Файл: Лабораторная работа Исследование полевых транзисторов.docx

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 05.12.2023

Просмотров: 103

Скачиваний: 5

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Лабораторная работа № 4.




Исследование полевых транзисторов.



Целью работы является исследование вольтамперных характеристик различных видов полевых транзисторов.
Краткие теоретические сведения.

Полевым транзисторомназывается полупроводниковый усилительный прибор, при переносе тока в котором участвуют носители только одного типа (электроны или дырки). Такие транзисторы иногда называются униполярными.

Управление потоком носителей, проходящим через соответствующую область полевого транзистора (канал), осуществляется путем изменения электрического поля, создаваемого в этой области с помощью специального электрода – затвора. В отличие от биполярного транзистора, ток в цепи управления полевого не протекает, то есть полевой транзистор подобно электронной лампе, является прибором с потенциальным управлением.

Затвор может быть отдален от области канала либо посредством обратносмещенного p-n перехода, или слоем диэлектрика, в роли которого чаще всего используются окислы полупроводниковых материалов. Транзисторы первого вида называются полевыми транзисторами с управляющим p-n переходом, а транзисторы второго вида - МДП или МОП транзисторами. Выводы от крайних областей канала имеют наименования – сток и исток.

Упрощенная структура полевых транзисторов с p-n переходом и каналами различных типов проводимости, а также их условные обозначения на электрических схемах приведены на рис. 3.1.

При работе такого транзистора переход затвор-канал смещается в обратном направлении, в связи с чем в слоях полупроводника появляются зоны, обедненные свободными носителями. С ростом обратного напряжения размеры

Рис. 3.1. Структура и условные обозначения полевых транзисторов с p-n переходом.
обедненных слоев будут увеличиваться. Наиболее заметно этот эффект проявляется в полупроводнике, образующем канал, что связано с малой концентрацией примесей, вводимых в материал из которого он изготавливается. При увеличении запирающего напряжения сечение канала и, соответственно, его проводимость будут уменьшаться по сравнению с ситуацией, когда . При некотором напряжении
, называемом напряжением отсечки , канал перекроется полностью и его проводимость исчезнет. Данные ситуации отображены на рис. 3.2 для полевого транзистора с n-каналом.



Рис. 3.2. Структура канала полевого транзистора при управлении по цепи затвора.
При смене полярности управляющего напряжения слои, обедненные свободными носителями, исчезают, проводимость канала дополнительно увеличивается, но появляется ток во входной цепи, и такой режим работы полевого транзистора с p-n переходом практически не используется.

В полевом транзисторе ток стока сложным образом зависит как от управляющего напряжения, так и от разности потенциалов, приложенных между выводами исток – сток. В ситуации, когда для транзистора с n-каналом , а на сток подано положительное относительно истока напряжение, через канал потечет некоторый ток стока . При этом потенциал канала транзистора меняется от нуля в области истока до + у электрода стока. Такое распределение разности потенциалов приводит к тому, что сечение проводящего канала вблизи стока будет меньше, чем у истока (рис. 3.3.).



Рис. 3.3. Изменение профиля канала полевого транзистора при изменении напряжения сток – исток.
С ростом напряжения , ток стока с одной стороны будет увеличиваться, но с другой стороны его рост будет замедляться за счет уменьшения сечения канала. При некотором напряжении сток – исток, называемом напряжением насыщения , произойдет практически полное перекрытие канала, но несмотря на это ток стока по нему будет протекать. Дальнейший рост напряжения вызовет пропорциональное увеличение длины проводящей зоны канала и, соответственно, его сопротивления. При этом величина тока стока, равная:

(3.1)

будет оставаться практически неизменной вплоть до пробоя перехода затвор-сток.


Графики зависимостей тока стока от напряжения при различных значениях приведены на рис. 3.4. На каждом из них можно выделить два участка: первый (омический) при и второй (участок насыщения) при . На первом участке с ростом напряжения происходит изменение сечения канала и , где
– некоторый коэффициент. На втором участке меняется длина проводящей зоны канала и .

