Исследование полевых транзисторов с управляющим p-n переходом

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Министерство образования и науки России

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Институт информатики математики и электроники

Факультет электроники и приборостроения

Кафедра конструирования и технологии электронных систем и устройств

Отчет по лабораторной работе:

Тема:

Исследование полевых транзисторов с управляющим p-n переходом

Выполнил: Митрофанов Д.А.

Студент группы 6291

Проверил: к.т.н., доцент Шопин Г.П.

Самара 2018

Задания

1. Изучить принцип действия полевого транзистора с управляющим р-n переходом

2. Изучить выходные (стоковые) и передаточные (стоко-затворные) характеристики полевого транзистора

3. Изучить параметры полевого транзистора и их определение графо-аналитическим и аналитическим методами

4. Ознакомиться с порядком и методикой выполнения работы

Цель работы - изучение структуры, основных параметров и характеристик полевого транзистора с управляющим p-n переходом и исследования возможности его применения в различных режимах работы.

1. Устройство и принцип действия полевого транзистора с управляющим р-n переходом

Полевым транзистором называют полупроводниковый прибор, обладающий усилительными свойствами, которые обусловлены потоком основных носителей заряда, протекающим через проводящий канал и управляемым поперечным электрическим полем. В отличие от биполярного транзистора действие полевого транзистора обусловлено носителями заряда одного знака (основными носителями) - либо только электронами в канале n-типа, либо только дырками в канале р-типа. Поэтому полевые транзисторы называют еще униполярными.

Различают два основных вида полевых транзисторов: с управляющим р-n переходом и с изолированным затвором.

Рассмотрим устройство и принцип действия полевого транзистора с р-n переходом (рис. 1).

Рис. 1. Полевой транзистор с управляющим р-n переходом: а, б - упрощенные структуры, в - схема включения, поясняющая принцип действия, г, д - условные графические обозначения соответственно с каналом n-типа и р-типа

Он представляет собой полупроводниковую пластину (в данном случае n-типа), от торца в которой с помощью невыпрямляющих металлических контактов сделаны выводы электродов. Электрод полевого транзистора, через который в проводящий канал втекают носители заряда, называют истоком И, а электрод, через который из канала вытекают носители заряда, - стоком С. Исток и сток обычно сильно легированные области, канал-слабо легированная область.

На грань пластины в ее центральной части помещают акцепторное вещество, создающее область р-типа, в результате образуется p - n переход. От р-области сделан вывод третьего электрода - затвора 3 для подачи на р-n переход обратного напряжения.

При создании р-n перехода только с одной стороны пластины (рис. 1, а) канал n - типа образуется между областью р-n перехода и непроводящей подложкой, на которой укреплена пластина. Чаще всего создают переходы с двух сторон пластины - на противоположных гранях - и электрически соединяют обе р -области в один вывод затвора (рис. 1,6). В этом случае проводящий канал образуется в пластине между областями двух р-n переходов. Обычно затвор является сильно легированной областью.

Схема включения полевого транзистора представлена на рис. 1, в. За счет напряжения сток-исток Uси через канал и по внешней цепи протекает ток стока Ic. Ширина области р-n перехода и связанная с ней проводимость канала меняется с изменением напряжения затвор-исток Uзи (пунктир на рис. 1, в). Цепь между стоком и истоком является главной, а между затвором и истоком - управляющей.

Следует отметить, что при подаче на канал напряжения Uси потенциалы точек канала относительно истока неодинаковы по его длине: они возрастают по мере приближения к стоку от нуля до полного напряжения Uси. В связи с этим увеличивается и обратное напряжение на р-n переходе в направлении от истока к стоку от значения равного Uзи около истока до суммы Uзи + Uси у стока. Это вызывает постепенное расширение области р-n перехода по мере приближения к стоку и соответствующее сужение канала: его сечение уменьшается в направлении от истокового конца к стоковому. С увеличением Uси возрастает влияние этого напряжения на сужение канала у стокового конца (рис. 1, в).

Такое же устройство и принцип действия имеют полевые транзисторы с р-n переходом и каналом р -типа; по сравнению с транзисторами с каналом n-типа они требуют противоположной полярности источников питания. Основные носители заряда в них - дырки.

В отличие от биполярных транзисторов, полевые транзисторы управляются не током, а напряжением (Uзи).

На рис. 1 г, д показаны условные графические обозначения полевых транзисторов с управляющим р-n переходом соответственно с каналами n- типа и р -типа.

