Работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

И ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА

Цель работы

Изучение характеристик, параметров и режимов работы полевого транзистора с изолированным затвором и каналом n-типа и усилительного каскада с общим истоком.

Описание лабораторной установки

В комплект лабораторной установки входят следующие модули: «Транзисторы», «Функциональный генератор», «Миллиамперметры», «Мультиметры» ; двухканальный осциллограф.

Лицевая панель модуля «Транзисторы» представлена на рис. 1. На ней приведена мнемосхема и установлены коммутирующие и регулирующие элементы. Тумблер «Питание» предназначен для включения модуля «Транзисторы». О включенном состоянии модуля указывает световой индикатор, расположенный над тумблером. На мнемосхеме модуля изображены: полевой транзистор VT2 с изолированным затвором и индуцированным каналом n-типа, потенциометр RP1 для изменения напряжения, подаваемого на затвор, токоограничивающий резистор R1, не оказывающий практически никакого влияния на работу полевого транзистора, резистор нагрузки R2, сопротивление которого изменяется переключателем SA1. Величины сопротивлений, соответствующие положениям переключателя, приведены в табл. 1.

Рис. 1. Модуль транзисторов

Таблица 1

№ позиции	1	2	3	4	5
Сопротивление R2, кОм	1	1,2	1,5	1,8	2,4

Величина постоянного напряжения, подаваемого на сток транзистора, регулируется потенциометром RP2. Переключатель SA2 предназначен для включения переменного или постоянного напряжения. Для подачи на сток только положительных полуволн переменного напряжения служит диод VD. Ток в этой цепи ограничивает резистор R3. Резистор R_G имитирует внутреннее сопротивление источника входного сигнала. Конденсатор С исключает влияние внутреннего сопротивления источника входного сигнала на положение рабочей точки покоя. Шунт R_ш = 50 Ом служит для осциллографирования сигнала, пропорционального току через транзистор. На передней панели размещены также гнезда для осуществления внешних соединений (Х1 – Х16).

2. Задание и методические указания

1. Предварительное домашнее задание:

а) изучить тему курса «Полевой транзистор» и содержание данной работы, быть готовым ответить на все контрольные вопросы;

1.а) Общие теоретические положения по теме ПТ

Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обу­словлены потоком основных носителей заряда, которые создают ток Ic , протекающий через канал. При этом управление выходным током Ic осуществляется электрическим полем, поэтому они и называются полевыми транзисторами (ПТ). Кроме того, т.к. в создании тока участвуют только основные носители заря­да, поэтому ПТ часто называют униполярными транзисторами. Промышленностью выпускается большая номенклатура ПТ, основные разновидности которых показаны на рис.2.

В общем случае полевые транзисторы разделяют на два вида:

• полевые транзисторы с управляющим p–n-переходом;

• полевые транзисторы с изолированным затвором, которые в свою очередь делятся на два типа: МОП транзисторы со встроенным каналом и МОП транзисторы с индуцированным каналом.

.

Рисунок 2. Разновидности полевых транзисторов и их условное изображение

Структура обоих типов ПТ с изолированным затвором различна. Если в качестве изоляционного промежутка используется слой окисла, то такой ПТ называют МОП-транзистором ( металл – окисел – полупроводник). Если в качестве изоляционного промежутка используется тонкий слой диэлектрика, то такой ПТ называют МДП-транзистором (металл–диэлектрик–полупроводник). В данной работе исследуется МОП транзистор с индуцированным каналом n – типа, который рассматривается более подробно.

Транзистор с индуцированным (инверсионным) каналом

Устройство полевого транзистора показано на рис 3.

Рис.3. Структура МОП- транзистора с индуцированным каналом n–типа и его графическое изображение.

В этой структуре нет встроенного канала между областями истока и стока. При отсутствии напряжения на затворе (Uзи=0) ток между истоком и стоком не потечет ни при какой полярности напряжения, так как один из p–n-переходов будет обязательно заперт. Если подать на затвор напряжение положительной полярности относительно истока, то под действием возникающего поперечного электрического поля электроны из областей истока и стока, а также из областей кристалла, будут перемещаться в приповерхностную область по направлению к затвору. Когда напряжение на затворе превысит некоторое пороговое значение, то в приповерхностном слое концентрация электронов повысится настолько, что превысит концентрацию дырок в этой области и здесь произойдет инверсия типа электропроводности, т.е. образуется тонкий канал n-типа и в цепи стока появится ток. Чем больше положительное напряжение на затворе Uзи, тем больше проводимость канала и больше ток стока Ic.

Таким образом, такой транзистор может работать только в режиме обогащения. Вид выходных характеристик и характеристики управления ПТ показан на рис. 4.

Рис.4. Выходная (а) и стокозатворная (б) характеристики МОП–транзистора с индуцированным каналом n–типа.

Рассмотрим особенности работы пт.

1.При U_ЗИ < U_ЗИ пор. Транзистор полностью закрыт, т.к. в канале нет подвижных носителей заряда. При этом сопротивление канала велико и U_СИ= Uп.

