Элементная база телекоммуникационных систем. Лабораторная работа №2 .Вариант №15

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

В области усиления статистические характеристики идеального транзистора любой структуры описывается выражением (2.3)
, (2.3)
где ß –постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транзистора ( );
U0 – напряжение запирания ( ).
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)

МДП транзисторы имеют один или несколько затворов, электрически изолированных от проводящего канала одним или несколькими слоями диэлектрика. При приложении электрического напряжения к участку затвор-исток в полупроводнике на границе с диэлектриком появляется электрический заряд противоположного знака, который влияет на электропроводность прилегающего слоя полупроводника, образующего канал. В виде дискретных элементов выпускаются транзисторы с изолированным затвором двух разновидностей: со встроенным и индуцированным каналом. Транзистор с индуцированным каналом 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 транзистора с индуцированным каналом 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 транзистора с индуцированным каналом эквивалентен линейному резистору, сопротивление которого регулируется напряжением затвора.
Транзистор со встроенным 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 со встроенным каналом, при котором концентрация носителей в канале больше равновесной, называют режимом обогащения. Передаточная характеристика транзистора со встроенным каналом представлена на рисунке 2.5.
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)
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 измерительную схему, приведенную на рисунке Б.6. 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 по экспериментальным характеристикам.




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. Для выбора характеристик используйте ресурсы Интернет:
Характеристики:
https://alltransistors.com/ru/mosfet/kak_podobrat_zamenu_dlia_mosfet.php
аналог
http://www.dectel.ru/philips/analogues/various/j-fet_transist.shtml
Выписать параметры исследуемого транзистора, используя ресурсы Internet:
a)  , mA - максимально допустимый постоянный ток стока;
b)  , В - предельно допустимое напряжение между стоком и истоком;
c)  , В – напряжения отсечки для транзистора с управляющим p-n переходом;
d)  , В - предельно допустимое напряжение между затвором и истоком.
4.1.2 Расчет характеристик 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 допустимый постоянный ток стока;
b)  , В - предельно допустимое напряжение между стоком и истоком;
c)  , В - предельно допустимое напряжение между затвором и истоком;
d)  , В - минимальное напряжение между затвором и истоком;
e)  ,В – пороговое напряжение для транзистора с индуцированным каналом(выбрать максимальное значение порогового напряжения);
Занести значения и марку выбранного транзистора в таблицу 4.3.
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 полевого транзистора с p-n каналом. 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. (При отсутствии в библиотеке программы требуемого транзистора, воспользуйтесь аналогом).
2. Исследовать семейство статических сток-затворных характеристик 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 (устанавливать значения по модулю) ;
- для каждого установленного измерить по амперметру А1 ток стока и зафиксировать в таблицу 4.5;
Выполнить вышеуказанные действия для обоих указанных в таблице значений .
Внимание! записывать в таблицу со знаком «+», т.к. направление тока противоположно показаниям амперметра.
По измеренным значениям построить семейство сток-затворных ВАХ полевых транзисторов в одних с осях с расчетными характеристиками.
5 Содержание отчета

1. Тема и цель лабораторной работы.
3. Таблицы с результатами измерений.
4. Графики статических проходных и выходных ВАХ.
5. Расчет крутизны сток-затворной характеристики S.
6. Расчет дифференциального выходного сопротивления .
7. Выводы по результатам проведенных исследований.

2020 год.