Исследование характеристик полевых транзисторов содержание
 Скачать 0.71 Mb.
|
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯк лабораторной работе №2 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ Содержание Задание на подготовку к выполнению лабораторной работы.…………….… 3 Теоретическое введение………………………………………………….……...3 Задание на выполнение лабораторной работы ……………………………….. 9 3.1 Расчетная часть работы ………………………...…………………………... 9 3.2 Экспериментальная часть работы ……………………………...………….. 9 Рекомендации к выполнению исследований ……………………………....... 10 5. Содержание отчета ………………………………………………..……………14 Рекомендуемая литература …………..……………………………………………14 Приложение А……………………………………………………………………....15 Приложение Б………………………………………………………………………17 1 Задание на подготовку к выполнению лабораторной работы Тема: Исследование характеристик полевых транзисторовЦель работы: Изучить статические ВАХ и другие определяющие характеристики полевых транзисторов (лекция 3) Выполнению данной работы должна предшествовать предварительная подготовка, состоящая в следующем: 1. Изучение темы и цели лабораторной работы. 2. При изучении теоретического материала в объеме материала лекций и теоретического введения обратить внимание на следующие основные вопросы: - достоинства и недостатки полевых транзисторов; - применение полевых транзисторов в элементарных схемах. Номер варианта для выполнения лабораторной работы должен выбирается по двум последним цифрам номера пароля. Варианты приведены в Приложении. 2 Теоретическое введение Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на полевом эффекте – изменение электропроводимости поверхностного слоя под действием электрического поля, направленного перпендикулярно поверхности. От биполярного транзистора полевой транзистор отличается: принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сопротивлением производится либо входным током, либо разностью потенциалов между входными выводами транзистора, а в полевом транзисторе - входным потенциалом затвора или электрическим полем; полевой транзистор обладает большим входным сопротивлением. в полевом транзисторе не происходит инжекции носителей заряда – отсюда уменьшение рекомбинационных явлений и низкий уровень шумов (особенно на низких частотах). Таким образом: полевой транзистор (ПТ) – полупроводниковый прибор, в котором регулирование тока осуществляется изменением сопротивления проводящего канала с помощью поперечного электрического поля. Ток полевого транзистора обусловлен потоком основных носителей. электроды полевого транзистора называют истоком (И), стоком (С) и затвором (З). Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком. Полевой транзистор можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением затвор-исток. по конструкции полевые транзисторы можно разбить на две группы: с управляющим p–n-переходом и с металлическим затвором, изолированным от канала диэлектриком. Принцип действия полевого транзистора с управляющим p–n-переходом основан на изменении проводимости канала за счёт изменения его поперечного сечения. Между стоком и истоком включается напряжение такой полярности, чтобы основные носители заряда (электроны в канале n-типа) перемещались от истока к стоку. Между затвором и истоком включено отрицательное управляющее напряжение, которое запирает p–n-переход. Чем больше это напряжение, тем шире запирающий слой и уже канал. С уменьшением поперечного сечения канала его сопротивление увеличивается, а ток в цепи сток – исток уменьшается. Это позволяет управлять током стока с помощью напряжения затвор-исток Uзи . При некоторой величине напряжения затвор-исток запирающий слой полностью перекрывает канал, что приводит к уменьшению проводимости канала. Напряжение Uзи, при котором перекрывается канал, называют напряжением отсечки и обозначают Uотс . Для n-канального полевого транзистора напряжение отсечки отрицательно. Входные (стоковые) характеристики у полевых транзисторов отсутствуют, так как входной ток равен нулю. Выходные характеристики полевого транзистора с управляющим p–n-переходом и каналом n-типа показаны на рис. 2.2. На выходной характеристике можно выделить три области – отсечки, линейную (триодную) и насыщения. В линейной области ВАХ представляют прямые, наклон которых зависит от напряжения затвор-исток Uзи. Минимальное сопротивление канала достигается, когда напряжение Uзи = 0, так как проводящая часть канала в этом случае имеет наибольшее сечение. Таким образом, в линейной области полевой транзистор можно использовать как резистор, сопротивление которого регулируется напряжением затвора.  Рисунок 2.2 - Выходные характеристики полевого транзистора с управляющим p–n-переходом и каналом n-типа показаны В области насыщения ветви выходной характеристики расположены почти горизонтально. Это объясняется тем, что при увеличении напряжения сток-исток Uси область перекрытия канала вблизи стока расширяется и сопротивление канала увеличивается. В области насыщения полевой транзистор удобно моделировать передаточной характеристикой – зависимостью тока стока IС от напряжения затвор-исток Uзи при постоянном напряжении сток-исток:  . (2.1)Передаточная (сток – затворная) характеристика n-канального полевого транзистора с управляющим p–n-переходом показана на рис. 2.3. При нулевом напряжении на затворе ток стока имеет максимальное значение, которое называют начальным I с нач. При увеличении напряжения затвор-исток ток стока уменьшается и при напряжении отсечки Uотс становится близким к нулю.  Рисунок 2.3 - Передаточная характеристика n-канального полевого транзистора с управляющим p–n-переходом ВАХ полевого транзистора на участке, соответствующем линейному режиму, аппроксимируется выражением (2.2).  . (2.2)В области усиления статистические характеристики идеального транзистора любой структуры описывается выражением (2.3)  , (2.3)где ß –постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транзистора (  );U0 – напряжение запирания (  ).