Лабораторная работа №2 по дисциплине: Элементная база телекоммуникационных систем. 2-й семестр. Вариант №09

1 Задание на подготовку к выполнению лабораторной работы

Тема: Исследование характеристик полевых транзисторов

Цель работы: Изучить статические ВАХ и другие определяющие характеристики полевых транзисторов (лекция 3)

Выполнению данной работы должна предшествовать предварительная подготовка, состоящая в следующем:
1. Изучение темы и цели лабораторной работы.
2. При изучении теоретического материала в объеме материала лекций и теоретического введения обратить внимание на следующие основные вопросы:
- достоинства и недостатки полевых транзисторов;
- применение полевых транзисторов в элементарных схемах.

Номер варианта для выполнения лабораторной работы должен выбирается по двум последним цифрам номера пароля. Варианты приведены в Приложении.

2 Теоретическое введение

Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на полевом эффекте – изменение электропроводимости поверхностного слоя под действием электрического поля, направленного перпендикулярно поверхности.
От биполярного транзистора полевой транзистор отличается:
1) принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сопротивлением производится либо входным током, либо разностью потенциалов между входными выводами транзистора, а в полевом транзисторе - входным потенциалом затвора или электрическим полем;
2) полевой транзистор обладает большим входным сопротивлением.
3)  в полевом транзисторе не происходит инжекции носителей заряда – отсюда уменьшение рекомбинационных явлений и низкий уровень шумов (особенно на низких частотах).
Таким образом:
 полевой транзистор (ПТ) – полупроводниковый прибор, в котором регулирование тока осуществляется изменением сопротивления проводящего канала с помощью поперечного электрического поля. Ток полевого транзистора обусловлен потоком основных носителей.
 электроды полевого транзистора называют истоком (И), стоком (С) и затвором (З). Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком. Полевой транзистор можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением затвор-исток.
 по конструкции полевые транзисторы можно разбить на две группы: с управляющим p–n-переходом и с металлическим затвором, изолированным от канала диэлектриком.
Принцип действия полевого транзистора с управляющим p–n-переходом основан на изменении проводимости канала за счёт изменения его поперечного сечения. Между стоком и истоком включается напряжение такой полярности, чтобы основные носители заряда (электроны в канале n-типа) перемещались от истока к стоку. Между затвором и истоком включено отрицательное управляющее напряжение, которое запирает p–n-переход. Чем больше это напряжение, тем шире запирающий слой и уже канал. С уменьшением поперечного сечения канала его сопротивление увеличивается, а ток в цепи сток – исток уменьшается. Это позволяет управлять током стока с помощью напряжения затвор-исток Uзи . При некоторой величине напряжения затвор-исток запирающий слой полностью перекрывает канал, что приводит к уменьшению проводимости канала. Напряжение Uзи, при котором перекрывается канал, называют напряжением отсечки и обозначают Uотс . Для n-канального полевого транзистора напряжение отсечки отрицательно.
Входные (стоковые) характеристики у полевых транзисторов отсутствуют, так как входной ток равен нулю. Выходные характеристики полевого транзистора с управляющим p–n-переходом и каналом n-типа показаны на рис. 2.2. На выходной характеристике можно выделить три области – отсечки, линейную (триодную) и насыщения. В линейной области ВАХ представляют прямые, наклон которых зависит от напряжения затвор-исток Uзи. Минимальное сопротивление канала достигается, когда напряжение Uзи = 0, так как проводящая часть канала в этом случае имеет наибольшее сечение. Таким образом, в линейной области полевой транзистор можно использовать как резистор, сопротивление которого регулируется напряжением затвора.

