Контрольные вопросы

1. Объяснить устройство и физические процессы, протекающие в биполярном транзисторе при его работе.

2. Почему в схеме с общей базой происходит усиление напряжения и мощности, хотя коэффициент передачи по току меньше единицы?

3. Почему толщина базы должна быть достаточно малой?

4. Привести входные и выходные характеристики различных схем включения транзистора.

5. Запишите формулу для определения входного и выходного сопротивления в схеме с общим коллектором.

Лабораторная работа №5 полевой транзистор

Цель работы: изучение устройства, принципа действия, основных характеристик и параметров полевых транзисторов.

Теоретическая часть

Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, ток по каналу проводимости которого управляется электрическим полем. Прохождение тока обусловлено дрейфом носителей зарядов одного знака в продольном электрическом поле через управляемый канал полупроводникового кристалла п - типа или р - типа. Полевые транзисторы называют униполярными, поскольку протекающий ток через них обусловлен носителями одного знака электронами или дырками.

На рис.1 приведена структура полевого транзистора с затвором в виде р-п -перехода.

Рис. 1. Структура полевого транзистора.

Прибор состоит из пластины полупроводника с проводимостью п - типа, представляющей канал, к торцам которой присоединены два металлических контакта называемых стоком (С) и истоком (И). Последовательно к этим электродам подключают напряжение источника питания имеющего такую полярность, что поток основных носителей (электронов в канале п - типа) перемешается от истока к стоку. В противоположные грани пластины введены акцепторные примеси, превращающие поверхностные слои структуры транзистора в области р - типа. Они электрически соединены между собой, образуя единый электрод, называемый затвором (З). В полевом транзисторе между каналом и затвором образуются один или два запирающих р-п - перехода (рис. 1).

Так как проводимость канала определяется его сечением, то изменяя напряжение на затворе U_ЗИ, смещающее р-п - переход в обратном направлении, можно за счет расширения или сужения обедненных носителями заряда слоев р-п - перехода изменять сопротивление канала и, следовательно, проходящий через него ток. При управление шириной канала ток затвора мал и равен обратному току р-п –перехода, поскольку на затвор подается обратное напряжение смещения.

Если U_ЗИ = 0 и U_СИ = 0, то контактная разность потенциалов между каналом и затвором будет одинакова вдоль всей длины канала. В этом случае обедненный слой перехода имеет минимальную, а токопроводящий канал максимальную ширину (рис.2 а).

Рис. 2. Изменение сечения канала проводимости.

Если U_СИ = 0 и U_ЗИ < 0, то обедненный носителями зарядов слой (обратно включенный р-п - переход) расширяется, а канал проводимости сужается на одинаковую величину в любом сечении. При некотором напряжении смещения на затворе, называемом напряжение отсечки U_ОТС, происходит смыкание обедненных слоев и канал исчезает (рис.2 б, в).

При U_ЗИ = 0 и постоянном положительном напряжении на стоке U_СИ = const ток стока I_С, проходящий через канал, имеет максимальное значение I_С НАС (ток насыщения рис. 3), так как сечение канала имеет максимальную ширину. Величина тока насыщения зависит только от напряжения U_СИ.

а б

Рис. 3. Характеристики полевого транзистора:

а – входная ВАХ; б – выходная ВАХ.

При одновременной подаче положительного напряжения на сток U_СИ >0 и отрицательного напряжения на затвор U_ЗИ, смещающего р-n -переход в обратном направлении, толщина обедненного слоя, а следовательно сечения канала будут определяться действием этих двух напряжений. Если U_СИ = const, то увеличение обратного смещения на затворе (U_ЗИ < 0) приводит к расширению обедненных слоев и уменьшению сечения канала, проводящего ток между стоком и стоком. В результате уменьшается значение тока стока I_С. При определенном напряжении, называемом напряжением отсечки U_{ЗИ ОТС} сечение канала уменьшается до нуля и ток I_С = 0. Рассмотренные процессы определяют входную характеристику полевого транзистора I_С = f(U_ЗИ) при U_СИ = const (рис. 3 а).

На рис. 3 б также приведены выходные характеристики полевого транзистора I_С  =  f (U_СИ) при U_ЗИ = const.

