Теоретические сведения. Лабораторная работа 10

Лабораторная работа 10

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

Цель работы

1. Ознакомление с принципом действия и статическими характеристиками полевого транзистора.

2. Построение графиков характеристик полевого транзистора.

3. Нахождение по полученным зависимостям крутизны, напряжения отсечки и максимального тока стока полевого транзистора КП103.

Теоретические сведения

В 1948 г. американские ученые Дж. Бардин и В. Браттейн создали полупроводниковый триод, или транзистор. В.Шокли в 1952 г. дал теоретическое описание принципа действия нового полупроводникового прибора, который он назвал униполярным полевым транзистором. В отличие от биполярного транзистора его действие основано на модуляции тока основных носителей заряда в полупроводнике за счёт изменения поперечного сечения токопроводящего канала. Причём модуляция сечения канала осуществляется путем расширения или сужения области объёмного заряда (ООЗ) р-n-перехода. Такие приборы называют полевыми транзисторами с р-n-переходом в качестве затвора. В 1966 г. была предложена разновидность этого прибора, в котором вместо р-n-перехода использовался выпрямляющий контакт металл–полупроводник. Такие приборы называются полевыми транзисторами металл–полупроводник (МП-транзисторы), или полевыми транзисторами с барьером Шоттки (канальные полевые транзисторы).

В 1960 г. была создана принципиально новая разновидность полевого транзистора, в которой металлический электрод структуры металл–окисел–полупроводник (МОП) управляет проводимостью приповерхностного слоя полупроводника, заключенного между двумя обратносмещенными p-n-переходами. Этот прибор называется МДП- или МОП-транзистором, или транзистором с изолированным затвором. Кроме того, примерно в то же время была предложена конструкция тонкопленочного полевого транзистора с изолированным затвором, в котором использовались тонкие поликристаллические плёнки полупроводников, напылённые на диэлектрическую подложку. Однако этот тип полевого транзистора не нашёл достаточно широкого применения в связи с неполным решением проблемы стабильности параметров и захвата носителей на ловушки в поликристаллических пленках.

Итак, различают шесть различных типов полевых транзисторов (рис. 1).

Управляющим электродом является затвор З. Он позволяет управлять величиной сопротивления между стоком С и истоком И. Управляющим напряжением является напряжение U_зи . Большинство полевых транзисторов являются симметричными, т.е. их свойства не изменяются, если электроды С и И поменять местами. В транзисторах с управляющим переходом затвор отделен от канала СИ n-p- или p-n-переходом. При правильной полярности напряжения диод, образуемый переходом затвор-канал, запирается и изолирует затвор от канала; при противоположной полярности он отпирается. У полевых транзисторов с изолированным затвором, или МОП-транзисторов, затвор отделен от канала СИ тонким слоем SiO₂ . При таком исполнении транзистора ток через затвор не будет протекать при любой полярности напряжения на затворе. Реальные токи затворов полевых транзисторов с управляющим переходом от 1 пА до 1 нА , а для МОП-транзисторов они в среднем меньше в 10³ раз. Входные сопротивления для транзисторов с управляющим переходом составляют от 10¹⁰ до 10¹³ 0м, а для МОП-транзисторов – от 10¹³ до 10¹⁵ Ом.

Аналогично делению биполярных транзисторов на p-n-p- и n-p-n-транзисторы полевые транзисторы делятся на p-канальные и n-канальные. У n-канальных полевых транзисторов ток канала становится тем меньше, чем сильнее падает потенциал затвора. У p-канальных полевых транзисторов наблюдается обратное явление. Замена n-канальных транзисторов на p-канальные возможна, если поменять знак напряжения питания, а также соответственно изменить полярность включения используемых в схеме диодов и электрических конденсаторов.

Через полевые транзисторы с управляющим переходом при напряжении U_зи = 0 В протекает наибольший ток стока. Такие транзисторы называют нормально открытыми. Аналогичные свойства имеют МОП-транзисторы обеднённого типа. Наоборот, МОП-транзисторы обогащенного типа запираются при величинах U_зи , близких к нулю. Их называют нормально закрытыми. Ток стока протекает через n-канальные МОП-транзисторы обогащённого типа тогда, когда U_зи превышает некоторое положительное значение. Существуют МОП-транзи­сторы, промежуточные между транзисторами обеднённого и обогащенного типа, в том числе и такие, через которые при U_зи = 0 В протекает некоторый средний ток канала.

У n-канальных полевых транзисторов к выводу истока необходимо приложить более отрицательный потенциал, чем к выводу стока. В симметричном n-канальном транзисторе любой из выводов канала, к которому подведён более низкий потенциал, может служить в качестве вывода истока.

