На основе вышеизложенного можно сделать вывод, что принцип действия ПТИЗ основан на э ффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием электрического поля, создаваемого потенциалом затвора, изолированного от кристалла слоем окисла.
Рассмотрим планарную структуру, представленную на рис. 5.4, а, у которой подложка П заземлена, а исток И, например, соединен с подложкой П.
Пусть первоначально затвор З соединен с истоком И, т.е. U зи = 0. Поскольку имеется канал (длиной d), соединяющий исток со стоком, то по мере увеличения напряжения U си на стоке (рис. 5.4, б) выходной ток I с растет почти линейно от нуля до точки 1 (² омическая зона ² ВАХ). В данном режиме работы наклон характеристики определяется малым сопротивлением еще не перекрытого канала.
По мере увеличения напряжения рост тока I с практически прекращается (точка 2) – при напряжении U си.нас достигается насыщение тока (геометрическое место точек U си.нас представлено пунктиром). Наступает так называемая активная зона вольтамперной характеристики, которая характеризуется насыщением тока стока, незначительно возрастающим при увеличении напряжения U си.
Причина дальнейшего ограничения тока I с связана с перекрытием канала в области стока. В самом деле, как и в случае с транзистором с управляющим p-n- переходом точки канала не эквипотенциальны. Если, например, на стоке jс = 10 В, то в центре канала j = 5 В, в то время как потенциал истока равен нулю jи = 0 В, т.к. исток заземлен. Следовательно, по отношению к подложке, которая заземлена, все точки канала находятся под различным потенциалом! А раз так, то протяженный p-n -переход ²канал-подложка², находящийся под различным напряжением, имеет различную ширину l (U) в разных точках. Поскольку объем канала слаболегирован, то расширяющийся p-n -переход внедряется в канал, перекрывая его, главным образом, в области стока. Поэтому по мере дальнейшего увеличения напряжения сток-исток U си (рис. 5.4, б, от точки 2 до точки 3) сопротивление канала увеличивается, и поэтому ток стока I с растет незначительно. При значительных напряжениях на стоке ток вновь растет (область III- область пробоя), поскольку возрастает вероятность пробоя p-n -перехода в области стока, т.к. именно здесь к переходу приложено наибольшее обратное напряжение.
Допустим, транзистор находится в режиме работы между точками 2 и 3 (рис. 5.4, б: U зи = 0, U си = 10 B, I с = 1,2 мА). Подадим на затвор отрицательный потенциал jз <0 (U зи < 0). В данном случае электрическое поле затвора за счет явления электростатической индукции оказывает кулоновское отталкивающее действие на электроны, которые являются основными носителями заряда в n -канале. Это воздействие приводит к уменьшению концентрации электронов в n -канале (электроны уходят в подложку), и, соответственно, к уменьшению проводимости n -канала. Следовательно, сопротивление канала увеличивается, и при фиксированном значении U си ток стока I с уменьшается (рис. 5.4, б, в).
Вследствие этого серия стоковых характеристик при U зи<0 располагаются ниже кривой, соответствующей U зи = 0. Режим работы транзистора, при котором происходит уменьшение концентрации основных носителей (здесь, электронов) заряда в канале (здесь, n -типа), называют режимом обеднения канала.
При подаче на затвор З напряжения U зи > 0 электростатический заряд ²+² затвора притягивает электроны из полупроводниковой подложки р -типа в канал. Концентрация основных носителей заряда в канале увеличивается, что соответствует режиму обогащения канала носителями заряда. Проводимость n -канала возрастает, и при фиксированном напряжении U си ток I с увеличивается. Поэтому при U зи > 0 стоковые характеристики располагаются выше кривой, соответствующей U зи = 0 (рис. 5.4, б).
Семейство (серия) стоковых характеристик полевого транзистора со встроенным каналом n -типа показано на рис. 5.4, б. Эти характеристики идентичны характеристикам полевого транзистора с управляющим p-n -переходом. Различие заключается в том, что для МДП-транзистора входное напряжение U зи может быть как положительной, так и отрицательной полярности.
Стоко-затворные характеристики транзистора со встроенным каналом приведены на рис. 5.4, в. Их отличие от стоко-затворных характеристик транзистора с p-n -переходом (рис. 5.3, б) обусловлено возможностью работы данного ПТИЗ как при U зи< 0 (режим обеднения), так и при U зи> 0 (режим обогащения).
Стоковые характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом n -типа приведены на рис. 5.5, б. Они отличаются от характеристик транзистора со встроенным каналом тем, что управление величиной тока стока I с осуществляется входным напряжением U зи полярности, совпадающей с полярностью U си. Заметим, что управление транзистором возможно только после того, как сформирован канал соответствующего типа проводимости, в частности, при U зи > 3 B.
Вид стоко-затворных характеристик полевого транзистора с индуцированным каналом n -типа приведен на рис. 5.4, в. Особенности данных характеристик могут быть проанализированы самостоятельно.
5.9. Лабораторная работа
″Исследование статических характеристик полевого транзистора″
Цель работы: исследование принципа работы и статических характеристик полевого транзистора.
Приборы и принадлежности: схема, включающая в себя полевые транзисторы различного типа; измерительные приборы.
Общие сведения
В работе исследуются схема ОИ на основе полевого транзистора КП302А (Рис. 5.6). Внешний вид конкретной исследуемой схемы (мнемосхема) представлен на панели исследуемой установки ЭС 4А (ряд переключателей на стенде в работе не используются).
Транзистор КП302А – кремниевый планарный полевой транзистор типа ПТУП с n-каналом и диффузионным затвором, т.е. с управляющим p-n-переходом (рис. 5.6, а).
а) б)
Рис. 5.6. Стенд ЭС-4А со схемой ОБ (а) и вид транзистора КТ808А
Наиболее важные статические параметры транзистора приведены в таблице 1. С дополнительными сведениями о статических параметрах и характеристиках транзистора следует ознакомиться в справочниках.
Таблица 1
| Параметр | Значение |
| Максимальный ток стока | 24 мА |
| Ток утечки затвора | 0,01 мкА |
| Обратный ток перехода затвор-сток | 1 мкА |
| Крутизна при U си = 7 В, U зи =0 В | 12,5 мА/В |
| Напряжение отсечки | 5 В |
| Сопротивление сток-исток | 150 Ом |
| Максимальное напряжение сток-исток | 20 В |
| Максимальное напряжение затвор-исток | 10 В |
| Мощность рассеяния по постоянному току | 300 мВт |
Стоковая характеристика транзистора КП302А в схеме ОИ приведена на рис. 5.7.
Рис. 5.7. Стоковая ВАХ транзистора КП302А в схеме ОИ
Стоко-затворную характеристику транзистора рекомендуется нарисовать самостоятельно с учетом данных, приведенных на рис. 5.7.
Подготовка к работе
Общие сведения изложены в пособии [2], рекомендованной литературе.
Используя рекомендованные материалы:
– изучите теоретические материалы, представленные в литературе [2];
– выполните необходимые задания контрольной работы;
– зарисуйте планарную структуру исследуемого полевого транзистора (рис. 5.1);
– зарисуйте схему включения транзистора и испытаний (рис. 5.6); определите, какие потенциалы необходимо подавать на затвор и сток, для нормальной работы транзистора;
– используя справочники, опишите маркировку; форму прибора; параметры реального транзистора;
– используя справочники, зарисуйте реальные стоковую и стоко-затворную характеристики исследуемого транзистора (рис. 5.7);
– подготовьте таблицы.
3. Измерения и обработка результатов
3.1. Ознакомитесь со стендом. По разрешению преподавателя включите установку.
