Лабораторная работа №3

Тема: Исследование полевого транзистора

Цель: Развить умения по измерению характеристик транзисторов на примере полевых транзисторов разных типов и научить по характеристикам определить основные параметры полевых транзисторов.

Оборудование: ПЭВМ, программный пакет «Electronics Workbench».

1 Краткие теоретические сведения

Широкое распространение получили полевые транзисторы, иначе называемые канальными или униполярными в отличие от биполярных транзисторов. Главное достоинство полевых транзисторов – высокое входное сопротивление, которое может быть таким же, как у электронных ламп, и даже больше. Помимо высокого входного сопротивления полевые транзисторы имеют ряд преимуществ по сравнению с биполярными. Полевые транзисторы более температуростабильны, т. е. меньше изменяют свои характеристики и параметры при изменении температуры. Они могут хорошо работать в более широком интервале температур. Полевой транзистор создает меньшие шумы и обладает более высокой стойкостью к воздействию ионизирующего излучения. По радиационной стойкости эти транзисторы приближаются к электронным лампам. Недостаток многих полевых транзисторов – сравнительно невысокая крутизна стокозатворной характеристики.

Принцип устройства и включения полевого транзистора с управляющим n–р-переходом, а также его условное графическое обозначение показаны на рисунке 1. Пластинка из полупроводника, например, n-типа имеет на противоположных концах электроды (исток (u), сток (с)), с помощью которых она включена в выходную (управляемую) цепь усилительного каскада. Эта цепь питается от источника Е2, и в нее включена нагрузка Rн. Вдоль транзистора проходит выходной ток основных носителей. Входная (управляющая) цепь транзистора образована с помощью третьего электрода(затвора (з)), представляющего собой область с другим типом электропроводности. В дан­ном случае это р-область. Источник питания входной цепи Е1 создает на единственном n–р-переходе данного транзистора обратное напряжение. Во входную цепь включен источник усиливаемых колебаний ИК.

Рисунок 1 – Схема включения и условное графическое обозначение

полевого транзистора с n–p-переходом и каналом n-типа.

Стокозатворные и стоковые характеристики полевого транзистора с управляющим p–n-переходом и каналом n-типа показаны на рисунке 2.

Рисунок 2 – Стоковые (а) и стокозатворные (б) характеристики полевого транзистора

Дальнейшим развитием полевых транзисторов являются транзисторы с изолированным затвором. У них металлический затвор отделен от полупроводникового канала тонким слоем диэлектрика. Иначе эти приборы называют МДП-транзисторами (от слов «металл – диэлектрик – полупроводник») или МОП-транзисторами (от слов «металл – оксид – полупроводник»), так как диэлектриком обычно служит слой диоксида кремния SiO2.

Структура МОП транзистора с индуцированным (инверсным) каналом и его условное графическое изображение показаны на рисунке 3.

Рисунок 3 – Структура МОП транзистора с индуцированным (инверсным) каналом

Канал возникает только при подаче на затвор напряжения опре­деленной полярности. Стокозатворные и стоковые характеристики полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом n-типа показаны на рисунке 4.

а) б)

Рисунок 4 - Стокозатворные а) и стоковые б) характеристики полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом n-типа.

Понятно, что для включения транзисторов с каналом р – типа необходимо изменить полярность источников питания.

При этом стокозатворные и стоковые (выходные) характеристики станут зеркальным отображением относительно оси ординат характеристик для транзисторов с каналом n – типа, показанных на рисунках 2,4.

Разновидность полевых транзисторов – транзисторы с двумя затворами. Они предназначены для двойного управления током стока, что используется при преобразовании частоты. Выпускаются также двойные полевые транзисторы, у которых в одном корпусе размещены два транзистора с самостоятельными выводами.

П

(1)

олевой транзистор характеризуется следующими параметрами. Основной параметр - крутизна S. Крутизна определяется по формуле

S = Δi_c /Δu_з-и при u_с-и = const,

где Δu_з-и - приращения напряжения между затвором и истоком;

Δi_c – соответствующее приращение тока стока

и может быть до нескольких миллиам­пер на вольт.

Крутизна характеризует управляю­щее действие затвора. Например, S = = 3 мА/В означает, что изменение напряжения затвора на 1 В создает изменение тока стока на 3 мА. Крутизна определяется по стокозатворной характеристике.

В

(2)

торой параметр – внутреннее (вы­ходное) сопротивление R_i. Этот параметр представляет собой сопротивление транзистора между стоком и истоком (сопротивление кана­ла) для переменного тока и выражается формулой

R_i = Δu_с-и /Δi_c при u_з-и = const.

Сопротивление R_i определяется по выходной (стоковой) характеристике полевого транзистора.

На пологих участках выходных ха­рактеристик значение R_i достигает сотен килоом и оказывается во много раз больше сопротивления транзистора постоянному току R₀ (R₀ = U_cu/I_c при u_з-и = const).

R₀ – определяется на пологом участке выходной характеристики для произвольного напряжения U_cu.

Иногда пользуются еще третьим па­раметром – коэффициентом усиления μ, который показывает, во сколько раз сильнее действует на ток стока измене­ние напряжения затвора, нежели измене­ние напряжения стока. Коэффициент уси­ления определяется формулой



(3)

= – Δu_с-и / Δu_з-и при i_c = const,

т. е. выражается отношением таких из­менений Δu_с-и и Δu_з-и, которые компен­сируют друг друга по действию на ток i_c, в результате чего этот ток остается постоянным. Так как для подобной компенсации Δu_с-и и Δu_з-и должны иметь разные знаки (например, увеличение Δu_с-и должно компенсироваться уменьшением Δu_з-и), то в правой части формулы (3) стоит знак «минус». Иначе, можно вместо этого взять абсолютное значение пра­вой части. Коэффициент усиления свя­зан с параметрами S и R_i простой зависимостью



(4)

= SR_i.

Для пологих участков выходных ха­рактеристик  достигает сотен и даже тысяч. В начальной области этих харак­теристик, когда они идут круто (при малых u_с-и), значения всех трех парамет­ров уменьшаются.

В

(5)

ходное сопротивление полевого транзистора определяется, как обычно, по формуле

R_вх = Δu_з-и / i_з при Δu_с-и = const

Поскольку ток i_з – обратный ток n-р-перехода, а значит, очень мал, то R_вх достигает единиц и десятков мегаом. Полевой транзистор имеет также вход­ную емкость между затвором и истоком С_з-и, которая является барьерной ем­костью n-р-перехода и составляет еди­ницы пикофарад у диффузионных тран­зисторов и десятки пикофарад у сплав­ных. Меньшие значения имеет проход­ная емкость между затвором и стоком С_з-с, а самой малой является выходная емкость между истоком и стоком С_с-и.