Цель работы: Исследование статических характеристик полевых транзисторов с управляющим р-n переходом, определение их параметров.
Работа выполняется студентами за 2 часа аудиторных занятий.
1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Как известно, полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком подвижных носителей заряда одного знака (или электронов, или дырок) через проводящий канал, управляемым электрическим полем (отсюда и название: полевые). В полевом транзисторе с p-n переходом (в дальнейшем будем обозначать ПТ) управление током через канал осуществляется электрическим полем обратно смещенного p-n перехода.
1.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
На рис.1 показано схематическое изображение ПТ с n-каналом и затвором в виде p-n перехода, а условные обозначения – на рис.2. Транзистор состоит из полупроводника с двумя омическими контактами. При подключении напряжения между этими контактами один из них играет роль истока, а другой – стока. Исток – электрод, через который в проводящий канал втекают носители заряда. Сток – электрод, через который носители заряда вытекают. Третьим электродом является затвор, образующий с основным полупроводником p-n переход. К р-п переходу (затвору) прикладывается обратное смещение, которое позволяет управлять сечением проводящего канала.
Рис.1.Структура и схема включения полевого транзистора.
Рис.2. Условные обозначения полевых транзисторов.
Область затвора (в данном случае р-типа) делают низкоомной, т.е. с высоким уровнем легирования, поэтом при смещения р-п перехода затвор-канал в обратном направлении почти вся область обеднения приходится на канал. Следовательно, при увеличении напряжения на затворе происходит увеличение области обеднения, а значит уменьшение
сечения проводящей части канала или увеличения сопротивления канала.
Полярность напряжений на рис.1 соответствует n-канальному полевому транзистору. Для транзистора с p-каналом полярность напряжений обратная. Электрод истока обычно заземлен и напряжения на электродах стока и затвора прикладываются относительно истока. Когда Uз=0, сечение канала максимально, если приложить напряжение к стоку (положительное по отношению к истоку), то возникает ток через канал от истока к стоку. Величина этого тока при определенном Uси будет определяться сопротивлением канала и Rн. При подаче отрицательного напряжения на затвор, сечение канала уменьшается, сопротивление возрастает, ток стока уменьшается. Изменение напряжения затвор – исток приводит к изменению размеров областей обеднения, т.е. к изменению сопротивления канала. Канал может быть почти полностью перекрыт, и тогда сопротивление между истоком и стоком будет очень велико (десятки МОм), а ток стока будет равен практически нулю. Напряжение между затвором и истоком, при котором ток стока достигает заданного низкого значения (Iс→0), называется напряжением отсечки Uотс.
Если напряжение Uси = 0, то канал транзистора эквипотенциален и толщина канала одинакова на всем протяжении. При небольших значениях напряжения Uси ток в цепи стока возрастает практически линейно (крутая область зависимости). При большем увеличении этого напряжения надо учитывать падение напряжения вдоль канала. Значит, разность потенциалов между затвором и каналом в направлении стока увеличивается, т.е. управляющий р-n переход в направлении стока все больше смещается в обратном направлении, соответственно сечение канала вблизи области стока сужается (см. рис.1.). При дальнейшем увеличении напряжения Uси сужение канала вблизи области стока приближается к его перекрытию. Наступает состояние, когда резко возрастает сопротивление канала, приводящее к прекращению роста тока Iс (наступает режим насыщения тока стока). Полное перекрытие канала получить нельзя, так как само сужение является следствием увеличения тока стока.
При напряжениях Uси > Uнас происходит только укорочение канала; т.е. увеличение перекрытия области обеднения, а потенциал в области стока сохраняет значение Uнас, которое было в начале насыщения. После образования горловины канала ток в рабочей цепи практически перестает зависеть от напряжения на стоке – наступает насыщение тока (откуда и название напряжения Uнас). Т.е. напряжения насыщения – это напряжение между стоком и истоком, при котором ток в цепи стока практически перестает изменяться (насыщается) при дальнейшем увеличении Uси. При Uз=0 напряжение насыщения равно напряжению отсечки Uотс.: |Uнас| = |Uотс|. Если напряжение на затворе, смещающее управляющий р-п переход в обратном направлении увеличить, то наступает расширение р-п перехода, канал сузится, его сопротивление увеличится и сток-истоковая статическая характеристика сместится в область меньших токов стока. Переход в режим насыщения в этих характеристиках наступает при меньших напряжениях стока: |Uнас|= |Uотс| – |Uз|.
При значительном увеличении напряжения сток-исток начинается резкий рост тока, связанный с пробоем управляющего р-п перехода в цепи сток-затвор.
1.2. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Важной характеристикой полевых транзисторов являются характеристики прямой передачи или сток – затворные характеристики, т.е. зависимость тока стока от напряжения на затворе Ic = f(Uз) при Uси = соnst, которые показаны на рис.3а. Причем |Uси1| > |Uси2| > |Uси3|.