Рисунок 2.2 - Выходные характеристики полевого транзистора с управляющим p–n-переходом и каналом n-типа показаны

В области насыщения ветви выходной характеристики расположены почти горизонтально. Это объясняется тем, что при увеличении напряжения сток-исток Uси область перекрытия канала вблизи стока расширяется и сопротивление канала увеличивается. В области насыщения полевой транзистор удобно моделировать передаточной характеристикой – зависимостью тока стока IС от напряжения затвор-исток Uзи при постоянном напряжении сток-исток:
. (2.1)

Передаточная (сток – затворная) характеристика n-канального полевого транзистора с управляющим p–n-переходом показана на рис. 2.3. При нулевом напряжении на затворе ток стока имеет максимальное значение, которое называют начальным I с нач . При увеличении напряжения затвор-исток ток стока уменьшается и при напряжении отсечки Uотс становится близким к нулю.

Рисунок 2.3 - Передаточная характеристика n-канального полевого транзистора с управляющим p–n-переходом

ВАХ полевого транзистора на участке, соответствующем линейному режиму, аппроксимируется выражением (2.2).

. (2.2)

В режиме насыщения можно использовать формулу (2.4).

. (2.4)

Поведение p-канальных полевых транзисторов описывается такими же уравнениями. Следует учесть только, что для p-канальных ПТ напряжения имеют другую полярность, т. е. Uотс > 0, а Uси < 0.
Важным параметром полевого транзистора является крутизна характеристики, определяемая как отношение приращения тока стока Δ с I к приращению напряжения затвор-исток ΔUзи :
, (2.5)

где , (2.6)
. (2.7)

МОП – транзистор с индуцированным каналом (МДП) характеризуется тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности. При нулевом напряжении канал отсутствует. При этом между стоком и истоком включены два обратно смещенных p– n-перехода. Один p–n-переход образуется на границе между подложкой и стоком, а другой – между подложкой и истоком. Таким образом, при нулевом напряжении на затворе сопротивление между стоком и истоком очень велико, ток стока ничтожно мал и транзистор находится в состоянии отсечки.
Удельная крутизна МДП – транзистора определяется по формуле (2.8).

, (2.8)
где μ– приповерхностная подвижность носителей, C0 – удельная емкость затвор-канал, L – длина, W – ширина канала.
Если напряжение сток-исток мало, как часто бывает в импульсных и ключевых схемах, то выходная характеристика, соответствующая линейному режиму, аппроксимируется выражением (2.9).

. (2.9)

Величину b(Uзи - U0) - называют проводимостью канала, а обратную величину – сопротивлением канала.
Таким образом, при малых напряжениях сток-исток МДП - транзистора эквивалентен линейному резистору, сопротивление которого регулируется напряжением затвора.
Передаточная характеристика МОП – транзистора с индуцированным каналом представлена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Передаточная характеристика МОП - транзистора с индуцированным каналом

МОП – транзистор в строенным каналом n – типа при нулевом напряжении на затворе имеет ненулевое значение, называемое начальным I с нач. Если Uзи > 0 , число электронов в канале увеличивается. Это приводит к увеличению проводимости канала. Такой режим работы транзистора с встроенным каналом, при котором концентрация носителей в канале больше равновесной, называют режимом обогащения. Передаточная характеристика МОП – транзистора с встроенным каналом представлена на рисунке 2.5.


Рисунок 2.5 - Передаточная характеристика МОП - транзистора с встроенным каналом
Пример определения крутизны полевого транзистора по передаточной (стоко – затворной) характеристике представлен на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 – Определение крутизны транзистора с n-каналом по передаточной характеристике
Методика определения крутизны полевого транзистора:
Выбирается произвольная точка О на линейном участке ВАХ при =0.5 .
1. В выбранной точке строится касательная к графику ВАХ.
2. На касательной строится произвольный прямоугольный треугольник, например ACB.
3. Крутизна характеристики S определяется как отношение длин катетов CA и BC:

