12

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»

МОДЕЛЮВАННЯ ХАРАКТЕРИСТИК І ВИЗНАЧЕННЯ

ПАРАМЕТРІВ ПОЛЬОВОГО ТРАНЗИСТОРА

Інструкція до лабораторної роботи № 6

з навчальної дисципліни: “Схемотехніка пристроїв технічного захисту інформації”, ч.1

для студентів базових напрямків

6.170102 “Системи технічного захисту інформації”,

6.170103 “Управління інформаційною безпекою”

Затверджено

на засіданні кафедри

Захист інформації

Протокол № від 2011 р.

Львів – 2011

Моделювання характеристик і визначення параметрів польового транзистора: Інструкція до лабораторної роботи №6 з дисципліни: “Схемотехніка пристроїв технічного захисту інформації”, ч.1 / Укл.: Кеньо Г.В.  Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2011.  12 с.

Укладач Кеньо Г.В., к. т. н., доц.

Відповідальний за випуск Дудикевич В.Б., д.т. н., проф.

Рецензенти:

Мета роботи

Ознайомитися з особливостями роботи польового транзистора, промоделювати стокові та стоково-затворні характеристики, визначити параметри польового транзистора.

Теоретичний вступ

Польові транзистори (канальні або уніполярні) – це транзистори, в яких керування струмом відбувається шляхом зміни електропровідності каналу з допомогою електричного поля, яке направлене перпендикулярно до напрямку протікання струму. Вперше були винайдені в 1952 р. американським фізиком У. Шоклі. Головною перевагою польових транзисторів є високий вхідний опір, значення якого може навіть перевищувати вхідний опір електронних ламп.

Польовий транзистор (канальний, або уніполярний транзистор) має три напівпровідникові ділянки одного і того ж типу провідності, які називають витоком („В”), стоком („С”) і каналом, а також керувальний електрод – затвор („З”). У польовому транзисторі використовується рух носіїв заряду тільки одного знаку (основних носіїв), які з витоку через канал рухаються до стоку. Електричне поле, яке виникає за наявності напруги між затвором і стоком, змінює електропровідність каналу, а, отже, і струм через канал. Це керувальне електричне поле спрямоване перпендикулярно до руху носіїв у каналі, тобто є поперечним. Воно формується і змінюється малопотужними інформаційними сигналами. Носії в каналі рухаються від витоку до стоку під дією поздовжнього електричного поля, яке створюється між витоком та стоком при під’єднанні джерела живлення.

Всі польові транзистори за своїми конструктивними особливостями поділяються на дві групи:

1. з керувальними переходами;

2. з ізольованим затвором (МДН- або МОН-транзистори), які, своєю чергою, поділяються на транзистори з індукованим або вбудованим каналом.

Польові транзистори розрізняють також за типом провідності каналу: транзистори з р-каналом та транзистори з n-каналом.

Умовні позначення польових транзисторів подані на рис.1.

а б в г д е

Рис.1. Умовні позначення польових транзисторів:

І – з керувальним р-n–переходом і каналом р-типу (а), каналом п-типу (б);

ІІ – з ізольованим затвором та індукованим каналом р-типу (в), п-типу (г);

ІІІ –з ізольованим затвором та вбудованим каналом р-типу (д), п-типу (е).

Характерним для всіх польових транзисторів є дуже малий струм у колі затвора, оскільки затвор або утворює з каналом випрямний перехід, увімкнений у зворотному напрямку, або є ізольованим від каналу тонким шаром діелектрика. Затвор в електронних схемах зазвичай є вхідним електродом, тому польові транзистори мають великий вхідний опір, що зумовлює керування таким приладом не струмом (як у біполярних транзисторах), а напругою.

Польовий транзистор з керувальним переходом – це польовий транзистор, у якому керування потоком основних носіїв заряду здійснюється за допомогою випрямного електричного переходу, зміщеного у зворотному напрямку.

На рис.2 схематично зображено конструкцію польового транзистора з двома р-n-переходами і схему його вмикання.

Рис.2. Схематичне зображення конструкції польового транзистора з двома р-n-переходами і каналом п-типу, та схема його вмикання

Канал являє собою тонкий шар напівпровідника, обмежений з двох боків електронно-дірковими переходами. Увімкнення каналу в електричне коло забезпечується за допомогою омічних контактів (п⁺) електродів стоку та витоку. Це коло живиться від джерела E_СВ, і в нього ввімкнене навантаження R_Н. Уздовж транзистора протікає початковий струм основних носіїв (електронів). Затвори З₁ та З₂ під’єднані до областей р-типу. Джерело живлення вхідного кола Е_ЗВ створює на р-п-переходах транзистора зворотну напругу (напругу іншої полярності, тобто пряму напругу, на п-р-перехід не подають). У вхідне коло ввімкнене джерело підсилюваних коливань U_вх.