Если U_ЗИ = 0, то при подаче на сток положительного относительно истока напряжения ток стока I_С возрастает по нелинейному закону. Нелинейный характер стока объясняется тем, что с ростом напряжения U_СИ, смещающего р-n - переход также в обратном направлении, сечение канала уменьшается, причем тем больше, чем ближе к стоку, так как падение напряжения в канале растет от 0 у истока на максимума у стока (рис. 4). В результате этого сечение канала уменьшается, а рост I_С замедляется. Когда напряжение U_СИ достигнет напряжения насыщения U_СИ = U_{СИ НАС} происходит полное перекрытие обедненными слоями канала на стоке (у истока сечение канала остается прежним). Дальнейшее увеличение U_СИ приводит к слабому росту тока, так как одновременно растет сопротивление канала (полное перекрытие канала распространяется в глубь к истоку), а ток стока достигает значения тока насыщения. Режим полого участка выходной характеристики называют режимом насыщения.

Рис. 4. Перекрытие канала проводимости вследствие увеличения U_СИ.

При U_ЗИ  0 расширение обедненных слоев р-n-перехода и уменьшение сечения канала происходит под действием двух напряжений U_ЗИ  0 и U_СИ  0. Потенциал канала также как и в случае U_ЗИ = 0 неодинаков в различных сечениях, увеличиваясь от 0 в сечении истока до U_С в сечении стока. Так как потенциал затвора одинаков во всех его точках, то напряжение отсечки при наличии тока в канале становится различным в различных сечениях, возрастая по абсолютному значению от U_ОТС в сечение исток до U_СИ + U_ЗИ  в сечение стока. Обедненные слои р-n -перехода постепеннно расширяются, а канал сужается в направлении от исток а к стоку.

На начальном участке выходной характеристики U_СИ + U_ЗИ  U_ОТС ток стока I_С возрастает с повышением напряжения U_СИ. При повышении напряжения сток - исток до величины U_СИ = U_ОТС + U_ЗИ происходит смыкание канала и рост тока прекращается (участок насыщения).

Приложенное к затвору транзистора отрицательное напряжение, смещает момент перекрытия канала в сторону меньших значений напряжений U_СИ и тока стока. Дальнейшее повышение напряжения U_СИ приводит к пробою р-n - перехода между затвором и каналом и выходу транзистора из строя. Кроме рассмотренных полевых транзисторов с управляющим р-n - переходом существует приборы, которые можно выделить в отдельный класс - полевые транзисторы с изолированным затвором.

Полевой транзистор с изолированным затвором это полупроводниковый прибор, в котором для уменьшения тока утечки затвора I_З, между металлическим затвором и каналом используется тонкий слой диэлектрика, обычно окись кремния, а р-n - переход отсутствует. Такие транзисторы называют МОП - транзисторами (структура металл-окисел-полупроводник) или МДП - транзисторами (структура металл-диэлектрик-полупроводник).

ВАХ транзисторов с изолированным затвором аналогичны характеристикам транзисторов с затвором в виде р-n - перехода.

Достоинством МДП транзисторов является высокое входное сопротивление (10¹⁴ -10¹⁶ Ом). Изолированный затвор также позволяет работать в области положительных напряжений на затворе U_ЗИ  0 в которой происходит расширение канала и увеличение тока стока I_С.

На рис. 5 приведены условные обозначения полевых транзисторов.

Рис. 5. Условные обозначения полевых транзисторов:

а - полевой транзистор с каналом n -типа с затвором в виде р-n –перехода; б - полевой транзистор с каналом р - типа с затвором в виде р-n –перехода; в - полевой транзистор с каналом n -типа с изолированным затвором; г - полевой транзистор с каналом р -типа с изолированным затвором.

Основными параметрами полевых транзисторов, используемыми для анализа схем, являются крутизна характеристики управления (входной характеристики):

S = dI_С / dU_ЗИ при U_СИ = const

и внутреннее сопротивление R_С стока (канала) на участке насыщения

R_С = dU_СИ / dI_С при U_ЗИ = const.

Полевые транзисторы сохраняют свои свойства при работе до нескольких мегагерц, применяют в усилительных каскадах с высоким входным сопротивлением и низким уровнем собственных шумов, ключевых и логических схемах.