2. При U_ЗИ > U_ЗИ пор. в канале появляются подвижные носители и ток Iс увеличивается с увеличением U_ЗИ.

3. При U_ЗИ = const величина тока Iс изменяется в зависимости от U_СИ. :

• При малых U_СИ ширина канала и его проводимость не меняется поэтому ток I_С изменяется по закону Ома. Это область насыщения транзистора ( см. рис.4. выходную характеристику);

• При U_СИ больше U_СИa величина U_СИ уже начинает влиять на ширину канала (сужает его в области стока) и ток стока I_С возрастает менее интенсивно. При этом наступает смыкание канала в области стока, т.е. вершина конуса появится на стоке. Напряжение U_СИ, при котором канал смыкается, называется напряжением насыщения U_СИ.НАС.;

• При дальнейшем увеличении U_СИ ширина канала и его проводимость уменьшаются , а ток I_С практически не меняется при больших изменениях U_СИ. Это объясняется тем, что при увеличении U_СИ вершина конуса смещается в направлении истока, при этом пропорционально величине U_СИ увеличивается сопротивление канала, а ток I_С остается неизменным. Следовательно, ПТ на этом участке ВАХ обладает свойством стабилизатора тока. Это активная (линейная) область работы транзистора. При этом величину тока I_С можно менять за счёт изменения U_ЗИ. Это основная рабочая область транзистора в аналоговых схемах;

• При U_СИ > U_{СИ.MAX.ДОП} происходит пробой паразитных p-n переходов между подложкой и каналом и ток I_С резко возрастает. Это не рабочий участок ВАХ и превышать U_{СИ.MAX..ДОП.} для ПТ не допустимо.

4. Теперь рассмотрим режим работы МОП- транзистора при изменении U_ЗИ.

При U_ЗИ > U_ЗИ пор ширина канала увеличивается равномерно по всей длине. Это приводит к тому что, смыкание канала в области стока наступает при больших значениях U_СИ.НАС и I_С увеличивается.

5. Зависимость I_С = f(U_ЗИ) при U_СИ=const называется стокозатворной характеристикой, которая для МОП-транзистора с каналом n- типа представлена на рис. 4.б. Из характеристики видно, что с увеличением напряжения U_ЗИ ток тока I_С увеличивается. При определенном значении U_ЗИ = Uп кангал полностью отпирается и ток I_С становится = I_С нас. Следовательно, изменяя управляющее напряжение U_ЗИ от 0 до напряжения U_ЗИ.нас. можно изменять ток стока I_C от 0 до I_С.НАС .

Основными параметрами пт являются:

- крутизна стокозатворной характеристики S, характеризующая усилительные свойства ПТ и определяемая по стокозатворной ВАХ (рис. 4.б):

- дифференциальное сопротивление стока r_i , определяемое по выходным характеристикам (рис. 4.а):

- напряжение отсечки U_ЗИ.ОТС - это управляющее напряжение, при котором происходит отпирание транзистора, т.е. появляется ток I_С.

- ток насыщения I_С.НАС - это ток полностью отпертого транзистора;

- максимально допустимое напряжение сток-исток U_{СИ.МАХ.ДОП} - это напряжение, при котором наступает пробой транзистора.

Выводы:

1. Полевой транзистор с изолированным затвором - это полупроводниковый прибор, в котором управляющий электрод отделен от токопроводящего канала слоем диэлектрика.

2. В отличие от полевого транзистора с управляющим p-n-переходом входное сопротивление полевого транзистора с изолированным затвором остается очень большим при любой полярности поданного на вход напряжения.

3. Полевые транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения канала свободными носителями заряда.

4. Полевые транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения. У такого транзистора напряжение питания Uп_. и напряжение управления U_ЗИ всегда совпадают по знаку.

5. Основными достоинствами полевого транзистора являются его большое сопротивление по постоянному току и высокая технологичность.

2.б) начертить принципиальные схемы для снятия характеристик ПТ в соответствии с заданным вариантом и таблицы для экспериментальных данных;

Рис.5. Нагрузочная диаграмма для усилительного каскада на полевом транзисторе

В соответствии с точками пересечений нагрузочных линий и выходных ВАХ построить две стокозатворные характеристики I_с = f(U_з) при R2 = 0 и при заданном R2. Определить область линейного усиления;

2.г) выбрать рабочую точку покоя для классов А, В, D; по характеристикам , определить токи I_ср , U_зр и напряжение U_ср в рабочей точке покоя;

2.д) по заданным временным диаграммам переменного напряжения на затворе u_з(t) (см. рис. 5) построить временные диаграммы тока стока i_с(t) и напряжения на стоке и_с (t). Для классов А и В определить максимальную амплитуду неискаженного синусоидального выходного сигнала.

3. Экспериментальное исследование характеристик полевого транзистора, включенных по схеме с общим истоком (ОИ):

а) собрать схему для снятия характеристик полевого транзистора (рис. 6).