Статические вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с управляющим р-n переходом

Основные характеристики полевых транзисторов - выходные (стоковые) и передаточные (стоко-затворные).

Стоковая характеристика отражает зависимость тока стока от напряжения затвор - исток:

Ic = f(Uси) / Uзи = Const

Характеристики, снятые при разных значениях неизменной величины Uзи, составляют семейство статических стоковых характеристик. На рис. 2, а приведено семейство характеристик для полевого транзистора с р-n переходом и каналом n-типа.

Рис. 2. Семейство стоковых характеристик (а) и стоко-затворная характеристика (б) полевого транзистора с управляющим р-n переходом

стоковый затворный передаточный полевой транзистор

Рассмотрим стоковую характеристику, снятую при Uзи = 0, когда канал имеет максимальное исходное рабочее сечение. В ней можно выделить три участка.

Начальный участок выходит из начала координат (при Uси = 0 ток Iс тоже равен нулю) и соответствует малым значениям напряжения Ucи, изменение которого почти не влияет на проводимость канала; канал полностью открыт, поэтому ток Iс на этом участке растет прямо пропорционально напряжению Uси; характеристика идет круто вверх (линейный режим).

По мере дальнейшего увеличения Uси начинает сказываться его влияние на проводимость канала. Причиной этого служит возрастание потенциала точек канала в направлении к стоку и, соответственно, рост обратного напряжения на p - n переходе, которое, при Uзи = 0, у стокового конца равно по величине Uси. По мере увеличения Uси происходит сужение канала, уменьшается его проводимость и замедляется рост тока Iс. это соответствует криволинейной переходной области характеристики.

Дальнейшее увеличение Uси практически не вызывает роста тока, так как непосредственное влияние на величину тока компенсируется одновременным повышением сопротивления канала из-за его сужения. Максимальное сужение канала называют перекрытием канала. Этот режим называют режимом насыщения. Ему соответствует пологий, почти горизонтальный, участок характеристики. Напряжение, при котором начинается режим насыщения, называют напряжением насыщения Uси нас, а ток при этом - током насыщения Iс нас. Участок характеристики, соответствующий режиму насыщения, используется в усилителях как рабочий.

При дальнейшем увеличении Uси, когда оно достигает определенного значения, ток резко возрастает. Это соответствует лавинному пробою р-n перехода вблизи стока, где канал имеет наименьшее сечение, а обратное напряжение на р-n переходе - наибольшую величину. Пробой транзистора недопустим, поэтому в рабочем режиме повышение Uси ограничивается максимально допустимым значением, указываемым в справочниках.

Характеристики, снимаемые при значениях Uзи ? 0, располагаются ниже рассмотренной характеристики при Uзи = 0, причем тем ниже, чем больше по абсолютной величине напряжение затвор - исток. С увеличением напряжения Uзи, при котором снимается стоковая характеристика, исходное сечение канала становится меньше, его сопротивление - больше, менее круто идет начальный участок характеристики, а также при меньшем Uси и токе Iс наступает режим насыщения. Пробой транзистора в этом случае наступает при меньшем напряжении Uси.

Полевой транзистор может быть использован не только в схемах усиления, но и в качестве управляемого омического сопротивления. В этом случае он работает в режиме, соответствующем начальному крутому участку стоковой характеристики.

Стоко-затворная характеристика - это зависимость тока стока от напряжения затвор -исток при неизменной величине напряжения сток -исток (рис. 2, б).

Ic = f(Uзи) | Uси = сonst

Эта зависимость характеризует управляющее действие входного напряжения на величину выходного тока.

При данном постоянном напряжении Uси, взятом в рабочем режиме, т.е. на участке насыщения, и при Uзи = 0 точка характеристики лежит на оси тока и соответствует величине, равной току насыщения Iс нас. С увеличением напряжения Uзи по абсолютной величине проводимость канала уменьшается, что приводит к уменьшению тока. Увеличение напряжения Uзи вызывает уменьшение сечения проводящего канала до тех пор, пока он не оказывается перекрытым; ток через канал прекращается, транзистор закрывается, так как сток и исток изолированы друг от друга. Напряжение затвор - исток, при котором ток через канал прекращается, называется напряжением отсечки Uзи отс.

На рис. 2, б приведена одна стоко-затворная характеристика, поскольку изменение Uси очень мало влияет на ток Iс и характеристики, снятые при разных значениях неизменной величины Uси, располагаются очень близко друг к другу.

