11660

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Лабораторная работа №7 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ Цель работы: ознакомиться с устройством и принципом действия полевых транзисторов снять основные характеристики полевого транзистора. Приборы и принадлежности: 1. Встроенные вольтметры PV1 PV2. 2. В

Русский

2013-04-10

151.5 KB

62 чел.

Лабораторная работа №7

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

 

Цель работы: ознакомиться с устройством и принципом действия полевых транзисторов, снять основные характеристики полевого транзистора.

 Приборы и принадлежности:

1. Встроенные вольтметры PV1, PV2.

2. Встроенный миллиамперметр PF2.

3. Лабораторный модуль.

4. Встроенный источник питания.

7.1. Сведения из теории

 

7.1.1. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

 

Полевой транзистор – полупроводниковый прибор, в котором выходной ток управляется входным напряжением. В полевых транзисторах ток создается только основными носителями заряда. Поэтому их еще называют униполярными в отличие от биполярных, в которых в работе принимают участие как основные, так и неосновные носители заряда. Существуют два типа полевых транзисторов: с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором.

На рис. 7.1 дано схематическое изображение строения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. В пластинке кристаллического кремния с проводимостью n-типа (подложка), диффузией акцепторной примеси через окно в слое окисла SiO2, образована область с проводимостью p-типа (канал). Затем уже в этой области диффузией донорной примеси образована область с проводимостью n-типа с сильным легированием (n+). Последующими операциями в изолирующем слое окисла образованы окна для контактных электродов и с помощью металлизации созданы контакты и выводы электродов истока И, затвора З, стока С, подложки П. Обычно подложка соединяется с истоком.

При подаче на сток относительно истока отрицательного напряжения  канал становится проводящим. Канал от затвора отделен p-n-переходом (обедненный слой ОС-1). Область затвора (n+) более сильно легирована примесью, чем область канала. Поэтому p-n-переход сосредоточен почти полностью в p-области. При подаче запирающего напряжения на этот переход происходит  увеличение ширины обедненного слоя  и, соответственно, сужение области канала. Меняется геометрия канала и его сопротивление, а значит, и ток канала. Изменяя запирающее напряжение на затворе относительно  истока, можно, таким образом, управлять током канала, т.е. током истока и стока.

Ток затвора при этом очень мал – это ток обратносмещенного p-n-перехода – ток утечки. Вот почему  мы говорим о том, что униполярный транзистор управляется напряжением и называется полевым. p-n-переход определяет очень большое входное сопротивление транзистора: 108 – 1015 Ом. Прямое смещение p-n-перехода недопустимо, так как оно приводит к инжекции неосновных носителей (для канала p-типа это электроны) через переход в канал и теряется принцип полевого управления.

 p-n-переход между p-каналом и n-подложкой (обедненный слой ОС-2) в работе не участвует и обычно имеет нулевое или обратное смещение. Он изолирует канал от кристалла полупроводника. Аналогично работает полевой транзистор с  управляющим p-n-переходом и каналом n-типа. Разница лишь в   полярности напряжений на стоке и затворе.

Увеличивая запирающее напряжение на затворе, можно получить полное перекрытие канала обедненным слоем. При этом ток стока становится   равным нулю. Напряжение затвор-исток, при котором ток стока равен нулю, называется напряжением отсечки . Для маломощных транзисторов   оно обычно равно 2 – 7 В.

При протекании тока в канале в нем создается падение напряжения относительно истока. p-n-переход оказывается под действием напряжения затвор-исток, постоянного на всей длине обедненного слоя и напряжения, растущего от истока к стоку. В результате ширина обедненного слоя оказывается  неодинаковой (рис. 7.2). При больших токах или, что все равно, при больших напряжениях на стоке, обедненный слой перекрывает канал полностью. Однако, в отличие от напряжения отсечки затвора, ток стока не отсекается, а фиксируется на каком-то значении. Здесь ток канала сам создает перекрытие, сам его поддерживает и сам не дает транзистору войти в режим отсечки. Такой режим называется насыщением тока стока. Напряжение на стоке, соответствующее этому режиму, получается из условия  и равно .

На рис. 7.3 показаны выходные  вольт-амперные характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом (канал n-типа). Все характеристики можно разделить на три области.

В области 1 выходной ток – ток стока зависит не только от напряжения  на затворе, но и от напряжения стока. Кривые имеют, в основном, нелинейный характер.

