Файл: Учебное пособие по ТвЭиМЭ.doc

Предварительное расчетное задание

1. Пользуясь параметрами транзистора, рассчитанными при подготовке к работе №3, рассчитать входную ВАХ транзистора с ОЭ при обратном смещении на коллекторном переходе и выходные ВАХ при  = 0; 10 мкА; 50мкА.

Рабочее задание

1. Запишите в рабочий журнал тип транзистора и материал, из которого он сделан.

2. Выполните измерение и постройте входные вольт-амперные характеристики транзистора при = 0;< 0;> 0.

3. Выполните измерение и постройте выходные вольт-амперные характеристики транзистора при = 0; U_БЭ = 0.

4. Выполните измерение и постройте семейство выходных вольт–амперных характеристик транзистора при нескольких (не менее трех-пяти) значениях отпирающего тока базы.

Анализ результатов измерений

1. Для области активной работы транзистора постройте зависимости входного сопротивления транзистора в схеме с общим эмиттером r_вх = ∆ U_БЭ / ∆от тока базыи напряжения базы U_БЭ. Сравните полученную зависимость с аналогичной для транзистора, включенного по схеме с общей базой.

2. Постройте зависимость выходного сопротивления транзистора в схеме с общим эмиттером r_вых=∆/∆от напряжения(при различных значениях отпирающего тока базы).

3. Постройте зависимость коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером β от тока базы и тока эмиттера.

3. Сравните экспериментально полученные вольт-амперные характеристики транзистора, включенного с общим эмиттером, с рассчитанными, объясните различия.

Контрольные вопросы

1. Как определить на характеристиках, снятых в схемах с общим эмиттером, границы активной области, области насыщения и области отсечки?

2. В чем основные различия статистических характеристик транзистора, включенного в схеме с общей базой от транзистора, включенного в схеме с общим эмиттером?

3. Почему усилительные каскады с транзистором в схеме c общим эмиттером используются значительно чаще, чем каскады с транзистором в схеме с общей базой?

Лабораторная работа № 5. Исследование статических характеристик полевого транзистора с управляющим pn-переходом

Цель работы: изучение принципа работы и приобретение навыков экспериментального исследования ВАХ полевого транзистора с управляющим р-п-переходом.

Полевые транзисторы – униполярные полупроводниковые приборы, в которых ток переносится носителями одного знака, а принцип работы состоит в изменении сопротивления проводящей области (канала) при приложении поперечного напряжения.

В полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом (ПТУП) сопротивление канала изменяется за счет расширения области пространственного заряда (ОПЗ) p-n-перехода при приложении к нему обратного напряжения. На рисунке 5.1 показаны условные обозначения ПТУП-транзисторов и структура n-канального ПТУП.

Концентрация легирующей примеси в затворных областях выше, чем в области канала, поэтому ОПЗ будет распространиться главным образом в канал. Если напряжение между стоком и истоком U_си = 0, ОПЗ будет перекрывать канал равномерно по всей длине. Напряжение на затворе, при котором ОПЗ p-n-переходов сомкнутся, перекрыв путь для протекания тока между стоком и истоком, называется напряжением отсечки U_{з. отс}.

Приравняв l_опз к половине толщины канала без приложения напряжения (d₀/2), и учитывая, что N_d <<N_a (для n-канального ПТУП), найдем напряжение отсечки:

(5.1)

(здесь и далее абсолютная величина U_з и U_с).

При подаче напряжения между стоком и истоком обратное напряжение, приложенное к p-n-переходу в области стока, равно сумме приложенных напряжений U = U_з+U_с, поэтому канал перекрывается неравномерно, сужаясь по направлению к стоку. Когда сумма напряжений U_з+U_с достигнет напряжения отсечки, канал перекроется областью пространственного заряда, тем не менее, ток между стоком и истоком будет течь, поскольку электрическое поле перебрасывает носители заряда через ОПЗ.

Для ПТУП рассматривают выходные (рисунок 5.2,а) ВАХ (выходом является сток) и передаточные (рисунок 5.2, б) ВАХ (зависимости тока выхода от напряжения на управляющем электроде – затворе).

