Изучение свойств и применения основных видов полевых транзисторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Полевые транзисторы

Цель работы: Изучение свойств и применения основных видов полевых транзисторов

Теоретические сведения

Полевым или униполярным транзистором называется полупроводниковый прибор, у которого сопротивление проводящего канала зависит от приложенного перпендикулярно каналу электрического поля [2]. Электроды, подключенные к каналу, называются сток (drain) и исток (source). Электрод, на который подается напряжение для создания управляющего электрического поля, называется затвор (gate). В связи с тем, что у полевых транзисторов управление производится не входным током, как у биполярных транзисторов, а электрическим полем, они имеют очень высокое входное сопротивление. Поэтому усилительные каскады на полевых транзисторах практически не нагружают источник сигнала, не ухудшают избирательные свойства колебательных контуров и не изменяют режим контролируемой цепи при использовании в составе измерительных пробников.

В зависимости от технологии выполнения затвора полевые транзисторы делятся на две группы: с управляющим переходом и с изолированным затвором. Полупроводниковый канал может быть обеднен носителями зарядов или обогащен ими. При обедненном канале электрическое поле затвора повышает его проводимость, поэтому канал называется индуцированным. Если канал обогащен носителями зарядов, то он называется встроенным. Электрическое поле затвора в этом случае приводит к обеднению канала носителями зарядов. Проводимость канала может быть электронной или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то он называется n-каналом. Каналы с дырочной проводимостью называются р-каналами. В результате полевые транзисторы с изолированным затвором могут быть четырех типов: с каналом n- или p- типов, каждый из которых может иметь индуцированный или встроенный канал. Условные схематичные изображения этих типов транзисторов приведены на рис. 6.1.

Рис.6.1. Условные графические обозначения полевых транзисторов.

а) полевой транзистор с управляющим p-n переходом и с каналом n-типа;

б) полевой транзистор с управляющим p-n переходом и с каналом p- типа;

в) полевой транзистор с изолированным затвором и со встроенным каналом n-типа;

г) полевой транзистор с изолированным затвором и со встроенным каналом p-типа;

д) полевой транзистор с двумя изолированными затвором и со встроенным каналом n-типа;

е) полевой транзистор с двумя изолированными затвором и со встроенным каналом p-типа;

ж) полевой транзистор с изолированным затвором и с индуцированным каналом n-типа;

з) полевой транзистор с изолированным затвором и с индуцированным каналом p-типа;

и) полевой транзистор с изолированным затвором, с индуцированным каналом n-типа и с дополнительным защитным диодом;

к) полевой транзистор с изолированным затвором, с индуцированным каналом p-типа и с дополнительным защитным диодом.

Защитный диод необходим при работе на индуктивную нагрузку (трансформатор, дроссель, электродвигатель, соленоид и т.п.). При импульсном токе стока на индуктивной нагрузке возникают пики напряжения, которые могут во много раз превышать напряжение питания и выводить из строя полевой транзистор. Защитные диоды позволяют демпфировать выбросы напряжения и снижать амплитуду паразитных затухающих колебаний, возникающих по окончании фронта токового импульса.

Графическое изображение транзисторов содержит максимальную информацию о его устройстве. Канал транзистора изображается вертикальной штриховой или сплошной линией. Штриховая линия обозначает индуцированный канал, а сплошная - встроенный. Исток и сток действуют как невыпрямляющие контакты, поэтому изображаются под прямым углом к каналу. Подложка изображается как электрод со стрелкой, направление которой указывает тип проводимости канала. Затвор изображается вертикальной линией, параллельной каналу. Вывод затвора обращен к электроду истока.

На рис.6.2 показаны типовые передаточные характеристики полевых транзисторов с управляющим p-n переходом (ПТУП) и полевых транзисторов с изолированным затвором (ПТИЗ) со встроенными и индуцированными каналами n-типа и p-типа [2].

Рис.6.2 Типовые передаточные характеристики Iст = f(Uзи) основных видов полевых транзисторов.

Все характеристики полевых транзисторов с каналом n-типа расположены в верхней половине графика и, следовательно, имеют положительный ток, что соответствует положительному напряжению на стоке. Наоборот, все характеристики приборов с каналом р-типа расположены в нижней половине графика и, следовательно, имеют отрицательное значение тока и отрицательное напряжение на стоке. Характеристики ПТУП при нулевом напряжении на затворе имеют максимальное значение тока, которое называется начальным Iс.нач. При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки Uотс. становится близким к нулю. В справочных данных величину напряжения отсечки указывают для определенной величины тока стока данного полевого транзистора. В данной лабораторной работе для всех транзисторов с управляющим p-n переходом условно принято значение напряжение отсечки, при котором ток стока составляет 50 мкА. Величина, показывающая, насколько изменится ток стока при изменении напряжения на затворе на 1В, называется крутизной характеристики S. Крутизна характеристики определяет усилительные свойства полевого транзистора и выражается в мА/В. При сравнительно небольших сопротивлениях нагрузки коэффициент усиления каскада на полевом транзисторе можно определить по упрощенной формуле К=SRн, где для маломощных каскадов величину S подставляют в мА/В, а величину сопротивления нагрузки Rн, - в килоомах.