В области 3 мы видим резкое возрастание тока стока при малых изменениях . Этот случай соответствует режиму пробоя канала и в работе не используется.

В области 2 ток стока не зависит от напряжения , но может эффективно управляться входным напряжением . Эта область может быть использована для построения на полевом транзисторе усилительных устройств. Точки пересечения кривых с пунктирной линией – напряжения, при которых ток стока создает перекрытие канала. Чем больше ток стока, тем большее напряжение  требуется для создания перекрытия канала. Отметим, что . С ростом  уменьшается напряжение .

7.1.2. Полевой транзистор с изолированным затвором

Полевые транзисторы с изолированным затвором называют также МОП-транзисторами или МДП-транзисторами. Эти сокращения названия указывают на их структуру: металл-окисел-полупроводник или, что фактически то же самое, металл-диэлектрик-полупроводник. Эти названия чисто условные. Затвор (металл) отделен от канала (полупроводник) диэлектриком, в качестве которого   используют двуокись кремния.

Имеются две основные разновидности полевых транзисторов с изолированным затвором: транзисторы сo встроенным каналом и транзисторы с индуцированным каналом.

7.1.2.1. МОП-транзистор со встроенным каналом

Схематическое строение транзистора со встроенным каналом показано на рис. 7.4. Приложенное к затвору отрицательное напряжение отталкивает электроны во встроенном канале n-типа. В результате создается обедненный слой в верхней части полупроводника между изолирующей прокладкой из окисла и проводящим каналом. Сопротивление  канала меняется  и, таким образом, меняется ток канала (истока, стока). Так как затвор изолирован, то на него можно подавать не только напряжения, уменьшающие ток стока (отрицательные для канала n-типа и положительные для канала p-типа), но и напряжения обратной полярности.

Первый режим называется режимом обеднения, а второй - режимом обогащения.

7.1.2.2. МОП-транзистор с индуцированным каналом

Строение транзистора с индуцированным p-каналом показано на рис. 7.5. В отсутствие напряжения на затворе сильно легированные n-области истока и стока образуют вместе с подложкой два включенных навстречу диода. Поэтому приложение напряжения между истоком и стоком не вызывает существенного тока. При некотором положительном напряжении на затворе индуцируется проводящий канал за счет отталкивания дырок и притяжения к  изолирующей прокладке затвора электронов из p-материала подложки. Хотя электроны в подложке и являются неосновными носителями, проводящий канал состоит только из электронов.

Напряжение на затворе относительно  истока , при котором возникает проводящий канал и начинают течь токи стока и истока, называется пороговым . При дальнейшем увеличении  происходит расширение канала, уменьшение его сопротивления и, следовательно, рост тока. Мы видим, что в случае индуцированного канала МОП транзистор работает в режиме обогащения канала носителями. Обычно пороговое напряжение полевых транзисторов с индуцированным каналом лежит в пределах 1 – 6 В.

Вольт-амперные выходные характеристики МОП-транзисторов аналогичны характеристикам полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом. На рис. 7.6, а показаны передаточные характеристики полевых транзисторов. На рис. 7.6, б взято лишь по одной кривой из семейств ВАХ.

7.1.3. Основные параметры полевых транзисторов

1) Крутизна характеристики (имеет смысл проводимости):

.

2) Внутреннее сопротивление (дифференциальное сопротивление стока):

.

3) Коэффициент усиления

.

Эти параметры связаны равенством

.

Примерные величины параметров полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом и изолированным затвором приведены в таблице 7.1.

                             Таблица 7.1

Параметр

Полевые транзисторы

с управляющим p-n-переходом

МОП-транзисторы

S

0,2 – 20 мА/В

0,2 – 20 мА/В

0,1 – 0,5 МОм

1 – 50 кОм

 

7.1.4. Эквивалентная схема

В связи с тем, что транзистор имеет три электрода, а в радиотехнике используются либо двуxполюсники, либо четырехполюсники, один из электродов должен быть общим для входа и выхода. Отсюда и три схемы включения полевых транзисторов: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком. Эквивалентная схема полевого транзистора с управляющим p-n-переходом с общим истоком  показана на рис. 7.7, а. На схеме:  – сопротивление между затвором и стоком (сопротивление обратносмещенного p-n-перехода), сопротивление обратной связи;  – емкость обратной связи;  и  – емкости боковых частей перехода;  – входная емкость;  – сопротивление участка затвор-исток (сопротивление обратносмещенного p-n-перехода), входное сопротивление;  – генератор тока, отражающий усилительные свойства транзистора;  – дифференциальное сопротивление стока.

