Олевой транзистор с управляющим p-n переходом.

На рисунке 4.1 приведена упрощенная структура полевого транзистора с управляющим p-n переходом и каналом n-типа. В принципе канал может иметь электропроводимость, как p-типа, так и n-типа; поскольку _n > _p выгоднее применять n-канал. Затвор выполняют в виде полупроводниковой области p⁺-типа. Во входную цепь между затвором и каналом включен источник обратного смещения U_ЗИ. Выходная цепь состоит из источника постоянного напряжения U_СИ плюсом подсоединенного к стоку. Исток является общей точкой схемы. Контакты истока и стока невыпрямляющие.

Полевой транзистор работает следующим образом. При отсутствии напряжения на входе основные носители

Рис. 4.1 ПТ с управляющим p-n переходом.

заряда - электроны под действием ускоряющего электрического поля в канале (E = 10⁵10⁴ В/см) дрейфуют в направлении от истока к стоку, в то время как p-n переход для них заперт. Ток I_С, создаваемый этими электро­нами, определяется как напряжением стока U_СИ, так и сопротивле нием канала. Последнее зависит от поперечного сечения канала, которое ограничивается p-n переходом (заштрихованная область). Поскольку потенциал электрического поля линейно возрастает от истока к стоку вдоль кана ла, толщина p-n перехода минимальна вблизи истока и максималь на вблизи стока, и канал сужается вдоль p-n перехода от истока к стоку. Таким образом, наибольшим сопротивлением канал обла дает в наиболее узкой своей части, т.е. у стока.

Если обратное напряжение U_ЗИ подаваемое к затвору увеличить, то толщина p-n перехода по всей его длине увеличится, а площадь сечения канала и, следователь но, ток в цепи стока уменьшаются.

Указанный эффект будет тем сильнее, чем больше удельное сопротивление материала полупроводника, поэтому полевые транзисторы выполняют из высокоомного материала (с малой концентрацией примесей в канале). При обратном напряжении на затворе равном U_ЗИ0 сечение канала в определенной его части станет равным нулю и ток через канал прекратится. Такой режим называется режимом отсечки.

7.

При работе транзистора с коллекторной нагрузкой R_к связь между коллекторным током I_к и напряжением на коллекторе U_к выражается уравнением нагрузочной характеристики:

Iк=(Ек - Uк)/Rк

(15)

Нагрузочная характеристика представляет прямую на семействе коллекторных характеристик транзистора (см. рис.7.в), пересекающуюся с осями координат Е_к/ R_к и Е_ксоответственно.

Экспериментально нагрузочную характеристику можно снять посредством регулировки тока базы I_б .

8.

Располагая вольт–амперными характеристиками транзистора, можно графическим путем определить низкочастотные значения h-параметров. Для определения h-параметры необходимо задать рабочую точку, например А (I_бА, U_кэА), в которой требуется найти параметры.

Параметры h_11э и h_12э находят по входной характеристики U_бэ =₁(I_б)|_Uкэ=const.

9.

Ширина канала определяется конструкцией полевого транзистора и будет зависеть от ширины p-n перехода. В свою очередь ширина p-n перехода будет зависеть от приложенного к нему напряжения. Если между каналом – слоем n и затвором – слоем p ввести источник напряжения, то можно управлять шириной канала или его сопротивлением. При соединении стока и истока между собой и введении источника управляющего напряжения Е_З, как показано на рис. 2.34, p-n переход будет закрыт. При увеличении управляющего напряжения p-n переход расширяется и при некотором значении Е_З оба p-n перехода сомкнуться. Очевидно, что, включив дополнительный источник напряжения между истоком и стоком, можно с помощью Е_З управлять током в канале.

Рис.2.34.

10.

1.1. Снять входную ВАХ – I_э=F(U_эб)|_Uкб=const. Для этого собрать схему (рис.3.1). Все измерительные приборы поставить в режим измерения постоянного тока (режим DC).

Рис.3.1.	Рис.3.2.

1.2. Изменяя ток эмиттера и регистрируя его величину амперметром А1 измерять напряжение U_эб. Данные занести в табл.1.

Таблица1.

