Исследование характеристик полевого транзистора с управляющим pn-переходом

Цель работы

1 Изучить принципы функционирования полевых транзисторов с управляющим pn-переходом.

2 Ознакомиться с работой пакетa MicroCap.

3.1 Теоретические сведения

В полевом транзисторе с управляющим рn-переходом затвор отделяется в электрическом отношении от канала рn-переходом, смещенным в обратном направлении.

Оставшаяся область в полупроводнике, где протекает ток основных носителей заряда, носит название канала. Ток может регулироваться изменением его поперечного сечения.

Устройство полевого транзистора представлено на рис. 3.1.

Рис.3.1 Полевой транзистор с каналом n-типа

Управляющее (входное) напряжение подается между затвором и истоком. Напряжение U_зи является обратным для обоих р-n- переходов. Если между истоком и стоком включить источник напряжения U_си, то с помощью напряжения, подаваемого на затвор, можно регулировать его толщину, и, следовательно, ток I_c.

Электрод (вывод), через который в канал входят основные носители заряда, называют истоком (source). Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком (drain). Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала за счет управляющего напряжения, называют затвором (gate). Условные обозначения полевых транзисторов с каналом n- и р- типов приведены на рис. 3.2.

Рис.3.2 Условное обозначение полевого транзистора с рn-переходом и каналом n- типа (а) и каналом р- типа (б)

Полевой транзистор в качестве элемента схемы представляет собой активный несимметричный четырехполюсник, у которого один из зажимов является общим для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой из электродов полевого транзистора подключен к общему выводу, различают схемы: с общим истоком (ОИ); с общим стоком (ОС); с общим затвором (ОЗ). Схемы включения полевого транзистора показаны на рис. 3.3. Схема с общим истоком позволяет усиливать мощность сигнала.

а) б) в)

Рис. 3.3 Схемы включения полевого транзистора: с общим истоком (а), общим стоком (б), общим затвором (в)

Для полевых транзисторов представляют интерес два вида вольт - амперных характеристик: стоковые (выходные) и стоко – затворные (сквозные).

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора отражают зависимость тока стока от напряжения U_си при фиксированном напряжении U_зи (рис. 3.4, а). Стоко - затворная характеристика полевого транзистора показывает зависимость тока I_с от напряжения U_зи при фиксированном напряжении U_си (рис. 3.4, б).

а) б)

Рис. 3.4 Стоковые (а) и стоко - затворная (б) вольт-амперные характеристики полевого транзистора

Основными параметрами полевого транзистора являются:

1) внутреннее (выходное) сопротивление r_i − представляет собой сопротивление транзистора между стоком и истоком (сопротивление канала) для переменного тока:

;

2) крутизна стоко-затворной характеристики:

;

3) коэффициент усиления по напряжению:

.

3.2 Проведение компьютерного эксперимента

3.2.1 Запустить программу MicroCap.

3.2.2 Составить схему для снятия статических характеристик, согласно показанной на рис. 3.5. В зависимости от номера бригады по указанию преподавателя использовать следующие транзисторы:

1 – J304	4 – 2N3368
2 – 2N3070	5 – 2N3819
3 – J309	6 – 2N3822

Рис. 3.5 Схема для снятия статических характеристик транзистора

3.2.3 Запустить анализ по постоянному току (DC Analysis), построить сток - затворную характеристику транзистора, включенного по схеме ОИ.

Выбрать пункт меню «Анализ→Анализ по постоянному току». Установить в качестве первой переменной источник напряжения затвор-исток (на рис. 3.5 Vgs), закон изменения переменной – линейный (Linear). Установить в качестве второй переменной источник напряжения сток-исток (на рис. 3.5 Vds), закон изменения переменной – линейный (Linear), как показано на рис. 3.6. Установить автомасштабирование.

Задать в качестве выражения по оси Х – напряжение затвор-исток транзистора J1: Vgs(J1), а в качестве выражения по оси Y – ток стока Id(J1).

Рис. 3.6 Окно установок анализа по постоянному току для снятия сток - затворной статической характеристики

3.2.4 Запустить анализ по постоянному току (DC Analysis), построить стоковую характеристику транзистора, включенного по схеме ОИ.

Рис. 3.7 Окно установок анализа по постоянному току для снятия стоковой статической характеристики

Выбрать пункт меню «Анализ→Анализ по постоянному току». Установить в качестве первой переменной источник напряжения сток-исток (на рис. 3.5 Vds), закон изменения переменной – линейный (Linear). Установить в качестве второй переменной источник напряжения затвор-исток (на рис. 3.5 Vgs), закон изменения переменной – линейный (Linear), как показано на рис. 3.7. Установить автомасштабирование графиков.

Задать в качестве выражения по оси Х – напряжение сток-исток транзистора J1: Vds(J1), а в качестве выражения по оси Y – ток стока Id(J1).

3.2.5 Выбрать часть линейных участков статических характеристик полевого транзистора, определить выходное сопротивление, крутизну характеристики и коэффициент усиления по напряжению.

3.3 Содержание отчета

- название и цель лабораторной работы;

- схема для снятия статических характеристик транзистора;

- стоко-истоковая и стоковая характеристики полевого транзистора, включенного по схеме с ОИ;

- рассчитанные значения выходного сопротивления, крутизны характеристики и коэффициента усиления по напряжению;

- краткие выводы по результатам работы.

3.4 Контрольные вопросы

1 Опишите устройство полевого транзистора с управляющим pn-переходом.

2 Чем отличаются транзисторы с подложкой p- и n-типа?

3 Чем определяется толщина канала в полевом транзисторе с управляющим pn-переходом?

4 Как зависит вид стоковой характеристики от напряжения на затворе?

5 В чем заключается отличие полевых и биполярных транзисторов?

Лабораторная работа 4