У полевых транзисторов выходное дифференциальное сопротивление показывает влияние напряжения сток - исток Uси на выходной ток транзистора Iс. Оно определяется по наклону стоковой характеристики на участке насыщения. Методика определения дифференциального выходного сопротивления представлена ниже:
1. Выбирается произвольная точка О на произвольной ветви выходных ВАХ в области насыщения токов.
2. В выбранной точке строится касательная к графику ВАХ.
3. На касательной строится произвольный прямоугольный треугольник, например ACB.
4. Дифференциальное сопротивление определяется как отношение длин катетов CA и BC:

, (2.10)

где , (2.11)
. (2.12)


Рисунок 2.4 – Определение выходного дифференциального сопротивления

3 Задание на выполнение лабораторной работы

3.1 Расчетная часть работы

1. Рассчитать основные параметры и построить сток – затворную и выходную (стоковую) характеристики полевого транзистора.
2. По графику сток-затворной характеристики определить дифференциальную крутизну S, по графику выходных (стоковых) ВАХ определить дифференциальное выходное сопротивление , используя методические указания раздела 2.

3.2 Экспериметальная часть работы

1. Исследовать семейства проходных (сток-затворных) и выходных (стоковых) ВАХ полевого транзистора (тип транзистора выбирается из Приложения А в соответствии с вариантом) используя измерительные схемы рисунков Б.6 и Б.7.(в зависимости от типа транзистора). Исследования проводить по методическим указаниям раздела 4.
2. По полученным данным построить графические характеристики в одних осях с характеристиками, полученными по расчетам (3.1).
3. Рассчитать крутизну характеристики и дифференциальное сопротивление.

4 Рекомендации к выполнению исследований

4.1 Расчетная часть

4.1.1 Расчет характеристик транзисторов с управляющим p-n переходом
Выбрать тип (марку) полевого транзистора с управляющим p-n переходом из Приложения А.
Выписать параметры исследуемого транзистора, используя ресурсы Internet:
a)  , mA - максимально допустимого постоянного ток стока;
b)  , В - предельно допустимого напряжения между стоком и истоком;
c)  , В - предельно допустимого напряжения между затвором и истоком;
d)  , В – напряжения отсечки для ПТУП-транзистора или МДП-транзистора со встроенным каналом;
e)  ,В – порогового напряжения для МДП-транзистора с индуцированным каналом;
Занести значения и марку выбранного транзистора в таблицу 4.1.
Таблица 4.1 – Характеристики транзистора
Марка транзистора (тип канала) Motorola BF256C

Параметры  





Ед.изм. mA B B B B
Количественные значения  18 30 30  

Построить статическую стоко - затворную характеристику транзистора при 2-х фиксированных рекомендуемых значениях =const, вычисляемых по выражениям в первой строке таблицы 4.2.

Таблица 4.2 – Семейство стоко-затворных характеристик транзистора с управляющим p-n переходом
No  , В  ,В
,В
(рассчитанные значения)  =0.01 ,B
= 0.5 ,В

    (рассчитанные значения) (рассчитанные значения)
     , mA
, mA

1.  0.95
  
2.  0.75
  
3.  0.5
  
4.  0.25
  
5.  0   

- вычислить IС по формуле (2.2) и записать данные таблицу 4.2;
- построить семейство сток-затворных ВАХ.

4.1.2 Расчет характеристик МДП-транзисторов с индуцированным каналом

Выбрать тип (марку) полевого транзистора с индуцированным каналом из Приложения А.
Выписать параметры исследуемого транзистора, используя ресурсы Internet:
a)  , mA - максимально допустимого постоянного ток стока;
b)  , В - предельно допустимого напряжения между стоком и истоком;
c)  , В - предельно допустимого напряжения между затвором и истоком;
d)  , В – напряжения отсечки для ПТУП-транзистора или МДП-транзистора со встроенным каналом;
e)  ,В – порогового напряжения для МДП-транзистора с индуцированным каналом;
Занести значения и марку выбранного транзистора в таблицу 4.3.

