Краткие теоретические сведения. Тема: Исследование полевого транзистора

Лабораторная работа №3

Тема: Исследование полевого транзистора

Цель: Развить умения по измерению характеристик транзисторов на примере полевых транзисторов разных типов и научить по характеристикам определить основные параметры полевых транзисторов.

Оборудование: ПЭВМ, программный пакет «Electronics Workbench».

Краткие теоретические сведения

Широкое распространение получили полевые транзисторы, иначе называемые канальными или униполярными в отличие от биполярных транзисторов. Главное достоинство полевых транзисторов – высокое входное сопротивление, которое может быть таким же, как у электронных ламп, и даже больше. Помимо высокого входного сопротивления полевые транзисторы имеют ряд преимуществ по сравнению с биполярными. Полевые транзисторы более температуростабильны, т. е. меньше изменяют свои характеристики и параметры при изменении температуры. Они могут хорошо работать в более широком интервале температур. Полевой транзистор создает меньшие шумы и обладает более высокой стойкостью к воздействию ионизирующего излучения. По радиационной стойкости эти транзисторы приближаются к электронным лампам. Недостаток многих полевых транзисторов – сравнительно невысокая крутизна стокозатворной характеристики.

Принцип устройства и включения полевого транзистора с управляющим n–р-переходом, а также его условное графическое обозначение показаны на рисунке 1. Пластинка из полупроводника, например, n-типа имеет на противоположных концах электроды (исток (u), сток (с)), с помощью которых она включена в выходную (управляемую) цепь усилительного каскада. Эта цепь питается от источника Е2, и в нее включена нагрузка Rн. Вдоль транзистора проходит выходной ток основных носителей. Входная (управляющая) цепь транзистора образована с помощью третьего электрода(затвора (з)), представляющего собой область с другим типом электропроводности. В дан­ном случае это р-область. Источник питания входной цепи Е1 создает на единственном n–р-переходе данного транзистора обратное напряжение. Во входную цепь включен источник усиливаемых колебаний ИК.

Рисунок 1 – Схема включения и условное графическое обозначение

полевого транзистора с n–p-переходом и каналом n-типа.

Стокозатворные и стоковые характеристики полевого транзистора с управляющим p–n-переходом и каналом n-типа показаны на рисунке 2.

Рисунок 2 – Стоковые (а) и стокозатворные (б) характеристики полевого транзистора

Дальнейшим развитием полевых транзисторов являются транзисторы с изолированным затвором. У них металлический затвор отделен от полупроводникового канала тонким слоем диэлектрика. Иначе эти приборы называют МДП-транзисторами (от слов «металл – диэлектрик – полупроводник») или МОП-транзисторами (от слов «металл – оксид – полупроводник»), так как диэлектриком обычно служит слой диоксида кремния SiO2.

Структура МОП транзистора с индуцированным (инверсным) каналом и его условное графическое изображение показаны на рисунке 3.

Рисунок 3 – Структура МОП транзистора с индуцированным (инверсным) каналом

Канал возникает только при подаче на затвор напряжения опре­деленной полярности. Стокозатворные и стоковые характеристики полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом n-типа показаны на рисунке 4.

а) б)

Рисунок 4 - Стокозатворные а) и стоковые б) характеристики полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом n-типа.

Понятно, что для включения транзисторов с каналом р – типа необходимо изменить полярность источников питания.

При этом стокозатворные и стоковые (выходные) характеристики станут зеркальным отображением относительно оси ординат характеристик для транзисторов с каналом n – типа, показанных на рисунках 2,4.

Разновидность полевых транзисторов – транзисторы с двумя затворами. Они предназначены для двойного управления током стока, что используется при преобразовании частоты. Выпускаются также двойные полевые транзисторы, у которых в одном корпусе размещены два транзистора с самостоятельными выводами.

(1)

Полевой транзистор характеризуется следующими параметрами. Основной параметр - крутизна S. Крутизна определяется по формуле

S = Δi_c /Δu_з-и при u_с-и = const,

где Δu_з-и - приращения напряжения между затвором и истоком;

Δi_c – соответствующее приращение тока стока

и может быть до нескольких миллиам­пер на вольт.

Крутизна характеризует управляю­щее действие затвора. Например, S = = 3 мА/В означает, что изменение напряжения затвора на 1 В создает изменение тока стока на 3 мА. Крутизна определяется по стокозатворной характеристике.