В режиме насыщения можно использовать формулу (2.4).  . (2.4)Поведение p-канальных полевых транзисторов описывается такими же уравнениями. Следует учесть только, что для p-канальных ПТ напряжения имеют другую полярность, т. е. Uотс > 0, а Uси < 0. Важным параметром полевого транзистора является крутизна характеристики, определяемая как отношение приращения тока стока Δ с I к приращению напряжения затвор-исток ΔUзи :  , (2.5)где  , (2.6) . (2.7)МДП транзисторы имеют один или несколько затворов, электрически изолированных от проводящего канала одним или несколькими слоями диэлектрика. При приложении электрического напряжения к участку затвор-исток в полупроводнике на границе с диэлектриком появляется электрический заряд противоположного знака, который влияет на электропроводность прилегающего слоя полупроводника, образующего канал. В виде дискретных элементов выпускаются транзисторы с изолированным затвором двух разновидностей: со встроенным и индуцированным каналом. Транзистор с индуцированным каналом характеризуется тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности. При нулевом напряжении канал отсутствует. При этом между стоком и истоком включены два обратно смещенных p– n-перехода. Один p–n-переход образуется на границе между подложкой и стоком, а другой – между подложкой и истоком. Таким образом, при нулевом напряжении на затворе сопротивление между стоком и истоком очень велико, ток стока ничтожно мал и транзистор находится в состоянии отсечки. Удельная крутизна транзистора с индуцированным каналом определяется по формуле (2.8).  , (2.8)где µ– приповерхностная подвижность носителей, C0 – удельная емкость затвор-канал, L – длина, W – ширина канала. Если напряжение сток-исток мало, как часто бывает в импульсных и ключевых схемах, то выходная характеристика, соответствующая линейному режиму, аппроксимируется выражением (2.9).  . (2.9)Величину b(Uзи - U0) - называют проводимостью канала, а обратную величину – сопротивлением канала. Таким образом, при малых напряжениях сток-исток транзистора с индуцированным каналом эквивалентен линейному резистору, сопротивление которого регулируется напряжением затвора. Передаточная характеристика транзистора с индуцированным каналом представлена на рисунке 2.4.  Рисунок 2.4 - Передаточная характеристика транзистора с индуцированным каналом Транзистор со встроенным каналом n – типа при нулевом напряжении на затворе имеет ненулевое значение, называемое начальным I с нач. Если Uзи > 0 , число электронов в канале увеличивается. Это приводит к увеличению проводимости канала. Такой режим работы транзистора со встроенным каналом, при котором концентрация носителей в канале больше равновесной, называют режимом обогащения. Передаточная характеристика транзистора со встроенным каналом представлена на рисунке 2.5.  Рисунок 2.5 - Передаточная характеристика транзистора со встроенным каналом Пример определения крутизны полевого транзистора по передаточной (стоко – затворной) характеристике представлен на рисунке 2.6.  Рисунок 2.6 – Определение крутизны транзистора с n-каналом по передаточной характеристике Методика определения крутизны полевого транзистора: Выбирается произвольная точка О на линейном участке ВАХ при  =0.5 .В выбранной точке строится касательная к графику ВАХ. На касательной строится произвольный прямоугольный треугольник, например acb. Крутизна характеристики S определяется как отношение длин катетов CA и BC: У полевых транзисторов выходное дифференциальное сопротивление показывает влияние напряжения сток - исток Uси на выходной ток транзистора Iс. Оно определяется по наклону стоковой характеристики на участке насыщения. Методика определения дифференциального выходного сопротивления представлена ниже: Выбирается произвольная точка О на произвольной ветви выходных ВАХ в области насыщения токов. В выбранной точке строится касательная к графику ВАХ. На касательной строится произвольный прямоугольный треугольник, например acb. Дифференциальное сопротивление  определяется как отношение длин катетов CA и BC: , (2.10)где  , (2.11) . (2.12) Рисунок 2.4 – Определение выходного дифференциального сопротивления 3 Задание на выполнение лабораторной работы 3.1 Расчетная часть работы Рассчитать основные параметры и построить сток – затворную и выходную (стоковую) характеристики полевого транзистора. По графику сток-затворной характеристики определить дифференциальную крутизну S, по графику выходных (стоковых) ВАХ определить дифференциальное выходное сопротивление , используя методические указания раздела 2.3.2 Экспериметальная часть работы Исследовать семейства проходных (сток-затворных) и выходных (стоковых) ВАХ полевого транзистора (тип транзистора выбирается из Приложения А в соответствии с вариантом) используя измерительную схему, приведенную на рисунке Б.6. Исследования проводить по методическим указаниям раздела 4. По полученным данным построить графические характеристики в одних осях с характеристиками, полученными по расчетам (3.1). Рассчитать крутизну характеристики и дифференциальное сопротивление по экспериментальным характеристикам. 4 Рекомендации к выполнению исследований Расчетная часть 4.1.1 Расчет характеристик транзисторов с управляющим p-n переходом Выбрать тип (марку) полевого транзистора с управляющим p-n переходом из Приложения А. Для выбора характеристик используйте ресурсы Интернет: Характеристики: https://alltransistors.com/ru/mosfet/kak_podobrat_zamenu_dlia_mosfet.php аналог http://www.dectel.ru/philips/analogues/various/j-fet_transist.shtml Выписать параметры исследуемого транзистора, используя ресурсы Internet:  , mA - максимально допустимый постоянный ток стока; , В - предельно допустимое напряжение между стоком и истоком; , В – напряжения отсечки для транзистора с управляющим p-n переходом; , В - предельно допустимое напряжение между затвором и истоком.Занести значения и марку выбранного транзистора в таблицу 4.1. Таблица 4.1 – Характеристики транзистора
| ||||||||||||||||||||