Между напряжением насыщения и напряжением отсечки существует зависимость Uси нас = Uзи отс - Uзи, отсюда при Uзи = 0 Uси нас = Uзи отс (без учета контактной разности потенциалов в р-n переходе).

Параметры полевых транзисторов с управляющим р-n переходом Основные параметры полевого транзистора следующие: крутизна стоко - затворной характеристики, коэффициент усиления, внутреннее сопротивление, входное сопротивление, ток и напряжение насыщения при нулевом напряжении на затворе, напряжение отсечки, а также параметры предельных режимов: максимально допустимый ток стока Iс маkс при Uзи = 0, максимально допустимое напряжение сток -исток Uси макс, максимально допустимое напряжение затвор -исток Uзи макс, максимально допустимая рассеиваемая мощность Рмакс, диапазон рабочей температуры.

Статическая крутизна характеристики S показывает влияние напряжения затвора на выходной ток транзистора и определяется как отношение приращения тока стока и вызвавшему его малому приращению напряжения затвор -исток при постоянном напряжении сток -исток

Крутизна определяет наклон стоко-затворной характеристики, по величине крутизны оценивают управляющее действие затвора.

Численное значение крутизны можно найти по стоко-затворной характеристике, взяв для данной точки малое приращение напряжения ?Uзu и соответствующее ему приращение тока ?Ic (см. рис. 2б). Наибольшее значение имеет крутизна характеристики в точке на оси тока при Uзи = 0С увеличением Uзи крутизна уменьшается. Примерная величина этого параметра S = 0,1...8 мА/В.

Внутреннее (дифференциальное) сопротивление Ri показывает влияние напряжения сток-исток на выходной ток транзистора. Оно определяется по наклону стоковой характеристики на участке насыщения как отношение приращения напряжения сток -исток к вызываемому им малому приращению тока стока при постоянном напряжении затвор -исток (см. рис. 2, а).

Усилительные свойства полевых транзисторов характеризуются статическим коэффициентом усиления напряжения. Его можно определить, как отношение приращения напряжения сток - исток к приращению напряжения затвор - исток при неизменном токе стока

Коэффициент усиления может быть найден как произведение крутизны на его внутреннее сопротивление = SRi Он показывает, во сколько раз изменение напряжения затвор - исток сильнее влияет на ток стока, чем такое же изменение напряжения сток-исток.

2. Схема лабораторной установки для исследования полевых транзисторов

Установка для исследования полевых транзисторов с управляющим р-n переходом представлена на рис 6. Она включает в себя полевой транзистор VT1, потенциометр R1, (для установки напряжения затвор -исток Uзи, потенциометр R2 для установки напряжения сток-исток Uси), переключатель SA1, имеющий два положения, вольтметр постоянного напряжения V (для измерения Uзи, если переключатель SA1 находится в положении 1; для измерения Uси, если переключатель SA1 находится в положении 2), миллиамперметр мА (для измерения тока стока - Iс). Питание схемы происходит от двух источников постоянного напряжения Ез (для цепи затвора) и Ес (для цепи канала).

Рис. 6. Схема установки для исследования полевых транзисторов

3. Экспериментальные данные

Исследование стоко-затворной характеристики.

При Uси = 1,5 В и Ic = 8 мА

S = 2,06 A/В

Исследование семейства стоковых характеристик

При Uзи = 1,5 В и Ic = 0 мА

При Uзи = 0 В и Ic = 0 мА

Ri = 0,47 В/А

= 0,9682

Вывод

В ходе выполнения работы была изучена структура, основных параметров и характеристик полевого транзистора с управляющим p-n переходом и исследована возможность его применения в различных режимах работы.

Построены основные характеристики полевых транзисторов - выходные (стоковые) и передаточные (стоко-затворные).

По полученным с лабораторного стенда данных построены таблицы и нарисованы графики.

Библиографический список

1. Электронные приборы: Учебник для вузов / В.Н. Дудин, Н.А. Аваев, В.П. Демин и др.; Под ред. Г.Г. Шишкина. - 4е изд., перераб. и доп.- М.: Энергоатомиздат, 1989. - 496 с.

2. Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника: Пер. с испан. С.И. Баскакова / Под ред.

3. В.А. Терехова; предисл. В.А. Терехова -М.: Высш. шк. 1991. -351с.

4. Гришина Л.М., Павлов В.В. Полевые транзисторы. (Справочник). -М.: Радио и связь, 1982. - 72с. - (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1056).

Размещено на allbest.ru