Рис.6. Схема для снятия характеристик полевого транзистора

Для этого между гнездами Х2 - Х6 включить многопредельный миллиамперметр А1 (модуль «Миллиамперметры») на пределе «xl» (100 мкА) и соединить перемычкой гнезда Х9 – Х12. Установить потенциометр RP1 в крайнее левое положение. Между гнездами XI - Х4 включить второй миллиамперметр А2 (модуль «Миллиамперметры») на пределе «х 100» (10 мА). Соединить перемычкой гнезда ХЗ -XS. Включить вольтметры V\,V2 («Модуль измерительный») между гнездами XI -Х5 и Х4 – Х16. Тумблер SA2 установить в нижнее положение. Между гнездами XI –X3 поставить перемычку;

б) снять стокозатворную характеристику I_с = (U_з) при напряжении на стоке U_c равном заданному значению U₂ и R₂ = 0, используя схему на рис. 6. Экспериментальные точки здесь и далее записывать в таблицу 2. и наносить на график, построенный при предварительной подготовке. Изменяя напряжение на затворе от нуля до максимального значения при помощи потенциометра RPI, снять стокозатворную характеристику при отсутствии нагрузки R₂=0.

Таблица 2

	Uзи[V]	0	0.1	0.2	0.5	1.0	2.0	4.0	6.0	8.0	U max
R2=0	Ic[mA]
R2=Rз	Ic[mA]

При снятии характеристики убедитесь, что ток затвора I₃ мал (составляет несколько мкА). На начальном участке характеристики точки снимать чаще;

в) снять стокозатворную характеристику при наличии нагрузки R2. (Величина R2 и U₂ задаётся вариантом задания). Схема для снятия характеристики представлена на рис. 7.

Рис. 7. Схема для снятия стокозатворной характеристики при наличии нагрузки

При подготовке эксперимента необходимо убрать перемычку между гнездами Х1 –X3. Ручку потенциометра RР1 установить на «0». С помощью переключателя SA1 установите заданное значение резистора R2, а при помощи потенциометра RP2 -заданное значение U₂. В дальнейшем ручку регулировки RP2 не трогать. Изменяя напряжение на затворе от нуля до максимального значения при помощи потенциометра RP1, снять стокозатворную характеристику при наличии нагрузки. На начальном участке характеристики и вблизи перехода в область насыщения точки снимать чаще. Выключить тумблер «Питание»;

г) по построенной в п. в) характеристике определить области активного усиления, отсечки и насыщения. Определить максимальное напряжение на затворе U_{3 mах}, при котором еще обеспечивается линейное усиление;

д) снять выходные статические ВАХ транзистора, используя схему рис. 8.

Рисунок 8. Схема для снятия выходных ВАХ МОП –транзистора.

При подготовке эксперимента необходимо ручку потенциометра RР1 установить на «0». С помощью переключателя SA1 установите заданное значение резистора R2. Устанавливать напряжение на затворе Uзи=const при помощи потенциометра RP1 в соответствии с табл.4, а с помощью потенциометра RP2 изменять напряжение Uси с определённым шагом (см. табл.4) и контролировать величину тока I_{с .} Результаты измерений занести в таблицу 3.

Таблица 3

UСИ, B	0,1	0,3	0,5		1,5	3	5	8	10	U2
IC, мА (UЗИ = 0)
IC, мА (UЗИ = 0,5В)
IC, мА (UЗИ = 1.0 В)
IC, мА (UЗИ = 2.0 В)
IC, мА (UЗИ = 5 В)
IC, мА (UЗИ = 10В)

По полученной таблице построить семейство выходных (стоковых) характеристик транзистора Ic =f (U_СИ) при Uзи=const.

Примечание. На начальном участке характеристик и вблизи перехода в область насыщения точки снимать чаще.

Выключить тумблер «Питание»;

д) снять выходные статические ВАХ Ic =f (U_СИ) при Uзи=const с помощью осциллографа, используя схему рис. 9.

Рис.9. Схема для снятия выходных статических ВАХ при помощи осциллографа

При подготовке эксперимента необходимо переключить тумблер SA2 в верхнее положение тем самым подключить к схеме источник полуволн напряжения. Соединить перемычкой гнезда Х1 - ХЗ. Подключить входы осциллографа к соответствующим точкам схемы: вход канала СH (X) - к гнезду ХЗ, канала СН2 (Y) - к гнезду X14, корпус осциллографа () - к гнезду Х15. Перевести переключатель развертки осциллографа в положение X/Y. Установить луч на экране осциллографа в левом нижнем углу. Установить потенциометр RP1 в крайнее левое положение. Включить питание модуля. Изменяя напряжение на затворе Uзи от нуля до максимального значения, пронаблюдать семейство выходных характеристик. Зарисовать на одном рисунке выходные характеристики для трех значений напряжения на затворе: U_з(1) = 2B, U_з(2) =0,5(U₃₍₁₎ + U_{з max}), и U_з(3) = U_{з max}. Записать масштабы по напряжению и току. Выключить питание модуля.

д) по характеристикам определить основные параметры транзистора:

Uз отс; Ic нас; Uси нас; U_{з max} ; Uси макс; S; ri; уточнённые координаты рабочей точки для линейного режима «А» Uзр ; Iср; Uср.