Характеристики ПТИЗ с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах происходит при напряжении на затворе больше порогового значения Uпор. Увеличение напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока.

Характеристики ПТИЗ со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют начальное значение тока Iс.нач. Такие транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. При увеличении напряжения на затворе канал обогащается, и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется, и ток стока снижается.

На рис. 6.3 приведены выходные вольт-амперные характеристики ПТУП с каналом n-типа.

Рис.6.3. Выходные характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом и каналом n-типа.

Характеристики других типов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных напряжений. На этих вольт-амперных характеристиках можно выделить 2 области: линейную область и область насыщения.

В линейной области вольт-амперные характеристики вплоть до точки перегиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе. В области насыщения вольт-амперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о независимости тока стока от напряжения на стоке.

Выполнение работы: полевые транзисторы крутизна отсечка

1. Выбрать типы транзисторов согласно вариантам, приведенным в табл.5.1

(стандартное обозначение транзисторов “VT”, в программном пакете “Multisim” транзисторы обозначаются символом “Q”).

Табл.5.1

2. Собрать схему, приведенную на рис.6.4, снять переходную характеристику Iст = f(Uзи) полевого транзистора VT1 с

управляющим p-n переходом и каналом n-типа.

Рис.6.4. Схема для снятия передаточной характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом и каналом n-типа.

Напряжение Uзи изменять от значения, при котором появившийся ток стока составляет 50+10мкА до значения 0 В (не менее 10 отсчетов). По полученным данным, сведенным в таблицу, построить график.

3. Определить крутизну характеристики полевого транзистора VT1 в интервале значений Uзи = -1В…0В.

4. Собрать схему, приведенную на рис.6.5, снять характеристику Iст = f(Uзи) полевого транзистора VT2 с p-n переходом и каналом p-типа.

Рис.6.5. Схема для снятия передаточной характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом и каналом p-типа.

Напряжение Uзи изменять от значения, при котором появившийся ток стока составляет 50+10мкА до значения 0 В (не менее 10 отсчетов). По полученным данным, сведенным в таблицу, построить график.

5. Определить крутизну характеристики полевого транзистора VT2 в интервале значений Uзи = +1В…0В.

6. Собрать схему усилителя переменного напряжения (рис.6.6), применив транзистор VT1 и установив прочие параметры согласно рис.6. Установить при помощи потенциометра R1 оптимальный режим каскада по постоянному току, при котором будет обеспечиваться максимальное усиление входного сигнала.

Рис.6.6. Схема усилителя переменного напряжения на полевом транзисторе с управляющим p-n переходом и каналом n-типа.

7. По осциллограммам входного и выходного напряжений определить при помощи маркеров коэффициент усиления каскада К = Umвх. / Umвых.

8. Собрать схему (рис.6.7) ключевого каскада - усилителя мощности на транзисторе VT3 с учетом типа канала (n-типа или p-типа) с сопротивлением нагрузки 100 Ом и напряжением питания +20В.

Рис.6.7. Схема ключевого каскада на полевом транзисторе с изолированным затвором и индуцированным каналом n-типа.

9. Подать на вход каскада открывающие импульсы с амплитудой 10В, скважностью Q=(1+N) и длительностью t= (10+N) мкc, где N - номер варианта. Маркеры 1,2 должны показывать длительность входных импульсов, допустимая погрешность установки длительности входных импульсов +2мкс.

10. Скриншоты осциллограмм, полученных в результате моделирования схем рис.6.4...рис.6.7, привести в отчете.

Контрольные вопросы:

1. Как отличаются усилители напряжения на полевых и биполярных транзисторах по величине входного сопротивления?

2. Какие преимущества имеют усилительные каскады с высоким входным сопротивлением?

3. В какую сторону будет изменяться ток стока полевого транзистора с каналом n-типа при увеличении отрицательного напряжения на затворе?

4. В какую сторону будет изменяться ток стока полевого транзистора с каналом p-типа при увеличении положительного напряжения на затворе?

5. Какому напряжению на затворе соответствует значение начального тока стока?

6. Что такое напряжение отсечки?

7. Что такое крутизна характеристики?

8. Как зависит коэффициент усиления каскада на полевом транзисторе от его крутизны характеристики и от сопротивления нагрузки?

9. Для какого вида полевых транзисторов существует понятие порогового напряжения?

10. Какое преимущество в коммутации мощных нагрузок при заземленном минусе источника питания имеют полевые транзисторы с каналом p-типа по сравнению с n-канальными транзисторами?

11. Для чего в полевых транзисторах параллельно цепи сток-исток устанавливают диоды?

Размещено на Allbest.ru