Учитывая значения сопротивлений резисторов и емкостей реальных транзисторов для области средних частот, а именно то, что , ,  шунтирует , получим эквивалентную схему, изображенную на рис. 7.7, б. Примерные величины емкостей для маломощных транзисторов составляют : 2 – 20 пФ, : 0,3 – 10 пФ, : 3 – 15 пФ.

Все эти эквивалентные схемы построены на физических параметрах транзистора. От физических параметров можно перейти к Y-параметрам. Уравнения  для Y параметров четырехполюсника:

Параметры в уравнении являются проводимостями при коротком замыкании на входе или на выходе, т.е.

 при   входная проводимость, определяемая  и ;

при  проводимость обратной связи, определяемая  и

при  прямая проводимость – крутизна S транзистора;

при  выходная проводимость, определяемая  и .

Эквивалентная схема полевого транзистора в Y параметрах показана на рис. 7.7, в.

Учитывая значение параметров реальных транзисторов, можно пренебречь входной проводимостью  и проводимостью обратной связи .

Частотные свойства полевых транзисторов определяются временем пролета канала носителями. Время пролета зависит от длины канала и скорости движения в электрическом поле, т.е. от подвижности. Для повышения граничной частоты следует увеличить подвижность и уменьшить длину канала. Так как подвижность электронов больше подвижности дырок, то предпочтение отдают транзисторам с n-каналом. Следует помнить, что подвижность  от напряженности поля растет с насыщением и, кроме того, возможен пробой канала. Напряжение пробоя составляет 40 – 60 В/мкм.

Зависимость вольт-амперных характеристик от температуры связана  с температурной зависимостью концентрации основных носителей заряда в канале и их подвижности. С ростом температуры концентрация растет, но падает подвижность. Поэтому полевые транзисторы  обладают температурной устойчивостью. В различных типах транзисторов возможен как рост тока с температурой, так и его уменьшение.

7.2. Содержание работы

  1.  Снять и построить выходные характеристики полевого транзистора с p-n-переходом и каналом p-типа.
  2.  Снять и построить переходные характеристики полевого транзистора.
  3.  По построенным характеристикам определить напряжение отсечки , крутизну переходной характеристики S при изменении напряжения , внутреннее сопротивление  при изменении напряжения . Найти  коэффициент усиления .

7.3. Порядок выполнения работы

Лабораторный модуль "Исследование полевого транзистора" установить в лабораторный стенд в ячейку 4. Заземлить корпус лабораторного стенда, включить общий тумблер питания стенда и тумблер питания лабораторного модуля. Установить ручки "Рег. Uзат." и "Рег. Uстока" в крайнее левое положение. На встроенных измерительных приборах установить следующие пределы измерений: PV1 – 5 В; PV2 – 10 В; PA1 – 10 мкА. При увеличении значений на встроенных измерительных приборах переходить на большие пределы измерений. Схема для исследования характеристик полевого транзистора с p-n-переходом и каналом p-типа (КП103А) приведена на рис. 7.8.

1. Снять выходные характеристики полевого транзистора КП103А  (рис. 7.8). Для снятия выходных характеристик следует установить ручкой "Рег. Uзат." по прибору PV1 напряжение затвор-исток, равное нулю. Изменяя напряжение сток-исток интервалами в 1 В от 1 до 9 В ручкой "Рег. Uстока" по прибору PV2, измерить значения тока стока по прибору РА1 и записать их в таблицу. Выполнить подобные операции для значений напряжения затвор-исток, равных 0,5, 1, 1,5 и 2 В.

2. Снять переходные характеристики полевого транзистора, для чего установить напряжение сток-исток, равное -9 В, и, изменяя напряжение затвор-исток интервалами в 0,5 В от 0 В до напряжения отсечки (когда ток стока уменьшится до 5-10 мкА), измерить значения тока стока и записать их в таблицу. Выполнить подобные операции для напряжения сток-исток, равного 4 В.

3. Построить выходные и переходные характеристики полевого транзистора КП103Л и определить:

3.1. Напряжение отсечки .

