фоэ,1ч

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Цель работы: изучение статических вольтамперных характеристик и определение параметров полевых транзисторов с управляющим р-п перехо-

дом.

Краткие теоретические сведения

4.1.Классификация полевых транзисторов

В полевых транзисторах управление током осуществляется электрическим полем, поэтому их называют полевыми, а ток создается носителями одного знака – электронами или дырками, поэтому их называют еще униполярными. Существует 6 разновидностей полевых транзисторов (рис. 4.1).

Полевые транзисторы

С управляющим

С изолированным

p-n переходом

затвором

С каналом

С каналом

Со встроенным

С индуцированным

p-типа

n-типа

каналом

каналом

С каналом

С каналом

С каналом

С каналом

p-типа

n-типа

p-типа

n-типа

Рис. 4.1

4.2. Полевой транзистор с управляющим р-п переходом и n-каналом. Устройство. Принцип действия. Статические характеристики

Полевой транзистор с управляющим р-п переходом и n-каналом (рис. 4.2) представляет собой кристалл полупроводника n-типа, в котором создана область дырочной p-проводимости.

От основного кристалла сделаны внешние выводы – исток И и сток С. Область р-типа имеет вывод, называемый затвором 3, который выполняет функции управляющего электрода. Концентрация примеси в основном кристалле делается значительно меньше, чем в области затвора. Между затвором и основным кристаллом возникает р-п переход, расположенный в основном в

Отформатировано:

Шрифт: 12 пт

Отформатировано:

Шрифт: 12 пт

Отформатировано:

Шрифт: 12 пт

Отформатировано:

Шрифт: 12 пт

Отформатировано:

Шрифт: 12 пт

Отформатировано:

Шрифт: 12 пт

Отформатировано:

Шрифт: 12 пт

Отформатировано:

Шрифт: 12 пт

Отформатировано:

Шрифт: 12 пт

области кристалла, при этом в кристалле создается узкий канал, по которому носители (в данном случае электроны) могут двигаться от истока к стоку.

Рис. 4.2

На затвор подается напряжение, смещающее p-n переход в обратном направлении. Сечение канала зависит от напряжения на затворе. При нуле-

вом напряжении на затворе Uз ток в стоковой цепи максимален. Зависимость тока в стоковой цепи Iс от напряжения затвора Uз при постоянном напряжении стока Uс называется стоко-затворной характеристикой, рис. 4.3а. При увеличении обратного напряжения на затворе ширина запирающего слоя увеличивается, сечение канала уменьшается, его сопротивление растет, а ток стока Iс уменьшается. При некотором напряжении на затворе запирающий слой р-п перехода расширяется настолько, что полностью перекрывает канал, и ток в стоковой цепи отсутствует. Такое напряжение на затворе называется напряжением отсечки.

а)	б)

Рис. 4.3

Зависимость тока в стоковой цепи Iс от напряжения стока Uс при постоянном напряжении затвора Uзи называется выходной или стоковой характеристикой полевого транзистора. Несколько таких характеристик, снятых при разных Uзи, составляют семейство стоковых характеристик, изображен-

31

ных на рис. 4.3б. При малых напряжениях Uс ток Iс резко возрастаетпрактически линейно, так как сечение канала и его сопротивление остаются примерно постоянными. При увеличении напряжения стока Uс возрастает обратное напряжение и ширина запирающего слоя у вывода стока, сечение канала сужается, сопротивление канала растет и рост тока стока замедляется. Транзистор переходит в режим насыщения (пологий участок выходных характеристик).

4.3. Основные электрические параметры полевых транзисторов

Усилительные свойства полевого транзистора оцениваются крутизной стокозатворной характеристики S, измеряемой в мА/В.

S =	Iс	приUс = const .
	Uэ

Для маломощных полевых транзисторов обычно S = 0,5 – 10 мА/В. Другие параметры полевых транзисторов с управляющим p-n перехо-

дом следующие:

Uзи отс – напряжение отсечки – напряжение на затворе, при котором ток стока становится практически равным нулю;

I0 – начальный ток стока – это ток стока при нулевом напряжении на затворе;

fмакс – граничная частота;

Iс доп – предельно допустимый ток стока, и др.

4.4. Полевые транзисторы с изолированным затвором. Устройство. Принцип действия

Основой такого, например, n-канального транзистора служит пластина слаболегированного кремния р-типа (подложка). В ней сформированы две сильнолегированные области n-типа, которые являются истоком И и стоком С транзистора. Металлический, обычно алюминиевый, затвор З изолирован от подложки диэлектриком, как показано на рис. 4.4а. По начальным буквам компонентов транзистора с изолированным затвором его называют МДП-транзистором (Металлический затвор - Диэлектрик - Полупроводниковая подложка). Поскольку диэлектриком в кремниевых полупроводниковых приборах служит, как правило, двуокись кремния SiO2, такой транзистор также называют МОПтранзистором (Металл - Окисел - Полупроводник). Области стока С и истока И п-типа соединяются каналом – узкой областью кремния n-типа. Канал может быть встроенным или индуцированным.