Таблица 4.3 – Характеристики транзистора с индуцированным каналом
Марка транзистора (тип канала) Philips
bsv 81
Параметры  





Ед.изм. mA B B B B
Количественные значения     

Построить статическую стоко - затворную характеристику транзистора при 2-х фиксированных рекомендуемых значениях =const, вычисляемых по выражениям в первой строке таблицы 4.3:
- вычислить IС по формуле (2.8) и (2.9) и записать данные таблицу 4.4;
- построить семейство сток-затворных ВАХ.

Таблица 4.4 – Семейство стоко – затворных характеристик транзистора
с индуцированным каналом
No  , В  ,В
b  ,В
(рассчитанные значения)  =0.01 ,B
=0.5 ,B
     (рассчитанные значения) (рассчитанные значения)
      , mA
, mA

1.  
   
2.  2
   
3.  3
   
4.  0.5
   
5.  0.95
   


4.2 Экспериментальнавя часть

4.2.1Исследование ВАХ транзисторов с управляющим p-n переходом

1. Собрать измерительную схему рисунка Б.6, для исследования семейств сток-затворных и стоковых характеристик (на рисунке приведён пример измерительной схемы для транзистора с n-каналом). Если по варианту требуется исследовать транзистор с p-n переходом с p-каналом, то схему рисунка Б.6 необходимо исправить так, чтобы полярности подключения источников и , а также подключение измерительных приборов соответствовали нормальному включению ПТУП-транзистора. То есть p-n переход между затвором и истоком должен быть смещён источником в обратном направлении, а основные носители заряда в канале должны течь под действием от истока к стоку.

2. Исследовать семейство статических сток-затворных характеристик ПТУП-транзистора при 2-х фиксированных рекомендуемых значениях =const, вычисляемых по выражениям в первой строке таблицы 4.5. Для исследования каждой ветви ВАХ выполнить следующие действия:
- установить значение источника в соответствии с очередным значением ;
- вычислить по выражениям во 2-м столбце таблицы 4.5 рекомендуемые значения и зафиксировать их во 2-м столбце таблицы 4.5 в отчёте;
- с помощью источника установить вычисленные выше значения ;
- для каждого установленного измерить по амперметру А1 ток стока и зафиксировать в таблицу 4.5;
Выполнить вышеуказанные действия для обоих указанных в таблице значений .
По измеренным значениям построить семейство сток-затворных ВАХ ПТУП в одних с осях с расчетными характеристиками.

Таблица 4.5 – Семейство стоко – затворных характеристик транзистора с управляющим p-n переходом
No  ,В
=0.01 ,B
= 0.5 ,В
S
   , mA
, mA

1. 0.95
  
2. 0.75
  
3. 0.5
  
4. 0.25
  
5. 0   

По графику сток-затворной характеристики определить дифференциальную крутизну S, используя методические указания раздела 2.

3. Исследовать семейство статических стоковых ВАХ ПТУП-транзистора при 4-х фиксированных рекомендуемых значениях =const, вычисляемых по выражениям в первой строке таблицы 4.6. Для исследования каждой ветви ВАХ выполнить следующие действия:
- с помощью источника установить очередное рекомендуемое значение , определяемое по выражению первой строки таблицы 4.6;
- вычислить по рекомендуемым выражениям в соответствующем столбце таблицы 4.6 рекомендуемые значения и зафиксировать их в том же столбце таблицы 4.6 в отчёте;
- с помощью источника установить вычисленные значения ;
- для каждого установленного значения измерить ток стока по амперметру А1 и зафиксировать в таблицу 4.6.
Повторить вышеуказанные действия для всех указанных в таблице значений .
По измеренным значениям построить график семейства стоковых (выходных) ВАХ.