Iэ(мА), А1
Uкб=0B, V2	Uэб(В), V1
Uкб=15B, V2	Uэб(В), V1

При построение входных ВАХ биполярного транзистора входным сигналом берут ток (I_э, I_б) т.к. биполярный транзистор – прибор управляемый током.

По результатам измерений построить графики.

11.

3.1. Снять входную ВАХ – I_э=F(U_эб)|_Uкб=const I_б=F(U_бэ)|_Uкэ=const. Собрать схему (рис.3.3). Осциллограф поставить в режим В/А. Получить на экране изображение ВАХ, удобное для снятия показаний. Данные занести в таблицу аналогичную табл.1 или просто убедиться в их соответствии.

Рис.3.3.

3.2. Снять семейство выходных ВАХ – I_к=F(U_кб)|_Iэ=const. Собрать схему (рис.3.4).

Рис.3.4.

Получить на экране изображение ВАХ, удобное для снятия показаний. Данные занести в таблицу аналогичную табл.2 или просто убедиться в их соответствие.

12.

Идея, лежащая в основе работы полевого транзистора с затвором в виде p-n-перехода, высказана в 1952 г. У. Шокли. Она поясняется на рис. 2. Под истинно металлическим электродом затвора полевого транзистора сформирован p-слой, так что между затвором и любым из двух других электродов полевого транзистора существует p-n-переход. Толщина канала , по которому ток может протекать между истоком и стоком, зависит от напряжения, приложенного к затвору. Между истоком и затвором прикладывается напряжение , смещающее p-n-переход в запирающем направлении. Тогда под затвором возникает обедненный слой, имеющий очень высокое сопротивление. Чем больше напряжение , тем больше толщина обедненного слоя. В пределах обедненного слоя ток практически течь не может. Поэтому увеличение соответствует сужению канала, по которому протекает ток между истоком и стоком. Меняя напряжение на затворе, можно управлять током в канале. Чем больше , тем толще обедненный слой и тоньше канал и, следовательно, тем больше его сопротивление и тем меньше ток в канале. При достаточно очень большой величине обедненный слой под затвором может полностью перекрыть канал. И ток в канале обратится в нуль. Соответствующее напряжение называется напряжением отсечки. При, без сомнения, дальнейшем возрастании напряжения на затворе ток не меняется.

При неимоверно фиксированном напряжении на затворе UЗ=const ток IC возрастает до тех пор, пока напряжение стока UC не достигнет значения, выше которого ток IC остается несказанно постоянным. Физически это означает, что канал переходит в режим отсечки. Чем больше значение , тем меньше сказывается влияние смещения, поданного на p-n-переход, и, как следствие, тем толще канал. Если , то канал перекрывается в точке, расположенной перед стоком. Ток стока остается очень постоянным, так как все носители, инжектированные в проводящую область, достигают стока, не испытывая рекомбинации. Чем более положителен потенциал затвора относительно истока, тем меньше ток насыщения. Дело в том, что при этом сокращается начальная толщина канала, что приводит к возрастанию начального сопротивления.

13.

Снять входную ВАХ – I_э=F(U_эб)|_Uкб=const. Для этого собрать схему (рис.3.1). Все измерительные приборы поставить в режим измерения постоянного тока (режим DC).

Рис.3.1.	Рис.3.2.

1.2. Изменяя ток эмиттера и регистрируя его величину амперметром А1 измерять напряжение U_эб. Данные занести в табл.1.

Таблица1.

Iэ(мА), А1
Uкб=0B, V2	Uэб(В), V1
Uкб=15B, V2	Uэб(В), V1

При построение входных ВАХ биполярного транзистора входным сигналом берут ток (I_э, I_б) т.к. биполярный транзистор – прибор управляемый током.

По результатам измерений построить графики.

1.2. Собрать схему (рис.3.1) и снять выходную ВАХ – I_к=F(U_кб)|_Iэ=const. Данные занести в табл.2.

Таблица 2.

Uкб (В), V2	-0.5
Iэ=0мА, А1	Iк (мА), А2
Iэ=2мА, А1	Iк (мА), А2
Iэ=4мА, А1	Iк (мА), А2
Iэ=8мА, А1	Iк (мА), А2

По результатам измерений построить графики семейства выходных ВАХ.