При малых напряжениях на стоке U_с << U_отс форма канала практически не изменяется, транзистор представляет собой резистор, сопротивление которого зависит от напряжения на затворе: R = ρ∙L /(W∙d), где ρ – удельное сопротивление, L – длина канала, W – ширина канала, d – толщина канала, зависящая от U_з. Выходная ВАХ представляет собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе.

По мере увеличения напряжения на стоке, сечение канала уменьшается возле стока. Сопротивление канала увеличивается, рост тока замедляется. При U_з + U_с = U_отс канал перекрывается ОПЗ, рост тока прекращается (в идеале), наступает насыщение ВАХ.

В линейной области ВАХ ток стока связан с напряжением на затворе и стоке следующим соотношением:

, (5.2)

где R_k0 – сопротивление полностью открытого канала. Зависимости I_с(U_с) представляют собой кривые параболического типа c экстремумом (I_с нас) при U_з+U_с = U_отс. После достижения насыщения ток стока можно считать постоянным, равным I_{с нас}.

Ток стока насыщения будет максимальным при U_з = 0. Максимальный ток стока можно рассчитать по упрощенной формуле: I_с max ≈ U_отс / (3R₀). Тогда ток стока насыщения:

(5.3)

По этой формуле рассчитывается передаточная характеристика в области насыщения.

Одним из основных параметров полевого транзистора, характеризующих его усилительные свойства, является крутизна передаточной характеристики, определяемая как S =dI_с/dU_з при U_с=const. Крутизна в области насыщения ВАХ (используемой в усилительном режиме работы) равна:

. (5.4)

Вторым важным параметром полевого транзистора считается проводимость канала в линейной области ВАХ, определяемая как g_к = dI_с/dU_си при U_з = const.

При домашней подготовке необходимо изучить принцип работы ПТУП.

Предварительное расчетное задание

1. Провести расчет основных параметров полевого транзистора: U_отс, R₀, I_с max, S (U_З = 0).

5. Рассчитать выходные ВАХ при U_З = 0 и U_З= 0,5 Uотс и передаточную ВАХ для области насыщения.

Данные к расчету

Материал – кремний, тип ПТУП – n-канальный.

Концентрация атомов примеси в подзатворной области N_а =10¹⁸ см ^–3.

Концентрация атомов примеси в канале N_d = N_ж∙10¹⁶ см ^–3,

где N_ж – номер фамилии студента в журнале группы.

Толщина канала d₀ = 1 мкм.

Длина канала L = 20 мкм.

Ширина канала W = 500 мкм.

Подвижность электронов в канале μ_n = 1200 см²/(В∙с).

Рабочее задание

1. Запишите марку транзистора. По справочнику установите тип его канала. Запишите в журнал предельные параметры, рабочие параметры, а также рекомендуемый производителем рабочий режим транзистора (если такие рекомендации имеются).

2. Выполните измерение зависимостей тока стока от напряжения исток-сток при U_з = 0 (тщательно измерить начальный участок от 0 до 1 В); при U_з = U_отс; при трех промежуточных напряжениях затвора. Постройте выходные вольт-амперные характеристики транзистора.

3. Задав напряжение исток-сток, соответствующее пологой области характеристик и поддерживая его постоянным, измерьте и постройте зависимость тока стока от напряжения затвора (передаточную характеристику).

Анализ результатов измерений

1. Используя выходную характеристику транзистора, снятую при U_З = 0, рассчитайте сопротивление полностью открытого канала R₀.

2. Используя измерения передаточной характеристики, постройте зависимость крутизны передаточной характеристики S = ΔI_С/ΔU_З от напряжения на затворе.

3. Сравните экспериментально полученные ВАХ полевого транзистора с управляющим р-n-переходом с рассчитанными, объясните различия.

Контрольные вопросы

1. Как зависит ток стока полевого транзистора с управляющим р-n-переходом от напряжения на затворе?

2. Как изменится вид выходных ВАХ полевого транзистора с управляющим р-n-переходом, если возрастет длина канала, а все остальные параметры останутся неизменными?