Таблица 4.6 - Семейство выходных ВАХ ПТУП-транзистора
UЗИ,1= 0.9UЗИОТС,В UЗИ,2= 0.5UЗИ ОТС,В UЗИ,3= 0.1UЗИ ОТС,В UЗИ,4= 0 В rвых
UСИ,В IC,
mA UСИ,В IC,
mA UСИ,В IC,
mA UСИ,В IC,
mA 
0.1(Uзи отс-Uзи,1)  0.1(Uзи отс-Uзи,2)  0.1(Uзи отс-Uзи,3)  0.1(Uзи отс-Uзи,4)  
0.5( Uзи отс-Uзи,1)  0.5(Uзи отс-Uзи,2)  0.5(Uзи отс-Uзи,3)  0.5(Uзи отс-Uзи,4)  
Uзи отс-Uзи,1  Uзи отс-Uзи,2  Uзи отс-Uзи,3  Uзи отс-Uзи,4  
0.5Ucи max  0.5Ucи max  0.5Ucи max  0.5Ucи max  
0.8Ucи max  0.8Ucи max  0.8Ucи max  0.8Ucи max  

По графику выходных (стоковых) ВАХ определить дифференциальное выходное сопротивление , используя методические указания раздела 2.

4.2.2 Исследование ВАХ МДП-транзисторов с индуцированным каналом
1. Собрать измерительную схему, приведенную на рисунке Б.7, для исследования семейств сток-затворных и стоковых ВАХ МДП-транзисторов с индуцированным каналом (на рисунке Б.7 приведён пример измерительной схемы для МДП транзистора с индуцированным n-каналом). Если требуется исследовать транзистор с p-каналом, то схему рисунка Б.7 необходимо исправить так, чтобы полярности подключения источников и , а также подключение измерительных приборов соответствовали нормальному включению МДП-транзистора. То есть поле затвора, создаваемое , должно притягивать из подложки носители заряда, совпадающие по знаку с носителями заряда канала, а основные носители заряда в канале должны течь под действием от истока к стоку.

2. Исследовать семейство статических сток-затворных ВАХ МДП-транзистора с индуцированным каналом при двух фиксированных рекомендуемых значениях =const, вычисленных по выражениям в первой строке таблицы 4.7. Результаты измерений занести в таблицу 4.7. По измеренным значениям построить график сток-затворных (проходных) ВАХ транзистора в одних с осях с расчетными характеристиками.

3. Исследовать семейство статических стоковых ВАХ МДП-транзистора с индуцированным каналом при 4-х фиксированных рекомендуемых значениях =const, вычисленных по выражениям в первой строке таблицы 4.8.
Результаты измерений занести в таблицу 4.8.
По измеренным значениям построить график семейства стоковых (выходных) ВАХ.

Таблица 4.7 – Семейство проходных ВАХ МДП-транзистора
с индуцированным каналом.
No  ,В
=0.01 ,B
=0.5 ,B

   , mA
, mA

1. 
 
2. 2
 
3. 3
 
4. 0.5
 
5. 0.95
 


Таблица 4.8 – Семейство выходных ВАХ МДП-транзистора с индуцированным каналом.
UЗИ,1= 1.1UЗИ пор,В UЗИ,2= 2UЗИ пор,В UЗИ,3= 3UЗИ пор,В UЗИ,4=4UЗИ пор,В
UСИ,В IC,
mA UСИ,В IC,
mA UСИ,В IC,
mA UСИ,В IC,
mA
0.1(Uзи,1-Uзи пор)  0.1(Uзи,2-Uзи пор)  0.1(Uзи,3-Uзи пор)  0.1(Uзи,4-Uзи пор) 
0.5(Uзи,1-Uзи пор)  0.5(Uзи,2-Uзи пор)  0.5(Uзи,3-Uзи пор)  0.5(Uзи,4-Uзи пор) 
Uзи,1-Uзи пор  Uзи,2-Uзи пор  Uзи,3-Uзи пор  Uзи,4-Uзи пор 
0.5Ucи max  0.5Ucи max  0.5Ucи max  0.5Ucи max 
0.8Ucи max  0.8Ucи max  0.8Ucи max  0.8Ucи max

Лабораторная работа 2 30.07.2020 30.07.2020 Зачет Уважаемый , лабораторная работа зачтена. Елистратова Ирина Борисовна