Величина струму в каналі залежить від напруги U_СВ, прикладеної між стоком та витоком, опору навантаження та опору каналу. За незмінних значень U_СВ та R_Н струм у каналі І_С (струм стоку) залежить тільки від ефективної площі поперечного перерізу каналу.

Джерело Е_ЗВ створює зворотну напругу на р-п-переходах, внаслідок чого збільшується ширина р-п-переходів і зменшується переріз струмопровідного каналу. Зі зменшенням перерізу каналу збільшується опір між витоком та стоком і знижується величина струму І_С. Зі зменшенням напруги на затворах збільшується переріз каналу, зменшується його опір, і збільшується струм І_С. Якщо під’єднати послідовно з джерелом живлення Е_ЗВ джерело підсилюваної змінної напруги U_вх, то можна змінювати струм через канал за законом зміни вхідної напруги. Струм стоку, протікаючи через опір навантаження R_Н, створює на ньому спад напруги, який змінюється за законом зміни U_вх.

Польовий транзистор має великі вхідний та вихідний опори. Тому статичні характеристики досліджуються як залежності від напруг. Вхідна характеристика із-за дуже малого струму (зворотного струму р-п-переходу) не використовується із-за відсутності інформативності. Для оцінки ПТ як активного елемента електронних схем використовують дві сім’ї статичних характеристик – характеристики керування (стік–затворні) та вихідні (стокові). На рис.3 подані статичні характеристики ПТ з керувальним р-п-переходом.

а б

Рис.3 Статичні вольт-амперні характеристики польового транзистора

з керувальним р-п-переходом: стік-затворні (а); вихідні (б)

Стік–затворні характеристики відображають залежність струму стоку від напруги на затворі за різних напруг на стоці (рис.3,а):

І_С=f(U_ЗВ), якщо U_СВ=const. (1)

Якщо U_ЗВ=0, канал не перекривається, його поперечний переріз має максимальне значення, а струм стоку за наявності напруги між витоком та стоком має максимальне значення І_Сmax. Зі збільшенням зворотної напруги на переходах (U_ЗВ) області просторового заряду переходів розширюються, зменшуючи переріз каналу, і струм стоку зменшується. За напруги відсікання U_{ЗВ відс} канал перекривається, струм стоку припиняється (І_С =0), витік та стік стають ізольованими один від одного.

Вихідні характеристики (рис.3,б) відображають залежність струму стоку від напруги на стоці відносно витоку за різних постійних напруг на затворі:

І_С=f(U_СВ), якщо U_ЗВ=const. (2)

Якщо U_ЗВ=0, то при збільшенні додатної напруги U_СВ на стоці струм І_С буде наростати. Спочатку залежність І_С=f(U_СВ) буде майже лінійною (ділянка 0А). Однак, зі зростанням І_С збільшується спад напруги на каналі, збільшується зворотне зміщення для р-п-переходів (особливо поблизу стоку), що веде до звуження перерізу струмопровідного каналу і сповільнення зростання струму І_С. За деякої напруги на стоці U_{СВ нас} (напруги насичення) поперечний переріз каналу біля стоку досягає мінімального значення (точка В). Подальше збільшення U_СВ практично не викликає збільшення струму стоку, а мінімальний переріз каналу автоматично підтримується на деякому рівні. Формується полога ділянка вихідних характеристик (ділянка ВС). Діапазон напруг, якому відповідає полога ділянка ВАХ, відповідає режиму насичення. Якщо U_ЗВ=0, значення напруги насичення дорівнює значенню напруги відсікання U_{ЗВ відс}.

Польові транзистори характеризуються такими основними параметрами:

S  крутизна, яка характеризує керуючі властивості затвору. Значення крутизни складає декілька міліампер на вольт (мА/В);

r_вих  вихідний опір, це опір між стоком і витком для змінного струму. Значення r_вих досягає сотень кілоом;

 максимальний струм стоку при ;

U_від.  напруга відсічки, напруга при якій струм стоку дорівнює нулю;

С_з-в  вхідна ємність, ємність між затвором і витоком. Складає одиниці пФ;

С_з-с  прохідна ємність, це ємність між затвором і стоком. Переважно вона менша від вхідної ємності;

С_в-с  вихідна ємність, це ємність між витоком і стоком. Переважно має найменше значення;

І_з  струм витікання затвору.