Краткие сведения о полевых транзисторах

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

 

Цель работы - исследование характеристик и параметров полевого транзистора, изучение методики измерения характеристик полевого транзистора, расчёт параметров эквивалентной схемы.

Краткие сведения о полевых транзисторах

Полевыми транзисторами называются полупроводниковые приборы, в которых управление величиной выходного тока производится с помощью электрического поля, изменяющего сопротивление токопроводящего слоя полупроводника (канала). Их также часто называют униполярными транзисторами, т. к. их выходной ток создается движением носителей заряда одного типа (основными носителями). Различают полевые транзисторы с управляющим переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором; последние подразделяются на транзисторы со встроенным и индуцированным каналом. Полевыми транзисторами с управляющим переходом называются полевые транзисторы, в которых управление выходным током осуществляется с помощью обратно включенного электрического перехода. Наиболее часто в качестве управляющего перехода используется p-n-переход, реже – переходы Шоттки и гетеропереходы. Для пояснения принципа действия на рис. 16 показана упрощенная структура полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и n-каналом.

Рис. 16. Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим переходом

Основа транзистора – пластина полупроводника n-типа, к краям которой подсоединены внешние выводы (сток и исток). Вдоль пластины выполнена p-область, к которой подсоединен внешний вывод, называемый затвором. На границе p- и n-областей образуется управляющий p-n-переход или обедненный слой (выделен штриховкой). Часть n-полупроводника, не перекрытая обедненным слоем, называется каналом. К транзистору подключены два внешних источника напряжения, общий провод которых соединен с истоком транзистора, т. е. транзистор включен по схеме с общим истоком, в которой входной цепью является цепь затвора, а выходной – цепь стока. При подключении внешнего напряжения между стоком и истоком U_си в канале возникает электрический ток, практически полностью определяемый движением основных носителей. Полярность U_си выбирается так, чтобы основные носители заряда двигались по каналу от истока к стоку. Напряжение, поданное на затвор, должно быть обратным для управляющего перехода, т. е. для n-канального транзистора U_зи < 0. При увеличении модуля U_зи растет толщина управляющего перехода, что приводит к уменьшению площади поперечного сечения канала, росту его сопротивления и к уменьшению тока стока.

Следует отметить, что ток стока, протекая по каналу, делает его неэквипотенциальным, поэтому к разным областям управляющего перехода оказывается приложенным различное напряжение. Так, напряжение на переходе вблизи истока минимально и равно U_зи, а вблизи стока максимально и равно |U_зи| + U_си. Поэтому толщина обедненного слоя увеличивается от истока к стоку и оказывается максимальной вблизи стока.

Входной ток полевого транзистора чрезвычайно мал, т. к. представляет собой обратный ток управляющего перехода, поэтому полевые транзисторы и устройства на их основе обладают очень высоким входным сопротивлением.

Для анализа работы полевого транзистора с управляющим переходом могут быть использованы семейства выходных ВАХ и ВАХ передачи, показанные на рис. 17. Для схемы ОИ выходные характеристики представляют собой зависимости тока стока I_с от напряжения U_си при различных постоянных напряжениях U_зи  (рис. 17, а). При малых U_си вначале происходит практически линейное возрастание I_с. Чем больше |U_зи|, тем сильнее изначально канал перекрывается обедненным слоем вблизи стока, тем больше начальное сопротивление канала и тем больше наклон начального участка выходной ВАХ. По мере роста U_си выходная ВАХ все сильнее отклоняется от прямой линии из-за возрастания сопротивления канала в стоковой области. При U_си=U_{си нас} канал вблизи стока практически перекрывается обедненным слоем и транзистор переходит в режим насыщения: I_с меняется незначительно, т. к. возрастание I_с из-за роста U_си компенсируется убыванием I_с из-за роста сопротивления канала. Чем больше |U_зи|, тем меньше U_{си нас} и тем меньше I_с, при котором наступает насыщение. При значительном увеличении U_си происходит пробой управляющего перехода в области стока, причем с ростом |U_зи| напряжение пробоя уменьшается.

 

Рис. 17. Выходные ВАХ (а) и ВАХ передачи (б) полевого транзистора с управляющим переходом

 

Таким образом, на выходной ВАХ полевого транзистора с управляющим переходом можно выделить три характерных области:

- крутая область (U_си=0…U_{си нас}), соответствующая режиму управляемого сопротивления; в этой области транзистор может использоваться как электрически управляемый резистор;

- пологая область (U_си=U_{си нас}…U_{си проб}), соответствующая режиму насыщения; в этой области ВАХ горизонтальна для идеализированных транзисторов и имеет некоторый наклон для реальных; поэтому транзистор представляет собой управляемый напряжением источник тока и может быть использован в усилительном каскаде;

- область пробоя (U_си>U_{си проб}).

По выходной ВАХ для U_зи=0 определяются начальный ток стока I_{с нач} и напряжение насыщения U_{си нас0}.

ВАХ передачи полевого транзистора представляют собой зависимости I_с от U_зи при различных постоянных U_си (рис. 17, б). При U_си>U_{си нас} ВАХ передачи почти не меняет свое положение. При любом U_си ток стока уменьшается практически до нуля при одном и том же напряжении на затворе, которое называется напряжением отсечки. Из-за сложностей в измерении малых токов реально напряжением отсечки U_{зи отс} считают такое значение U_зи, при котором I_с уменьшается до заданного малого значения (например, до 1 мкА).

Усилительные свойства полевого транзистора характеризуются крутизной ВАХ передачи S = dI_с/dU_зи при U_си=const. При U_си>U_{си нас} выражение для ВАХ передачи может быть записано как

I_с = I_{с нач}  (1 - U_зи/U_{зи отс})²,

тогда S = S_макс(1 - U_зи/U_{зи отс}).

Таким образом, крутизна максимальна и равна S_макс = 2I_{с нач} / U_{зи отс} при U_зи=0, а с ростом |U_зи| уменьшается.

 

Задание и порядок выполнения работы

 

1. Начертить принципиальную схему для измерения ВАХ полевого транзистора в схеме с общим истоком с указанием полярности измерительных приборов и источников питания. Выписать из приложения 4 тип и основные параметры исследуемого транзистора.