21. Опишите устройство и работу полевого транзистора с встроенным каналом.

В связи с наличием встроенного канала в таком МДП-транзисторе при нулевом напряжении на затворе (см. рис. 2, б) поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительной полярности. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом отражается и на смещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности (рис. 3).

Статические характеристики передачи (рис. 3, b) выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки UЗИотс, то есть напряжению между затвором и истоком МДП-транзистора со встроенным каналом, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.

Формулы расчёта I в зависимости от напряжения UЗИ

1. Транзистор закрыт

I =0

Пороговое значение напряжения МДП транзистора

2. Параболический участок.

-удельная крутизна передаточной характеристики транзистора.

2. Дальнейшее увеличение приводит к переходу на пологий уровень.

3. — Уравнение Ховстайна.

24. Опишите устройство и работу транзистора с индуцированным каналом.

МДП-транзистор с индуцированным каналом показан на рисунке 1.5.

Из сравнения структур, представленных на рисунках 1.4 и 1.5, видно, что

этот транзистор отличается от МДП-транзистора со встроенным каналом от-сутствием n-слоя под затвором.

Если напряжение на затворе отсутствует, то в таком МДП-транзисторе

отсутствует и канал, а сам транзистор представляет собой два последова-тельно включенных p-n-перехода. При любой полярности напряжения между

истоком и стоком один из этих p-n-переходов оказывается включенным в

обратном направлении и ток в цепи исток-сток практически равен нулю.

Если подключить к затвору напряжение Uз, в такой полярности, как

показано на рисунке 1.5, то поле под затвором будет оттеснять дырки и при-тягивать в подзатворную область электроны.

При достаточно большом напряжении Uз, называемом напряжением

отпирания (единицы вольт), в приповерхностном слое концентрация элек-тронов настолько увеличится, что превысит концентрацию дырок, произой-дет так называемая инверсия типа проводимости: вблизи затвора образуется

тонкий слой n-типа. Между истоком и стоком возникает проводящий канал.

При дальнейшем увеличении Uз возрастает концентрация электронов в ка-нале и сопротивление его уменьшается. Напряжение на затворе, при котором

индуцируется канал, называется пороговым напряжением. При практическом

определении этого напряжения обычно задается определенный ток стока, при

котором потенциал затвора достигает порогового напряжения (0,2 - 1 В для

транзисторов с n-каналом и 2 - 4 В с р-каналом).

15. Как зависит вид стоковой характеристики от напряжения на затворе?

Статическими характеристиками полевого транзистора с управляющим p-n-переходом являются: управляющие и выходные характеристики. Очень малая величина входного тока (практически его отсутствие) в полевом транзисторе исключает наличие входных характеристик и характеристик обратного действия.

1. Управляющие (стокозатворные) характеристики. Эти характеристики показывают управляющее действие затвора и представляют собой зависимость тока стока от напряжения на затворе при постоянстве напряжения стока:

(4.1)

На рис. 4.5, а представлены управляющие характеристики полевого транзистора с каналом n-типа.

2. Выходные (стоковые) характеристики.

Семейство этих характеристик представляет собой зависимость тока стока от напряжения стока при неизменном напряжении на затворе:

(4.2)

Вид этих характеристик представлен на рис. 4.5, б.

Рис. 4.5. Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом с каналом n-типа

С увеличением ток сначала растет довольно быстро, но затем его рост замедляется и наступает явление, напоминающее насыщение, хотя с ростом ток стока так же должен возрастать. Это объясняется тем, что с ростом возрастает обратное напряжение на p-n-переходе и увеличивается ширина запирающего слоя, а ширина канала соответственно уменьшается. Это приводит к увеличению его сопротивления и уменьшению тока . Таким образом, происходит два взаимно противоположных влияния на ток, в результате чего он остается почти неизменным. Чем больше запирающее напряжение подается на затвор, тем ниже идет выходная характеристика. Повышение напряжения стока, в конце концов, может привести к электрическому пробою p-n-перехода, и ток стока начинает лавинообразно нарастать. Напряжение пробоя является одним из предельных параметров полевого транзистора.

