Главная страница
Навигация по странице:

  • Теоретическое обоснование работы.

  • Тип транзистора N – каналом Р – каналом

  • Порядок проведения работы.

  • Контрольные вопросы.

  • Методические указания к лабораторной работе1. Лабораторная работа "Исследование полевых транзисторов"


    Скачать 0.67 Mb.
    НазваниеЛабораторная работа "Исследование полевых транзисторов"
    АнкорМетодические указания к лабораторной работе1.doc
    Дата07.05.2017
    Размер0.67 Mb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлаМетодические указания к лабораторной работе1.doc
    ТипЛабораторная работа
    #2840
    КатегорияЭлектротехника. Связь. Автоматика

    Лабораторная работа

    "Исследование полевых транзисторов"
    Цель работы: Изучение устройства и принципа действия полевых транзисторов. Снятие статических характеристик и определение по ним параметров транзисторов.
    Теоретическое обоснование работы.
    Биполярные транзисторы управляются током, вследствие чего имеют малое входное сопротивление, что в ряде случаев является недостатком. Поэтому были разработаны специальные транзисторы с большим входным сопротивлением - полевые транзисторы. Термин "полевой" подчеркивает, что управление выходным током в этом полупроводниковом приборе осуществляется электрическим полем, а не током, как в биполярных транзисторах.

    Для того, чтобы управлять током в полупроводнике с помощью электрического поля, нужно менять либо площадь проводящего полупроводникового слоя, либо его удельную проводимость. В полевых транзисторах используют оба способа, и соответственно, различают две разновидности полевых транзисторов: транзистор с управляющим p-n переходом и МДП - транзисторы (структура металл-диэлектрик-полупроводник).

    МДП - транзисторы, в свою очередь, подразделяют на МДП - транзисторы с индуцированным и со встроенным каналом. Работа полевых транзисторов основана на использовании только одного типа носителей - основных, поэтому они еще называются униполярными.

    Основным элементом полевого транзистора с управляющим p-n переходом (рис. 1) является пластина полупроводника n-типа, на которую с двух сторон нанесены слои полупроводника p-типа. На торцы полупроводниковой пластины n-типа и на две области p-типа нанесены металлические пленки, к которым припаяны омические контакты, а два слоя p-типа соединены между собой; электрод, образованный двумя слоями p-типа, называют затвором (З). Один из электродов, подключенный к полупроводнику n-типа, от которого движутся электроны, называют истоком (И), а электрод, к которому движутся электроны - стоком (С). Между полупроводниками с разными типами электропроводности образуются два электронных перехода. Тонкий слой полупроводника n-типа, расположенный между двумя p-n переходами, называют проводящим каналом.

    В основе работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом лежит изменение площади поперечного сечения проводящего канала. Когда напряжение проводящего канала на p-n переходе равно нулю, площадь поперечного сечения проводящего канала максимальна, а электрическое сопротивление между источником минимально. Если подвести к затвору внешнее напряжение Uзи такой полярности, чтобы оба p-n перехода были смещены в обратном направлении, то в проводящем канале появится обедненный слой (слой изолятора), который уменьшает площадь поперечного сечения проводящего канала. Это приводит к возрастанию электрического сопротивления между источником и стоком транзистора. Изменяя напряжение Uзи, можно регулировать электрическое сопротивление проводящего канала.




    Рис.1. Конструкция полевого транзистора с n-каналом
    Если между истоком и стоком подвести внешнее напряжение Uси("минус" к истоку), то под влиянием разности потенциалов в полупроводниковой пластинке n-типа начнется дрейф электронов от источника к стоку, который создает ток стока Ic. Этим током можно управлять, изменяя напряжение как Uзи, так и Uси. При этом включение напряжения Uсименяет конфигурацию проводящего канала. Это связано с тем, что при наличии напряжения Uсипотенциалы канала стокового и истокового концов оказываются равными. Напряжение на p-n переходе у истокового конца равно Uзи, а у стокового конца Uзи+Uси, поэтому объединенная область у стокового конца будет шире, чем у истокового (см. рис.1).

    При некотором отрицательном напряжении Uзи обедненные слои обоих переходов могут сомкнуться, площадь поперечного сечения проводящего канала станет равной нулю, сопротивление канала окажется равным бесконечности, а ток Ic равный нулю – транзистор закрыт. Напряжение между затвором и истоком, при котором транзистор закрывается, называют напряжением отсечки Uзи отс.

