Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
me12 / Lab_rab_12_13 / Lab_4_MKC.doc
Скачиваний:
39
Добавлен:
03.03.2016
Размер:
125.44 Кб
Скачать

Лабораторная работа № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Цель работы: изучение свойств полевых транзисторов, приобретение практических навыков анализа характеристик полевых транзисторов.

Работа выполняется в системе моделирования MicroCAP.

В работе необходимо определить характеристики полевых транзисторов.

  1. Теоретическая часть

Полевыми транзисторами называются полупроводниковые элементы, которые в отличие от обычных биполярных транзисторов управляются электрическим полем, т.е. практически без затрат мощности управляющего сигнала.

Существуют две больших группы полевых транзисторов:

  • полевые транзисторы с управляющим p – n переходом (JFET – Junction Field Effect Transistor), в которых изоляция канала от источника управляющего напряжения обеспечивается обратно смещенным p – n переходом;

  • полевые транзисторы с МОП (металл – оксид - полупроводник) или МДП (металл – диэлектрик - полупроводник) структурой. Зарубежное обозначение MOSFET (или сокращенно MOS). В этих транзисторах изоляция канала от управляющего электрода обеспечивается с помощью диэлектрика (двуокиси кремния).

МОП – транзисторы бывают двух видов: со встроенным (созданным технологически) каналом и с индуцированным (создается внешним электрическим полем) каналом. Все типы транзисторов могут быть как n – канальные, так и p – канальные. Классификация и условные графические изображения транзисторов приведены на рис.1.

В системе моделирования MicroCAP транзисторы с управляющим p – n переходом обозначаются как NJFET и PJFET, МОП – транзисторы как NMOS и PMOS. В MicroCAP не делается различие между МОП транзисторами со встроенным и индуцированным (наведенным) каналом. Отличить один тип транзистора от другого можно по величине напряжения отсечки или пороговому напряжению – параметр VTO полевого транзистора. DNMOS и DPMOS – это МОП транзисторы с индуцированным каналом, у которых подложка соединена с истоком.

Затвор З (G – gate) – управляющий электрод. Он управляет величиной сопротивления между стоком С (D - drain) и истоком И (S - source). Управляющим напряжением является напряжение Uзи. Большинство полевых транзисторов являются симметричными, т.е. их свойства не изменяются, если электроды С и И поменять местами.

Рассмотрим сначала работу полевого транзистора с управляющим р – n переходом. Полевой транзистор с управляющим p – n – переходом представляет собой пластину из полупроводникового материала, имеющего электропроводность определенного типа, от которого сделаны два вывода – сток – исток рис.2. Вдоль пластины выполнен электрический переход (p-n переход или барьер Шотки), от которого сделан третий вывод – затвор. Для включения транзистора напряжение Uси прикладывают так, чтобы между стоком и истоком протекал ток, а напряжение, приложенное к затвору смещает его в обратном направлении (рис.3).

Сопротивление области сток – исток (канала) зависит от напряжения на затворе. Это обусловлено тем, что размеры перехода увеличиваются с повышением приложенного к нему отрицательного обратного напряжения на затворе. Это приводит к увеличению сопротивления канала. Таким образом, работа полевого транзистора с управляющим p – n - переходом основана на изменении сопротивления канала сток – исток за счет изменения обратного напряжения Uзи. Напряжение Uзи, при котором ток стока достигает заданного низкого значения тока стока называется напряжением отсечки полевого транзистора – Uзи отс.

Ширина p – n - перехода, следовательно, и сопротивление канала зависит от тока, протекающего через канал. Если Uси > 0, то ток стока, создает по длине канала падение напряжения, которое оказывается запирающим для перехода затвор – канал, это приводит к уменьшению проводимости канала (к увеличению сопротивления). По мере роста Uси ток стока как функция напряжения сток – исток, все сильнее отклоняется от линейной. При определенном значении тока наступает режим насыщения, который характеризуется, тем, что с увеличением Uси ток стока (канала) увеличивается незначительно.

Напряжение, при котором наступает режим насыщения, называется напряжением насыщения.

Характеристики полевого транзистора с управляющим p – n – переходом показаны на рис. 4.

Качественно характеристики полевого транзистора подобны характеристикам биполярного транзистора. При этом сток полевого транзистора соответствует коллектору биполярного транзистора, затвор - базе и исток – эмиттеру биполярного транзистора. Так как входной ток полевого транзистора практически равен 0, то входная характеристика не строится.

Из передаточной характеристики видно, что ток стока транзистора протекает при напряжении Uзи = 0. Такие транзисторы называются нормально-открытыми. Значение тока стока при Uзи = 0 называется начальным током стока IC нач. Его величина для маломощных полевых транзисторов может быть равна IC нач = 1, …, 50 мА. Напряжение Uзи не должно превосходить величины 0 В, т.к. в противном случае p – n переход между затвором и каналом смещается в прямом направлении и транзистор будет потреблять большой входной ток, при этом теряется основное преимущество полевого транзистора – возможность управления напряжением, а не током.

Напряжение Uзи, при котором ток стока достигает заданного низкого значения называется напряжением отсечки полевого транзистора. Для n – канальных транзисторов напряжение отсечки отрицательное, а для p – канальных положительное. Величина напряжения отсечки составляет |Uотс| = 0,5 … 5 В.