При подаче на затвор относительно истока некоторого запирающего напряжения происходит дополнительное уменьшение сечения канала и, соответственно, снижение тока стока при тех же напряжениях . В режим насыщения транзистор также будет переходить при меньшей величине разности потенциалов (рис. 3.4).

Напряжение отсечки является некоторой константой конкретного транзистора. В общем виде для любого полевого транзистора справедливо соотношение:

. (3.2)

Совокупность приведенных на рис. 3.4 зависимостей тока стока от напряжения сток – исток, при различных потенциалах затвора, образует семейство выходных характеристик полевого транзистора.


Рис. 3.4. Семейство выходных характеристик полевого транзистора с p-n переходом.
На начальном участке выходные характеристики представляют собой отрезки практически прямых линий, наклон которых зависит от величины управляющего напряжения на затворе (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Начальный участок семейства выходных характеристик полевого транзистора.

Так как линейная связь между током и напряжением описывается законом Ома:

, (3.3)

то из рис. 3.5 следует, что в данном режиме ( ) полевой транзистор может выполнять функции управляемого резистора, величина которого , зависит от напряжения . Линейность выходных характеристик при смене полярности напряжения сохраняется пока переход затвор-сток остается запертым.

При расчетах устройств на полевых транзисторах используются стокозатворные характеристики, примерный вид которых для различных напряжений приведен на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Семейство стокозатворных характеристик полевого транзистора с p-n переходом и n-каналом.
Напряжение отсечки по данным характеристикам обычно отсчитывается на уровне тока стока, равном 10мкА. В малосигнальном режиме, когда , , полевой транзистор может считаться линейным устройством, что позволяет смоделировать его работу совокупностью линейных элементов, отражающих ту или иную особенность функционирования реального транзистора, то есть представить его в виде эквивалентной схемы

Полевой транзистор, как и биполярный, может включаться различным образом, в частности с общим истоком, общим стоком и общим затвором. Одна из разновидностей эквивалентных схем для режима усиления малого сигнала при его включении с общим истоком приведена на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Эквивалентная схема полевого транзистора

при включении с общим истоком.
Введение конденсаторов , , , учитывающих наличие межэлектродных емкостей, позволяет моделировать ухудшение усилительных свойств полевого транзистора с ростом частоты входного сигнала. Так как при управлении током стока, ток во входной цепи не протекает, то в эквивалентной схеме нет элементов, определяющих связь затвора по постоянному току с остальными ее узлами.


Под действием переменного напряжения в выходной цепи потечет ток:

, (3.4)

где – параметр, называемый крутизной характеристики управления полевого транзистора. Этот факт отражается введением в эквивалентную схему генератора тока .

Экспериментально крутизну можно определить по стокозатворной характеристике:

(3.5)

или используя семейство выходных характеристик. Из этого же семейства определяется еще один параметр эквивалентной схемы – внутреннее или динамическое сопротивление :

. (3.6)

Здесь , , – постоянные значения токов и напряжений, для которых производится расчет параметров полевого транзистора.

Внутреннее сопротивление характеризует степень наклона выходных характеристик полевого транзистора на участке насыщения. С другой стороны, можно считать, что при протекании выходного тока по (рис. 3.7) на выходных зажимах появляется напряжение . Отношение выходного и входного напряжений называется коэффициентом усиления полевого транзистора :

. (3.7)

В отличие от биполярного, полевой обладает практически симметричной структурой, поэтому его параметры в нормальном и «инверсном» включении, когда выводы стока и истока меняются местами, будут приблизительно одинаковыми.

Следующим видом полевых транзисторов являются транзисторы с изолированным затвором (транзисторы типа МОП или МДП). На рис. 3.8 приведены структуры и обозначения на принципиальных схемах одной из разновидностей таких транзисторов – МОП транзисторов со встроенным каналом разного типа проводимости. Как видно из данного рисунка, в слое полупроводникового материала, который называется подложкой, создаются области противоположного типа проводимости называемые стоком и истоком, соединенные проводящим каналом из материала с тем же типом проводимости, но слабее легированного по сравнению с областями стока и истока.

Смотрите также файлы