32

На рис. 4.4 изображена структура и схема включения МДП транзистора с индуцированным каналом n-типа. В таких транзисторах при нулевом напряжении на затворе сток и исток каналом не соединены. При приложении к изображенной структуре положительного напряжения между стоком и истоком ток в стоковой цепи практически равен нулю, т.к. переход стокподложка включен в обратном направлении, а напряжение между истоком и подложкой равно нулю. Поэтому области истока и стока оказываются изолированными запирающими слоями р-п переходов. При подаче на затвор положительного напряжения в полупроводнике возникает сильное электрическое поле. Под действием электрического поля электроны из подложки втягиваются в поверхностный слой пластины, образуя тонкий проводящий канал, соединяющий области стока и истока. Появляется ток в стоковой цепи. При увеличении положительного напряжения на затворе толщина проводящего n- слоя (канала) увеличивается, проводимость его возрастает и выходной ток стока растет, что отражает стокозатворная характеристика n-МОП транзистора с индуцированным каналом, изображенная на рис. 4.4в. На рис. 4.4б показано условное обозначение такого транзистора на принципиальных электрических схемах. Минимальное напряжение затвора, при котором появляет-

ся канал, называется пороговым напряжением Uпор (иными словами пороговое - это такое напряжение, при котором открывается транзистор). Пороговое напряжение является одним из параметров МДП транзисторов с индуцированным каналом.

Рис. 4.4

На рис. 4.5 изображена структура и схема включения МДП транзистора со встроенным каналом n-типа.

В такой структуре сток с истоком соединяются каналом уже в процессе изготовления, поэтому ток в стоковой цепи протекает и при нулевом напряжении на затворе, если подано напряжение между стоком и истоком. При по-

даче на затвор изменяющегося напряжения Uз происходит изменение проводимости канала и проходящего через него тока Iс в выходной цепи истоксток.

33

			Таблица 4.1
	Транзисторы с	Транзисторы с изолированным
	управляющим	затвором (МДП)
	p-n переходом	с индуцированным	со встроенным
	с р-каналом	р-каналом	р-каналом
Обозначение
	Ic	Ic	Ic
Стокозатворная
характеристика
	Uз	Uз	Uз
	Uотс	Uпор
Примеры	КП103(А – К)	КП301, КП304,
		IRF(9610 – 9640)
		с индуцированным	со встроенным
	с n-каналом	n-каналом	n-каналом
Обозначение
	Ic	Ic	Ic
Стокозатворная	Uз		Uз
характеристика		Uз
	Uотс	Uпор
Примеры	КП302, КП303	КП(723 – 753),	КП305
		IRF(510 – 840)
		34

а) б)

Рис. 4.5

Условные обозначения, стокозатворные характеристики, полярности подключения внешнего напряжения и примеры конкретных типов различных полевых транзисторов приведены в таблице 4.1.

4.5 Порядок выполнения работы

Для выполнения лабораторной работы используются базовый блок, лабораторный макет, 13 проводников, транзистор КП303В и др.

Паспортные данные транзистора с управляющим р-n переходом и n- каналом КП303В:

Основные электрические параметры	КП303В
Крутизна характеристики S, мА/В	2 – 5
Начальный ток стока при Uс = 10 В, Uзи = 0, мА	1,5 - 5
Напряжение отсечки, В	1 – 4
Входная емкость не более, пФ	6
Предельно-допустимое напряжение стокисток, В	25

4.5.1.Снятие стоко-затворной характеристики транзистора

а) соберите схему, рис. 4.6: на лабораторном макете к гнездам 1 (–) и 2 (+) подключите источник напряжения ИН1, к гнездам 3 (+) и 4 (–) подключите вольтметр В1, к гнездам 12 и 13 подключите миллиамперметр мА2, к гнездам 14 (+) и 15 (–) подключите вольтметр В2, к гнездам 16 (+) и 17 (–) подключите источник напряжения ИН2, соедините гнездо 8 с гнездом 10, гнездо 9 с гнездом 11, гнезда 5 и 6;

35

б) на базовом блоке на приборе1 нажмите клавиши «U=», «2 В», на приборе 2: «U=», «20 В», и мА2 «20». Выведите ручки регулировки «Грубо» и «Точно» источников напряжения ИН1 и ИН2 влево до конца;

Рис. 4.6.

в) подайте напряжение на сток ручкой «Грубо» источника ИН2 5 вольт (вольтметр В2);

г) вращая ручки источника ИН 1 «Грубо» и «Точно» плавно вправо, снимите показания вольтметра 1 и миллиамперметра 2. Результаты занесите в таблицу 4.2;

								Таблица 4.2
Постоянный	Измеряемый			Показания приборов
параметр	параметр
Uси =5 В	Uзи, В								Uотс
	Iс, мА								0
Uси =9-10 В	Uзи, В								Uотс
	Iс, мА								0

д) выведите ручки регулировки «Грубо» и «Точно» источников напряжения ИН1 и ИН2 влево до конца. Подайте напряжение на сток ручкой «Грубо» источника ИН2 10 вольт (вольтметр В2) и повторите п. г).