(2)

Второй параметр – внутреннее (вы­ходное) сопротивление R_i. Этот параметр представляет собой сопротивление транзистора между стоком и истоком (сопротивление кана­ла) для переменного тока и выражается формулой

R_i = Δu_с-и /Δi_c при u_з-и = const.

Сопротивление R_i определяется по выходной (стоковой) характеристике полевого транзистора.

На пологих участках выходных ха­рактеристик значение R_i достигает сотен килоом и оказывается во много раз больше сопротивления транзистора постоянному току R₀ (R₀ = U_cu/I_c при u_з-и = const).

R₀ – определяется на пологом участке выходной характеристики для произвольного напряжения U_cu.

Иногда пользуются еще третьим па­раметром – коэффициентом усиления μ, который показывает, во сколько раз сильнее действует на ток стока измене­ние напряжения затвора, нежели измене­ние напряжения стока. Коэффициент уси­ления определяется формулой

(3)

m = – Δu_с-и / Δu_з-и при i_c = const,

т. е. выражается отношением таких из­менений Δu_с-и и Δu_з-и, которые компен­сируют друг друга по действию на ток i_c, в результате чего этот ток остается постоянным. Так как для подобной компенсации Δu_с-и и Δu_з-и должны иметь разные знаки (например, увеличение Δu_с-и должно компенсироваться уменьшением Δu_з-и), то в правой части формулы (3) стоит знак «минус». Иначе, можно вместо этого взять абсолютное значение пра­вой части. Коэффициент усиления свя­зан с параметрами S и R_i простой зависимостью

(4)

m = SR_i.

Для пологих участков выходных ха­рактеристик m достигает сотен и даже тысяч. В начальной области этих харак­теристик, когда они идут круто (при малых u_с-и), значения всех трех парамет­ров уменьшаются.

(5)

Входное сопротивление полевого транзистора определяется, как обычно, по формуле

R_вх = Δu_з-и / i_з при Δu_с-и = const

Поскольку ток i_з – обратный ток n-р-перехода, а значит, очень мал, то R_вх достигает единиц и десятков мегаом. Полевой транзистор имеет также вход­ную емкость между затвором и истоком С_з-и, которая является барьерной ем­костью n-р-перехода и составляет еди­ницы пикофарад у диффузионных тран­зисторов и десятки пикофарад у сплав­ных. Меньшие значения имеет проход­ная емкость между затвором и стоком С_з-с, а самой малой является выходная емкость между истоком и стоком С_с-и.

Ход работы

2.1 Собрать электрическую цепь согласно схеме изображенной на рисунке 5. Для этого:

2.1.1 Запустить программу «Electronics Workbench»(версия 5.12) и открыть WEWВ32.EXE.

2.1.2 Перенести на рабочий стол программы все элетрорадиоэлементы (ЭРЭ) необходимые для сборки схемы .

2.1.3 По окончании сборки электрическая цепь должна выглядеть так же, как на рисунке 6:

Рисунок 5 - Схема включения полевого транзистора с управляющим p – n переходом и каналом р - типа

Рисунок 6 – Схема лабораторной установки для снятия стокозатворной и стоковой характеристик полевого транзистора.

2.2. Снять стокозатворную характеристику полевого транзистора, т.е. зависимость Iс = f(Uзи) при Uси = const. Для этого:

2.2.1 Выставить напряжение Uси = Uвых2 = Е2 в соответствии со значениями указанными в таблице 1. При этом необходимо учесть номер варианта, совпадающий с номером списка учащихся в классном журнале.

Таблица 1

№ вар

Uси,В

№ вар

Uси,В

2.2.2 Изменять Uвых1=Е1 = Uзи от 0 с шагом 0,25 В (контролируя напряжение по прибору РV1) до тех пор, пока значение Ic, контролируемое по прибору РА1, не станет равным 0 мА.(Ic – ток стока, Uзи – напряжение на затворе, относительно истока).

2.3 Данные занести в таблицу 2.

Таблица 2

Iс, мА

Uзи,В

Uси =

2.4. Снять стоковую (выходную) характеристику вида Ic = f (Uси) при Uзи=Е1= const. Для этого:

2.4.1 Установить по прибору РV1 Uзи в соответствии со значениями, указанными в таблице 3.