В МОП-транзисторах часто делают четвертый вывод от так называемой подложки. Этот электрод, как и затвор, также может выполнять управляющие функции, но он отделен от канала только p-n-переходом. Управляющие свойства подложки обычно не используют, а ее вывод соединяют с выводом истока. Если же требуется два управляющих электрода, то используют так называемые МОП-тетроды или двухзатворные МОП-транзисторы, имеющие два равноценных затвора.

У МОП-транзисторов следует обращать особое внимание на предельно допустимое напряжение на затворе транзистора, лежащее в пределах 50–100 В. При превышении этого напряжения может произойти пробой оксидного слоя затвора, и транзистор будет необратимо поврежден. Такие перенапряжения легко могут возникнуть вследствие высокого входного сопротивления и малой входной ёмкости транзистора, составляющей несколько пикофарад. Особенно опасны статические заряды, которые могут привести к пробою транзистора даже при касании его рукой. Поэтому при пайке МОП-транзисторов следует заземлять паяльник, прибор и самого монтажника.

Для защиты МОП-транзисторов между затвором и подложкой иногда включают стабилитроны. При этом значительно уменьшается входное сопротивление, которое становится соизмеримым с входным сопротивлением полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом.

Работа полевых транзисторов основана на движении основных носителей заряда в полупроводнике. Управление током в выходной цепи осуществляется управляющим напряжением, поэтому их усилительные свойства, как и у электронных ламп, характеризуются крутизной. Они обладают высоким входным сопротивлением: входное сопротивление по постоянному току у германиевых канальных полевых транзисторов достигает 10⁶ Ом, у кремниевых – 10⁹ Ом, у полевых транзисторов с изолированным затвором – 10¹⁵ Ом.

Полевой транзистор в качестве элемента схемы представляет собой активный несимметричный четырёхполюсник, 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 и входом на затвор (рис.2);

– с общим стоком и входом на затвор (рис.3);

– с общим затвором и входом на исток (рис.4).

По аналогии с ламповой электроникой, где за типовую принята схема с общим катодом, для полевых транзисторов типовой является схема с общим истоком, и характеристики элементов четырёхполюсника удобней всего определять в системе приводимостей, или y-параметров. В общем виде уравнения четырёхполюсника в системе y-параметров записываются так:

где I_вх , I_вых ,U_вх ,U_вых – малые приращения токов и напряжении на входе и выходе четырёхполюсника.

Эквивалентная схема полевого транзистора, элементы которой выражены через y-параметры, приведена на рис. 5. При таком подключении каждая из проводимостей имеет точный физический смысл.

Входная проводимость определяется проводимостью участка затвор–исток: .

Выходная проводимость определяется проводимостью участка сток–исток: .

Функция прямой передачи определяется крутизной вольтамперной характеристики: .

Функция обратной передачи определяется проходной проводимостью: .

Эти параметры принимаются за первичные параметры полевого транзистора, используемого в качестве четырёхполюсника.

В настоящее время наряду с у-параметрыетрами полевых транзисторов часто приводятся значения максимального тока стока I_с , напряжения отсечки U_отс и крутизны S .

Максимальный ток стока I_с – ток стока при напряжении на стоке, равном напряжению насыщения, и нулевом напряжении смещения на затворе.

Напряжение насыщения u_нас – напряжение на стоке, при котором наступает насыщение тока стока при нулевом смещении на затворе.

Напряжение отсечки U_отс – напряжение на затворе, при котором ток стока равен нулю.

Максимальное напряжение между стоком и затвором U_сз,max – при превышении этого напряжения возможен пробой между стоком и затвором,

Пороговое напряжение U_пор – напряжение на затворе, при котором возникает ток стока. Является характеристическим параметром полевого транзистора с изолированным затвором.

Принцип действия и статические характеристи­ки полевого транзистора с p-n-переходом в качестве затвора

В лабораторной работе мы будем исследовать полевой транзистор с p-n-переходом в качестве затвора и включение его по схеме с общим истоком. В простейшем случае полевой транзистор представляет собой параллелепипед из монокристаллического полупроводника (Ge, Si или GaAs) n- или p-типа проводимости, име­ющий два омичес­ких контакта, один из которых называется истоком, а другой – стоком, и два p-n-перехода (рис. 6).

Через исток основные носители заряда входят в полупроводник, а через сток выходят. Далее для определенности будем рассматривать транзистор из полупроводника n-типа. В этом случае с двух противоположных сторон параллелепипеда перпендикулярно линиям тока располагаются p⁺-n-переходы. Область полупроводника, заключенная между переходами, называется каналом.

При изменении величины обратного смещения на p⁺-n-переходах меняется ширина их ООЗ и, следовательно, поперечное сечение и сопротивление токопроводящего канала. Таким образом, полевой транзистор представляет собой резистор, управляемый напряжением на p⁺-n-переходе, который называют затвором. В реальных транзисторах ширина Канада настолько мала, что он полностью перекрывается расширяющимися областями объёмного заряда при обратном смещении на p⁺-n-переходах, значительно меньшем напряжения их пробоя.