В выходных характеристиках полевого транзистора можно выделить три области.

Область I – крутая область – может использоваться как омическое управляемое сопротивление. При этом напряжение между стоком и истоком относительно мало.

Область II называется пологой или областью насыщения. В усилительных каскадах транзистор работает на пологом (в области насыщения) участке характеристик. В III области происходит пробой транзистора.

Как уже отмечалось, напряжение, при котором наступает режим насыщения, называется напряжением насыщения. Как видно из выходных характеристик, напряжение насыщения меняется при изменении напряжения Uзи. Так как влияние Uзи и Uси на ширину канала у стокового вывода практически одинаково, то Uси нас при Uзи = 0 равно |Uотс| и

Uси нас = |Uзи отс| - |Uзи|.

Другими словами, напряжения насыщения транзистора можно получить путем наложения передаточной характеристики на выходные и совмещая Uотс с началом координат.

При работе в пологой области передаточная характеристика полевого транзистора, представленная на рис.4 а может быть описана уравнением

,

(1)

где Ic нач – начальный ток стока.

Так как управление полевым транзистором осуществляется напряжением на затворе, то для количественной оценки управляющего действия затвора используют крутизну характеристики

при Uси = const.

Продифференцировав выражение (1) получим формулу для вычисления крутизны транзистора

,

(2)

Максимальное значение крутизны транзистора достигается при Uзи = 0

,

(3)

Максимальная крутизна полевого транзистора составляет Smax = 2, …, 20 мА/В.

Можно отметить, что при равных токах стока полевого и коллектора биполярного транзисторов крутизна полевого транзистора существенно ниже, чем биполярного.

МОП (МДП) транзисторы

Основой МОП (металл – оксид - полупроводник) транзистора является кремниевая подложка с проводимостью p- или n- типа (рис 5). На подложке на малом расстоянии друг от друга созданы две области - истока и стока с проводимостью, противоположной проводимости материала подложки. Между стоком и истоком над поверхностью расположена металлическая пленка - затвор, изолированная от подложки тонким слоем диэлектрика - диоксида кремния SiO2. Отсюда и другие названия приборов этого класса: МДП транзисторы или транзисторы с изолированным затвором.

Участок подложки под затвором между истоком и стоком образует проводящий канал. Работа МОП транзистора основана на изменении концентрации свободных носителей заряда в канале под влиянием электрического поля, создаваемого напряжением, приложенным между затвором и истоком. Для этих приборов характерна взаимозаменяемость стока и истока, т. е. ток в канале может протекать в обоих направлениях в зависимости от полярности напряжения, приложенного к каналу.

В зависимости от устройства канала проводимости различают МОП транзисторы со встроенным и индуцированным (наведенным) каналом. Это в равной мере относится к приборам p- и n- типа. У транзисторов со встроенным каналом канал является элементом конструкции, а у приборов с индуцированным каналом канал, как таковой, отсутствует: он наводится внешним напряжением.

Напряжение питания подают на сток и исток. У транзисторов с каналом n-типа сток должен иметь положительный потенциал относительно истока. Так как подложка образует с каналом диодное соединение, то напряжение на ней должно быть ниже напряжения проводимости. Она может быть соединена с истоком или с точкой схемы, в которой напряжение ниже, чем у истока n – канального и выше чем у p – канального МОП – транзистора. Вывод подложки в большинстве случаев соединяют с истоком.

МОП - транзисторы со встроенным каналом находят применение в аналоговой технике. В дискретной технике употребляется МОП - транзистор с индуцированным каналом.

На рис.6 изображены передаточные характеристики МОП транзисторов со встроенным и индуцированным каналами для n - и p - типов. Эти характеристики показывают зависимость тока стока (канала) транзистора от напряжения затвор - исток. Выходные характеристики МОП – транзистора подобны выходным характеристикам транзистора с управляющим p – n переходом.

У МОП – транзистора затвор может иметь любую полярность о относительно истока; при этом тока затвора не будет, поскольку затвор гальванически не связан с цепью сток – исток.

Характеристики МОП транзистора со встроенным каналом аналогичны характеристикам транзистора с управляющим p – n переходом.

Рассмотрим подробнее работу транзистора с индуцированным каналом n-типа. При включении транзистора напряжение на стоке должно быть одной полярности с напряжением на затворе, при котором образуется канал проводимости. Когда на затворе нулевое напряжение, ток в цепи сток - исток отсутствует, так как обе эти области электрически изолированы друг от друга. Когда к затвору транзистора приложено положительное напряжение, в слое полупроводника подложки под затвором происходит инверсия типа проводимости поверхностного слоя между истоком и стоком за счет концентрации свободных электронов.

С ростом положительного смещения на затворе наступает момент, когда концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и в материале подложки p - типа образуется тонкий инверсный слой n - типа. Этот слой становится токопроводящим каналом между n- областями истока и стока.

Напряжение затвор - исток, при котором возникает канал и в цепи сток - исток появляется ток, называется пороговым Uпор. Пороговое напряжение лежит в пределах 1,5 - 3 В.

Канал в транзисторах p- типа формируется сходным образом с той лишь разницей, что электроны и дырки меняются местами. МОП - транзисторы с наведенным каналом часто называют транзистором с обогащением.

Соседние файлы в папке Lab_rab_12_13