Методические указания к лабораторной работе (исследование полевых транзисторов с управляющим п-н переходом)

Рис.4. Поперечный разрез верхней половины полевого транзистора с управляющим р — п переходом и каналом п—типа (упрощенное изображение).

Обозначим символами Y1, и У2 толщину обедненной области у истока и стока соответственно. Если Na»Nd, то, с учетом формулы (1), толщина обедненного слоя на расстоянии X от истока

(2)

где U(x) — функция, описывающая распределение потенциала вдоль канала, возникающее под действием приложенного напряжения Uси. Напряжение

U(x) и Uзи складываются с напряжением Uo и смещают р — n переход в обратном направлении.

При х=0 напряжение U(x)=0 и поэтому

(3)

Канал перекрывается при условии, что Uси = Uси нас, при этом Y2=α.

Следовательно,

(4)

Если же x=L, то U(x) = Uc>, так что

(5)

В это выражение входит напряжение отсечки канала

Uзи отс = U0 + Uзи + Uси нас

(6)

Поэтому

Uзи отс = U0 + Uзи + Uси нас

(7)

откуда

(8)

где температурный потенциал электрона,

nl — собственная концентрация полупроводника.

В полевом транзисторе с управляющим р — n переходом и каналом

n —типа Uзи<0, в то время как Uси>0). Напряжение Uси создает электрическое поле с напряженностью Ех, вызывающее дрейф основных носителей (электронов) по направлению от истока к стоку. Плотность тока в канале

Jx = σ(x)Ex,

(9)

где σ(x) — функция, описывающая распределение удельной объемной проводимости вдоль канала.

С другой стороны,

(10)

Объединяя формулы (9) и (10), а также приняв σ(x) = const = σ , получаем

Ic = σExZ[a - h(x)]

( l l)

Так как Ех= - dU(x)/dx, то, беря абсолютное значение Ех получаем

(12)

Имея в виду, что σ = qnNd (n— подвижность электронов) и что для всего прибора должен быть взят множитель [2а — 2h(x)] преобразуем формулу (12)

следующим образом:

Icdx = 2q nNdZ[a - h(x)]dU

(13)

Дифференцируя выражение (2), получаем

dU =		(14)

Подставив дифференциал dU в формулу (13) и проведя интегрирование по х в пределах от 0 до L, находим

,

(15)

где

Напряжение отсечки канала Uзи отс определяется выражением (7)

Выражение (15) можно представить в ином виде

, (16)

где				(17)

— проводимость, мСм, канала n —типа при отсутствии обедненного слоя.

В линейной области, когда Uси <<Uзи +U0 , выражение (15)

или (16) можно разложить в степенные ряды, и тогда получим

(18)

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.

С учетом (18) крутизна в линейном режиме определяется выражением

(19)

а в режиме насыщения — выражением

(20)

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 = 0. С 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).

С учетом (18) дифференциальное сопротивление определяется выражением

Чем больше Ri, тем более полого идет стоковая характеристика в области насыщения (рис.2,а). Внутреннее сопротивление полевых транзисторов составляет десятки и сотни килоом и более. Оно определяет выходное сопротивление транзистора.

Входное сопротивление Rвх полевого транзистора очень велико. Оно определяется обратным сопротивлением р — n перехода и составляет 108... 109

Ом. Большое входное сопротивление является преимуществом полевых транзисторов перед биполярными.

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.

Эквивалентная схема

Рис.5. Эквивалентная схема полевого транзистора с управляющим р —n

переходом в режиме малого сигнала.

На рис.5 представлена эквивалентная схема полевого транзистора с управляющим р — n переходом. Она описывает работу транзистора в режиме малого сигнала, под действием которого рабочая точка лишь незначительно перемещается. Следует заметить, что крутизна S играет роль, аналогичную роли параметров α и β для биполярных транзисторов. Полевые транзисторы имеют малый собственный шум.

Диапазон рабочих частот полевого транзистора ограничен максимальной частотой

где Сзи — межэлектродная емкость затвор —исток (входящая в эквивалентную схему полевого транзистора). Для работы на высоких частотах следует сокращать длину канала L и использовать каналы n— типа.

Реальному транзистору свойственны ограничения, связанные с лавинным пробоем за счет токов утечки затвора, тепловым пробоем из— за выделения теплоты в канале, а также пробоем под действием процессов генерации— рекомбинации, обусловленных поверхностными явлениями Максимально допустимое напряжение сток—исток Uси макс выбирают с запасом примерно в 1,5

раза меньше напряжения пробоя сток—затвор Uсз при напряжении затвор —исток

Uзи=0.