4.5.2. Снятие семейства выходных статических характеристик транзистора

а) выведите ручки регулировки «Грубо» и «Точно» источников напряжения ИН1 и ИН2 влево до конца. Установите напряжение за затворе 0 вольт;

б) вращая ручки источника напряжения 2 «Грубо» и «Точно» плавно вправо, снимите показания вольтметра 2 и миллиамперметра 2. Напряжение на сток подавать не более 15 вольт! Результаты занесите в таблицу 4.3;

36

в) выведите ручки регулировки «Грубо» и «Точно» источника напряжения ИН 2 влево до конца. Ручками регулировки «Грубо» и «Точно» источника ИН 1 установите напряжение на затворе 0,2 В. Вращая ручки источника напряжения 2 «Грубо» и «Точно» плавно вправо, снимите показания вольтметра 2 и миллиамперметра 2. Напряжение на сток подавать не более 15 вольт! Результаты занесите в таблицу 4.3.

								Таблица 4.3
Постоянный	Измеряемый			Показания приборов
параметр	параметр
Uзи = 0 В	Uс, В								15
	Iс, мА
Uзи = 0,2 В	Uс, В								15
	Iс, мА
Uзи = 0,4 В	Uс, В								15
	Iс, мА
Uзи = 0,8 В	Uс, В								15
	Iс, мА
Uзи = 1,0 В	Uс, В								15
	Iс, мА

4.5.3.Повторите п. в), установив напряжение на затворе 0,4 В. Снимите аналогичные характеристики для других напряжений на затворе в пределах значения напряжения отсечки.

4.4.Выполнение работы с использованием программы моделирования электронных устройств “Electronics Workbench”

4.4.1.Соберите схему для получения семейства стокозатворных (передаточных) и стоковых (выходных) характеристик полевого транзистора с n-каналом и управляющим p-n переходом, приведенную на рис. 4.7. Тип транзистора указывает преподаватель.

Рис. 4.7

37

4.4.2. Чтобы снять стокозатворные характеристики, установите выходное напряжение генератора E2 5 В. Активизируйте схему. Увеличивая абсолютное значение выходного напряжения генератора Е1 от 0 до напряжения отсечки Uотс, соответствующего току стока ≈10 мкА, запишите в таблицу 4.4 величины напряжения затвор-исток Uзи и результаты измерений тока стока Iс при напряжении сток-исток Uси=5 В. Необходимое число измерений установите самостоятельно.

					Таблица 4.4
Uси , В	Uзи, В	0	-0,2	-0,4	----	Uотс =....В
5	Iс, мА
10	Iс, мА

4.4.3.Установите выходное напряжение генератора Е2 10 В и повторите измерения в соответствии с п. 4.4.2.

4.4.4.Чтобы снять выходные характеристики полевого транзистора, ус-

тановите напряжение Uзи =0. Изменяя напряжение Uси от 0 до 10 В, запишите в таблицу 4.5 значения Uси и результаты измерений Iс.

								Таблица 4.5
Uзи, В	Uси, В	0	0,2	0,5	1	2	5		10
0	Iс, мА
-0,2	Iс, мА
-0,5	Iс, мА
-1	Iс, мА

4.4.5. Повторите измерения в соответствии с п. 4.4.4 для других значений напряжений Uзи, указанных в таблице 4.5.

4.5. Содержание отчета

В отчете приведите паспортные данные транзистора, таблицы измерений, постройте стокозатворную и семейство выходных характеристик транзистора. Рассчитайте по характеристикам параметры полевого транзистора:

крутизну S, выходное сопротивление Ri, коэффициент усиления μ. В выводах объясните ход характеристик транзистора, приведите сравнение полученных параметров с паспортными данными.

Крутизна стокозатворной характеристики отражает степень влияния напряжения на затворе на ток стока

38

	S =	Ic	при Uси = const.,	мА	.
		Uзи		В

Выходное сопротивление Ri отражает влияние напряжения стока на ток

стока

R	=	Uси	при Uзи = const., кОм.
1		Iс

Коэффициент усиления μ показывает во сколько раз влияние напряжения затвора на ток стока сильнее, чем напряжение стока.

μ =	Uси	при Ic =const= SRi .
	U зи
Контрольные вопросы

1.Как устроен полевой транзистор с управляющим p-n переходом?

2.Как происходит управление током в полевом транзисторе?

3.Изобразите и объясните ход стокозатворных и выходных характеристик транзистора с управляющим p-n переходом.

4.Как устроен полевой транзистор структуры МДП?

5.Изобразите и объясните ход стокозатворных и выходных характеристик различных МДП-транзисторов.

6.Приведите основные параметры полевых транзисторов.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА В КЛЮЧЕВОМ РЕЖИМЕ

Цель работы: исследование статических состояний и быстродействия транзисторного ключа, а также влияния на его работу сопротивления нагрузки.

Краткие теоретические сведения

5.1. Статические состояния электронного ключа

Электронный ключ выполняет те же функции, что и механический коммутатор: размыкает и замыкает цепь нагрузки. Это значит, что электронный ключ имеет два статических состояния: “выключено” (ключ разомкнут) и

39