Таблица 3

№ вар
Uзи,В	0,5	0,55	0,6	0,65	0,7	0,75	0,8	0,85	0,9	0,95		1,05	1,1	1,15	1,2
№ вар
Uзи,В	1,25	1,3	1,35	1,4	1,45	1,5	1,55	1,6	1,65	1,7	1,75	1,8	1,85	1,9	1,95

2.4.2 Изменять Uси с помощью регулировки U_вых2 = Е2 с шагом 0,2В от 0 до 1В и с шагом 1В до 10В, измерять его по прибору РV2 и контролировать по прибору РА1 ток Ic.

2.4.3 Результаты измерений занести в таблицу 4.

Таблица 4

Uси,В

Iс, мА

Uзи =

2.5 Собрать электрическую цепь согласно схеме, показанной на рисунке 7. Для этого:

Рисунок 7 – Схема включения полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом р – типа.

2.5.1 Перенести на рабочий стол программы «Electronics Workbench» все ЭРЭ, необходимые для сборки схемы.

2.5.2 По окончании сборки электрическая цепь должна выглядеть так же как на рисунке 8 (при этом модель транзистора – ideal)

Рисунок 8 – Схема лабораторной установки для снятия стокозатворной характеристики полевого транзистора

2.6 Снять стокозатворную характеристику полевого транзистора, т.е зависимость Ic = f(Uзи) при Uси = const.

Для этого:

2.6.1 Выставить напряжение Uси = Uвых₂ = Е₂ в соответствии со значениями, указанными в таблице 5.

Таблица 5

№ вар

Uси,В

№ вар

Uси,В

Таблица 6

Uзи,В

Iс, мА

Uси =

2.6.2 Изменять Uвых1=Е1 = Uзи от 0 с шагом 1В (контролируя напряжение по прибору PV1) до тех пор, пока значение Iс, контролируемое по прибору РА1, не станет равным 1мА.

2.6.3 Данные занести в таблицу 6.

2.7 Снять стоковую (выходную) характеристику полевого транзистора вида Ic = f(Uси) при Uзи = const. Для этого:

2.7.1 Установить по прибору PV1 напряжение Uзи в соответствии со значениями, указанными в таблице 6

Таблица 6

№ вар
Uзи,В												15,5		16,5
№ вар
Uзи,В	17,5		18,5		19,5		20,5		21,5		22,5		23,5

2.7.2 Изменять Uси = Uвых₂ = Е₂ с помощью регулировки Uвых₂ с шагом 0,2 В до 1 В и с шагом 1В до 10В, измерять Uси с помощью прибора PV2, а с помощью прибора РА1 контролировать ток стока Iс.

2.7.3 Результаты измерений занести в таблицу 7

Таблица 7

Uси,В

Iс, мА

Uзи =

2.8 Построить стокозатворные и стоковые (выходные) характеристики полевых транзисторов с управляющим p – n переходом и изолированным затвором и по ним определить основные параметры полевых транзисторов: крутизну S, внутреннее (выходное) сопротивление транзистора Ri, сопротивление транзистора постоянному току Rо, коэффициент усиления µ. Параметры S, Ri, Rо, µ необходимо определить по соответствующим формулам, размещенным в кратких теоретических сведениях и пометить в таблице 8.

3 Отчёт должен содержать:

3.1 Тему и цель работы.

3.2 Перечень использованного оборудования.

3.3 Краткие теоретические сведения

3.3 Ход работы.

3.4 Таблицы с результатами экспериментов, рисунки.

3.5 Графическую часть.

3.6 Выводы.

3.7 Ответы на контрольные вопросы.

Таблица 8

Параметры   Тип транзистора	S	Ri	Rо	µ
С управляющим p – n переходом
С изолированным затвором

Примечание: приращения напряжений и соответствующие им приращения токов необходимо устанавливать самостоятельно по методу двух точек.

Контрольные вопросы

4.1 Дать классификацию полевых транзисторов.

4.2 В чём преимущества полевых транзисторов перед биполярными?

4.3 Какие транзисторы исследовались в работе?

4.4 В чём особенности транзистора МДП со встроенным каналом?

4.5 Каков принцип действия транзистора с управляющим p-n-переходом?

4.6 Чем отличаются результаты экспериментов и характеристик, разме-

щенных в справочной литературе и почему?