Изменение температуры мало сказывается на работе полевого транзистора,

что является еще одним его преимуществом перед биполярным. Это объясняется противоположным влиянием на сопротивление канала и величину выходного тока

Iс двух факторов. С одной стороны, повышение температуры снижает потенциальный барьер р—n перехода, что ведет к изменению его ширины и расширению канала, сопротивление канала уменьшается, ток Iс возрастает. С

другой стороны, при повышении температуры уменьшается подвижность основных носителей заряда, что вызывает рост сопротивления канала и уменьшает ток Ic. В результате ток Iс изменяется мало. Причем в области больших токов преобладает влияние второго фактора, и Iс с ростом температуры уменьшается, что очень благоприятно. В области малых токов преобладает первый фактор, и ток немного возрастает.

Описание лабораторной установки

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.

Порядок выполнения работы

Для проведения работы необходимо ознакомиться с лабораторной установкой и приборами, необходимыми для исследований. Далее осуществлять действия в следующей последовательности.

1. Исследование стоко — затворной характеристики.

Установить переключатель SA1 в положение "2". С помощью потенциометра R2 зафиксировать значение Uси , которое измерить с помощью вольтметра V.

Установить переключатель SA1 в положение "l". Изменяя положение потенциометра R1, с помощью миллиамперметра мА и вольтметра V снять зависимость тока Iс от напряжения Uзи. Результаты измерений занести в таблицу

Iс мА

Uзи , В

Построить график зависимости Ic=f(Uзи) при Ucи=const Определить по графику крутизну S— Ic/Uзи , напряжение отсечки Uзи отс , ток насыщения Iс нас

2 .Исследование семейства стоковых характеристик.

Установить переключатель SA1 в положение "1". С помощью потенциометра R1 зафиксировать значение Uси, которое измерить с помощью вольтметра V.

Установить переключатель SA1 в положение ”2”. Изменяя положение потенциометра R2, с помощью миллиамперметра мА и вольтметра V снять зависимость тока Iс от напряжения Uси. Результаты измерений занести в таблицу

Iс, мА

Uси , В

Построить график зависимости Ic = f(Uси) при Uзи = const. Выполнить предшествующую последовательность операций п.2 поочередно для ряда значений Uзи и получить семейство стоковых характеристик. Используя эти характеристики, определить ток насыщения Ic нас, дифференциальное сопротивление Ri = Uси/ Iс при Uзи = const. На семействе характеристик отметить области Iс и Uси , соответствующие линейному режиму, режиму насыщения и режиму пробоя.

3. Расчет параметров полевых транзисторов.

Используя численные значения Iс и Uси линейного участка стоковой характеристики для Uзи = 0 (п.2), вычислить проводимость открытого канала

Go=Iс/Uси.

Используя численное значение Uзи отс (п.1),с помощью выражений (20) и (21) вычислить соответствующую крутизну S в режиме насыщения и дифференциальное сопротивление Ri, а также коэффициент усиления = SRi

Сравнить расчетные параметры полевого транзистора со справочными.

Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Конструкция и особенности применения полевых транзисторов.

3.Схема установки для исследования полевых транзисторов.

4.Теоретические и экспериментальные данные (таблицы и графики)

5.Выводы.

6.Контрольные вопросы

7.Библиографический список

Контрольные вопросы

1.Что называется полевым транзистором?

2.Покажите условное графическое обозначение полевого транзистора.

3.Как выглядит стоковая и стоко — затворная характеристики полевого транзистора с управляющим р —n переходом?

4.Что называют током насыщения и напряжением насыщения?

5.Как используют режим насыщения и линейный режим работы полевого транзистора?

6.Что называют напряжением отсечки?

7.Как связаны между собой напряжение насыщения и напряжение отсечки?

8.Что характеризует крутизна стоко — затворной характеристики? Как определить ее графо — аналитическим методом?

9.Что характеризует дифференциальное сопротивление полевого

транзистора? Как определить ее графо —аналитическим методом?

10.Что характеризует коэффициент усиления полевого транзистора?

Как определить его графо—аналитическим методом?

11.Объясните эквивалентную схему полевого транзистора с управляемым р —n переходом.

12.0бъясните графики, построенные по экспериментальным данным.