    Работа МДП - транзистора основана на изменении удельного сопротивления канала. При создании разности потенциалов между объемом полупроводника и изолированным электродом (затвором) у поверхности полупроводника образуется слой с концентрацией носителей зарядов, отличной от концентрации в остальном объеме полупроводника - канал, сопротивлением которого можно управлять, изменяя напряжение на затворе (см. рис.2)





    а) б)
    Рис.2. Полевые транзисторы с а) индуцированным,

    б) со встроенным каналами
    В МДП - транзисторе с индуцированным каналом (рис.2,а) при Uзи=0 канал отсутствует, а между стоком и истоком оказываются встречно включенными два p-n переходом, поэтому ток Iс в этом случае практически равен нулю. Если подать на затвор положительное напряжение (Uзи>0), то возникающее при этом электрическое поле будет отталкивать дырки вглубь p-полупроводника. При некотором пороговом напряжении между стоком и истоком накапливается достаточный слой электронов - создается проводящий канал. Толщина этого канала, равная 1-2 нм, практически неменяется при изменении напряжения Uзи. Сопротивление канала зависит только от концентрации электронов в нем, поэтому, изменяя Uзи, можно менять ток такого

    МДП - транзистора. В МДП - транзисторе со встроенным каналом (рис.2,б) при Uзи=0 между стоком и истоком будет некоторый ток I'c. Такие транзисторы работают как при положительных, так и при отрицательных напряжениях на затворе. При отрицательном напряжении наблюдается режим обеднения, когда электрическое поле, создаваемое напряжением Uзи, выталкивает электроны из канала, уменьшая его удельную проводимость. При положительном напряжении Uзи наблюдается режим обогощения, когда электрическое поле втягивает электроны в канал из p-области, что увеличивает удельную проводимость канала.

    В качестве исходной полупроводниковой пластинки во всех видах полевых транзисторов могут быть использованы полупроводники как n-типа, так и p-типа. Поэтому различают полевые транзисторы n- и p- типов. В настоящее время используются шесть видов полевых транзисторов, (таблица 1)
    Таблица 1





    Тип транзистора N – каналом Р – каналом




    С управляющим p-n-

    переходом



    МДП с индуцирован-

    ным каналом



    МДП со встроеным

    каналом




    Наиболее полно работа полевых транзисторов описывается семейством выходных статических вольт-амперных характеристик (рис. 3), которые для всех типов полевых транзисторов практически одинаковы.

    а) б) в)
    Рис.3. Статические ВАХ транзисторов; полевых с управляющим p-n переходом - (а), и МДП с индуцированным - (б), и встроенным - (в) - каналом.
    Начнем с характеристики Ic=f(Uси) при Uзи=0 полевого транзистора с управляющим p-n переходом. При малых значениях Uси ток Ic увеличивается с ростом Uси почти по линейному закону. Затем наступает режим насыщения, при котором рост тока Icс повышением напряжения практически прекращается. Это происходит потому, что с увеличением тока площадь поперечного сечения проводящего канала уменьшается и при достаточно больших значениях Ic наступает своеобразное динамическое равновесие – увеличение тока Ic вызывает сужение канала, которое приводит к уменьшению тока и наоборот. При достаточно большом напряжении Uси наблюдается резкий рост тока Ic, обусловленный электрическим пробоем p-n-перехода у стокового конца канала.

    При Uзи<0 вид характеристики Ic=f(Uси) будет таким же, как и при Uзи=0, только из-за того, что превоначальная площадь поперечного сечения проводящего канала будет меньше, начальное значение тока I 4c 0 также будет меньше. Уменьшается и напряжение насыщения, и напряжение пробоя.

    Отличие выходных характеристик разных типов МДП - транзисторов (рис.3.б,в) заключается в расположении характеристик при Uзи=0. В МДП - транзисторе со встроенным каналом (рис.3.в) эта характеристика располагается посредине семейства. Выше ее идут характеристики, соответствующие режиму обогощения, а ниже - режиму обеднения.