3.2. Зависимость изменения крутизны S переходной характеристики от напряжения ;

3.3. Зависимость изменения внутреннего сопротивления  полевого транзистора от напряжения .

3.4. Определить напряжение насыщения  для разных значений .

7.4. Контрольные вопросы

  1.  Каким прибором является полевой транзистор: биполярным или униполярным и почему?
  2.  Чем отличаются полевые транзисторы с управляющим  p-n-переходом от полевых транзисторов с изолированным затвором?
  3.  Какими характеристиками и параметрами описывают свойства полевых транзисторов?
  4.  Как определяют крутизну переходной характеристики полевого транзистора?
  5.  Какое напряжение в полевом транзисторе называется напряжением отсечки?
  6.  Какие возможны схемы включения полевого транзистора?
  7.  Выведите Y-параметры через физические.

7.5. Литература

  1.  Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника: Пер. с испан. С.И.Баскакова / Под ред. В.А.Терехова. М.: Высш. школа, 1991. 351 с.: ил.
  2.  Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1985. С. 149-174.
  3.  Гершунский Б.С. Основы электроники. Киев: Высш. школа, 1977. С. 196-200.
  4.  Игнатов А.Н. Полевые транзисторы и их применение.  2-е изд., перераб. и доп.  М.: Радио и связь, 1984.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10223. Введение в Delphi 43.5 KB
  Введение в Delphi Delphi – это мощная среда для скоростной разработки приложений – RAD Rapid Application Development. В ее основу легли концепции объектно-ориентированного программирования на базе языка Object Pascal и визуального подхода к построению приложений. Первой средой разработки с...
10224. Среда программирования Delphi 97.5 KB
  Лабораторная работа № 1 Среда программирования Delphi Цель работы: изучить главные части рабочей среды программирования и основные части программы созданной в Delphi, научиться использовать компоненты библиотеки VCL в windowsприложении; познакомиться с компонентами классов...
10225. Стандартные компоненты Delphi 83.5 KB
  Лабораторная работа № 2 Стандартные компоненты Цель работы: изучить стандартные компоненты Delphi научиться использовать компоненты библиотеки VCL в windowsприложениях. В данной работе рассматриваются компоненты страницы Standard Палитры Компонент Delphi. В предыдущей работе...
10226. Работа с формами. Свойства TForm 166.5 KB
  Лабораторная работа № 3 Работа с формами. Свойства TForm Цель работы: изучить основные свойства класса TForm познакомится с некоторыми событиями форм; научиться использовать формы разных стилей в windowsприложениях. Форма представляет собой фундамент программы на котор
10227. Работа с формами. События TForm 58.5 KB
  Лабораторная работа № 4 Работа с формами. События TForm. Цель работы: изучить события класса TForm, научиться обрабатывать события формы в windowsприложениях. Класс ТForm добавляет несколько событий к родительскому классу TWinControl. Эти события позволяют изменять поведение фор
10228. Стиль приложений SDI 94 KB
  Лабораторная работа № 5 Стиль приложений SDI Цель работы: закрепить навыки создания приложений в стиле SDI познакомится с компонентами классаTImage и TSpeedButton научиться использовать инструментальные панели в приложении, освоить работу с буфером обмена. Термин SDI Single Document ...
10229. Ввод-вывод данных в Delphi 73.5 KB
  Лабораторная работа № 6 Вводвывод данных в Delphi. Цель работы: изучить наиболее часто используемые для организации вводавывода компоненты Edit MaskEdit Label Memo RichEdit StatusBar и встроенные диалоговые окна. Т.к. в предыдущих лабораторных работах уже было знакомство с некоторы
10230. Компоненты TStringGrid, TTreeView, TPageControl, THeaderControl и THeader 68.5 KB
  Лабораторная работа №7 Компоненты TStringGrid TTreeView TPageControl THeaderControl и THeader Цель работы: изучить часто используемые для организации вводавывода компоненты TStringGrid TTreeView TPageControl THeaderControl и THeader. TStringGrid Компонент TStringGrid представляет собой таблицу содержащую строки. Т
10231. Воспитание у древних славян 18.38 KB
  Воспитание у древних славян Воспитание детей у восточных славян при первобытнообщинном строе в период с VI в. по IX в. развивалось в той же логике и с теми же характерными особенностями что и у других первобытных народов. Первоначально процесс воспитания был неотделим от