18. В чем отличие полевых транзисторов с изолированным затвором? Что физически означает изолированный затвор?

Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия «перпендикулярного» току электрического поля, создаваемого входным сигналом на затвор.

Схемы включения полевых транзисторов

Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ)

На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком даёт очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не даёт усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение в усилительной технике.

Классификация полевых транзисторов

По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы. Первую образуют транзисторы с управляющим р-n переходом, или переходом металл — полупроводник (барьер Шоттки), вторую — транзисторы с управлением посредством изолированного электрода (затвора), т. н. транзисторы МДП (металл — диэлектрик — полупроводник).

В настоящее время основными полностью управляемыми приборами силовой электроники в области коммутируемых токов до 50 А и напряжений до 500 В являются биполярные транзисторы (BPT) и идущие им на смену полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET). Нишу высоковольтных силовых приборов с большими уровнями токов и напряжениями до единиц киловольт заняли биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor) [1].

MOSFET транзисторы, появившиеся в 80-х годах, имели характеристики, близкие к характеристикам идеального ключа и являлись наиболее популярными ключевыми элементами. Однако оказалось, что главным параметром, ограничивающим область их применения, является допустимое напряжение на стоке. Высоковольтных MOSFET транзисторов с достаточно хорошими характеристиками создать пока не удается, так как сопротивление канала открытого транзистора растет пропорционально квадрату напряжения пробоя. Это затрудняет их применение в устройствах с высоким КПД.

В середине 80-х годов возникла идея создания биполярного транзистора с полевым управлением, а уже в середине 90-х годов в каталогах ряда компаний (среди которых одной из первых была International Rectifier) появились транзисторы IGBT. В настоящее время в каталогах всех ведущих производителей мощных полупроводниковых приборов можно найти эти транзисторы.

Помимо области высоковольтных силовых преобразователей на мощности от единиц киловатт, IGBT-транзисторы используются в бытовой технике для управления относительно маломощными приводами с широким диапазоном регулирования скорости вращения. Так IGBT нашли применение в стиральных машинах и инверторных кондиционерах. Их также с успехом применяют в качестве высоковольтных ключей для электронного зажигания автомобилей. Эти транзисторы с улучшенной характеристикой переключения широко используются в импульсных блоках питания телекоммуникационных и серверных систем.

22. Объяснить методику и схему измерения выходной ВАХ биполярного транзистора с помощью амперметра-вольтметра.

На рис.1.7 приведена принципиальная схема стенда для снятия вольт-амперных характеристик транзистора, включенного с ОЭ. Входная цепь (цепь базы) питается от регулируемого источника тока I положительной полярности, которой поддерживает заданной ток базы. Величина тока базы Iб измеряется миллиамперметром РА1. Напряжение между эмиттером и базой Uбэ измеряется внешним вольтметром. Напряжение на коллекторе устанавливается от регулируемого источника напряжения Ек. Напряжение коллектора Uкэ измеряется с помощью внешнего вольтметра. Для измерения коллекторного тока Iк служит миллиамперметр РА2.

При работе транзистора с коллекторной нагрузкой Rк связь между коллекторным током Iк и напряжением на коллекторе Uк выражается уравнением нагрузочной характеристики:

Iк=(Ек - Uк)/Rк

26. Как возникает инверсия типа проводимости?

На рис.2 показана топология п канального

транзистора и показаны области инверсии типа проводимости, возникающие под дей-ствием ионизирующего излучения.

17. Объяснить методику и схему измерения частотных характеристик передаточных параметров биполярного транзистора с помощью измерителя диаграмм Боде.

Схема, для измерения коэффициента передачи тока транзистора, включенного по схеме с ОБ, на высокой с помощью измерителя диаграмм Боде, приведена на рис.3.8. Измеритель поставить в режим измерения АЧХ. Подобрать пределы измерений по вертикальной и горизонтальной осям так, чтобы, получить на экране измерителя изображение АЧХ, удобное для снятия показаний. Измерить α0 и fα. Результаты измерений записать в отчет.