    Рассмотренные выше характеристики МДП - транзисторов справедливы для случая, когда его подложка (П) соединена с истоком. Подложку можно также использовать в качестве дополнительного электрода, напряжение на котором управляет током в проводящем канале транзистора. В этом случае подложку называют нижним затвором. Механизм управления током оказывается совершенно аналогичным механизму действия затвора, а семейство характеристик Ic=f(Uси) при Uпи=const имеет тот же вид, что и характеристик при Uзп=const.

    Основными параметрами полевых транзисторов является: крупизна характеристики S, коэффициент усиления и внутреннее сопротивление Ri. Крутизной характеристики полевого транзистора называют отношение изменения тока стока к вызвавшему его изменению напряжения на затворе при U=const:
    S = Ic Uзи
    Коэффициент усиления полевого транзистора называют отношение изменения напряжения стока и вызвавшему его изменению напряжения на затворе при Ic=const
    = U Uзи
    Внутренним сопротивлением R 4i 0 полевого транзистора называют отношение изменения напряжения стока к соответствующему изменению тока стока при U 4зи 0=const:
    Ri = U Ic
    Коэффициент усиления, кривизна характеристики и внутреннее сопротивление полевого транзистора связаны между собой соотношением:
    m = Si
    Рабочей областью полевых транзисторов является область динамического равновесия, в которой S = 0.3 - 3 мА/В, а Ri - составляет несколько мегаом. Важнейшими особенностями полевых транзисторов является их очень высокие входное сопротивление (до 1015 Ом) и граничная частота (до 1 ГГц). С конструктивной точки зрения полевые транзисторы, особенно МДП - транзисторы, являются весьма прогрессивными активными элементами.
    Порядок проведения работы.
    Для проведения лабораторной работы необходимы: ГН1, ГН2, АВМ1, АВМ2, осцилограф С1-73, транзистор КП103.

    1. Собирается схема согласно передней лицевой панели 7. 2. Ручки регулировки ГН1 установит в крайнее левое поло-

    жение, ГН2 в крайнее левое положение. Тумблер АВМ1-АВО в положение АВМ1. Тумблер АВМ2-МВ в положение АВМ2. Предел измерения АВМ1 - 5 мА. Предел измерения АВМ2 - 1 В. Чувствительность осцилографа С1-73 : 2 В/дел. Вход У - открытый ( ).

    После проверки правильности монтажа схемы преподавателем, включить тумблер "СЕТЬ".

    3. Изменяя напряжение затвор - исток UGS в пределах 0 - +2В, замеряю ток стока ID при постоянных напряжениях на стоке: UDS1 = -5 В, UDS2 = -10 В, UDS3 = -15 В. Напряжение на стоке необходимо поддерживать постоянным независимо от тока ID. Данные заносятся в таблицу 1.
    Таблица 1



    UGS, B

    2.0

    1.6

    1.4

    1.2

    1.0

    0.8

    0.6

    0.4

    0.2

    0.1

    0

    IDS, мА при UDS=-5В



































    IDS, мА при UDS=-10В



































    IDS, мА при UDS=-15В





































    4. Изменяя напряжение, сток-исток UDS от 1.0 до 15.0 В при постоянных напряжениях затвор-исток UGS=1.0; 0.6; 0.2; 0В замеряют ток стока ID. Данные заносятся в таблицу 2.


    Таблица 2


    UDS, B

    1

    2

    4

    6

    8

    10

    12

    15




    ID, мА при UGS=1В




























    ID, мА при UGS=0.6В




























    ID, мА при UGS=0.2В




























    ID, мА при UGS=0В





























    5. После проведения измерений все ручки управления привести в исходное положение, выключить стенд, осцилограф С1-73, отсоединить провода.

    По таблице 1 строят переходные характеристики, по таблице 2 строят выходные характеристики полевого транзистора, включенного по схеме с общим истоком.

    6. Ответить на контрольные вопросы.
    Контрольные вопросы.


    1. Устройство полевого транзистора.

    2. Классификация и обозначение полевых транзисторов.

    3. Принцип действия полевого транзистора с p-n переходом.

    4. Принцип действия полевого транзистора с МДП - транзистора.

    5. Характеристики полевых транзисторов.


    Литература.


    1. Жеребцов И.П. Основы электроники. –Л.:Энергоатомиздат, 1985.

    2. Основы промышленной электроники/Под ред. Герасимова В.Г. – М.:Вышая школа, 1986.

    3. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. –М.: Энергоатомиздат, 1983



    написать администратору сайта