Выходные статические характеристики показаны на рис.3б и представляют собой семейство зависимостей тока стока от напряжения сток – исток при фиксированных напряжениях на затворе: Ic = f(Uси) при Uзи = соnst. На них можно выделить три участка. Первая область характеризуется резким изменением тока при изменении напряжения. Она называется крутой областью характеристики. Вторая область – область насыщения или пологая область. И третья область – область пробоя. Также |Uзи1|<|Uзи2|<|Uзи3|.
Входная характеристика полевого транзистора с управляющим р-п переходом (обычно входной цепью является цепь затвор – исток) представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики р-п перехода: Iз=f(Uзи).
Управление полевым транзистором осуществляется напряжением на затворе. Поэтому для количественной оценки управляющего действия затвора используют крутизну характеристики: s=dIc/dUзи при Uси=const. Крутизна характеристики достигает максимального значения при Uзи=0. Крутизну характеристики полевого транзистора можно определить графоаналитическим способом. Для этого необходимо провести касательную к стокзатворной характеристики в точке Uзи=0. Наклон этой касательной и определит значение S.
Усилительные свойства полевых транзисторов характеризуются коэффициентом усиления K= dUси/dUзи при Ic=const. Коэффициент усиления связан с крутизной характеристики и внутренним сопротивлением уравнением: K=S rc, где rc внутреннее дифференциальное сопротивление rc=dUси/dIc при Uзи=const.
1.3. Стабильность параметров
При изменении температуры параметры и характеристики полевых транзисторов с управляющим р-п переходом изменяются из-за воздействия следующих факторов: изменения обратного тока закрытого р-п перехода, изменения контактной разности потенциалов р-п перехода, изменение удельного сопротивления канала.
Обратный ток у закрытого р-п перехода возрастает по экспоненциальному закону при увеличении температуры. Если в цепи затвора транзистора стоит внешнее большое сопротивление, то падение напряжения на нем, вызванное изменившимся током, может существенно изменить напряжение на затворе.
Контактная разность потенциалов уменьшается при увеличении температуры. При неизменном напряжении на затворе это приводит к увеличению тока стока.
Так как температурный коэффициент, характеризующий изменение удельного сопротивления канала, положителен, то ток стока при увеличении температуры будет уменьшаться. Это открывает возможность правильным выбором положения рабочей точки транзистора взаимно компенсировать изменения тока стока, вызванные изменением контактной разности потенциалов и удельного сопротивления канала. В итоге ток стока будет почти постоянным в широком диапазоне температур.
Рабочую точку, в которой изменения тока стока с изменением температуры имеет минимальное значение называют термостабильной точкой. Ее ориентировочное положение можно найти из уравнения:
Uзи т.= Uотс.- 0.63 В.
Современные полевые транзисторы, выполненные на основе кремния, работоспособны до температур 120-150 0С. Обычно они включаются в схемы усилительных каскадов с общим истоком и общим стоком (см. рис.4). Входной усиливаемый сигнал подается на затвор, меняется потенциал затвора, а соответственно изменяются токи стока и истока, а также падение напряжения на нагрузочном резисторе. Приращение падения напряжения на резисторе R при большем его значении значительно больше изменения входного сигнала. За счет этого осуществляется усиление сигнала.
Основным преимуществом полевых транзисторов с управляющим р-п переходом перед биполярными являются высокое входное сопротивление, малые шумы, простота изготовления, отсутствие в открытом состоянии остаточного напряжения между истоком и стоком открытого транзистора.
основные ПАРАМЕТРЫ Полевых транзисторов
1. Крутизна характеристики S=dIc/dUзи при Uси=const.
2. Внутреннее сопротивление rc=dUси/dIc при Uзи=const.
3. Коэффициент усиления K= dUси/dUзи при Ic=const.
Эти три параметры связаны соотношением: K=S rc
4. Напряжение отсечки Uзиотс..
5. Постоянный ток стока Ic.
6. Максимальная (предельная) частота усиления fпр.
7. Входное сопротивление Rзи.
8. Емкость затвор-канал Сз.
В усилительной технике используются пологие участки вах – область насыщения. Этой области свойственны наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления.
2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА
Лабораторный макет данной работы, схематически показанный на лицевой панели макета (рис.5), позволяет измерять сток-затворные и стоковые характеристики полевых транзисторов, определять их основные статические параметры.
Измерительные приборы: амперметр, вольтметр подсоединяются к соответствующим гнездам, как показано на лицевой панели.
Двухполярное питание "-E" и "+E" в макете реализуется за счет преобразования однополярного напряжения (30 В) от источника питания, поэтому необходимо установить на источнике питания 30 В.
Система коммутации состоит из переключателя S2, выведенного на лицевую панель посредством тумблера S2; верхнему положению переключателя S2 на схеме соответствует правое положение тумблера S2 на лицевой панели (измерение напряжения сток-исток), нижнему положению переключателя s2 на схеме соответствует левое положение тумблера S2 на лицевой панели (измерение напряжения затвор-исток).
В режиме "Измерение по точкам" на сток и затвор транзистора подаются смещения относительно истока с потенциометров R1 и R2 соответственно, при этом ток Iс регистрируется амперметром, подключенным к гнездам 1 и 2, а напряжение Uз и Uси – вольтметром, подключенным к гнездам 3 и 4.