.
Рисунок 7.14 – Выходные характеристики МДП-транзистора с собственным каналом n-типа
Рисунок 7.15 – Характеристика управления МДП-транзистора с собственным каналом n-типа
Рисунок 7.16 – Принцип устройства и условное графическое обозначение транзистора с индуцированным каналом n-типа
Разработал |
Ящук И. Г, |
|
|
Основы электроники и микроэлектроники Отчёт по лабораторной работе № 3 Исследование полевого транзистора. |
Лист |
Проверил |
Щеперка В.Н. |
|
|
|
|
|
|
Подпись |
Дата |