Краткие теоретические сведения

Практическое занятие № 3

Определение параметров полевого транзистора по ВАХ

Цель работы: научиться определять основные параметры полевых транзисторов по их вольт-амперным характеристикам.

Краткие теоретические сведения

Структура полевого транзистора и его условное обозначение показаны на рис. 3.1. Транзистор состоит из двух областей. Область полупроводника между истоком (И) и стоком (С) называется каналом. В данном случае канал имеет n-тип. Другая область полупроводника имеет повышенную концентрацию примеси и называется затвором (З). В данном случае затвор имеет p-тип. Затвор и канал отделены друг от друга p-n-переходом. Знаком указаны области с повышенной концентрацией электронов. Они создаются, чтобы на границе контакта полупроводника с металлом не возникал p-n-переход.

Рис. 3.1. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

В нормальном режиме работы транзистора p-n-переход всегда закрыт. Для этого на затвор подается отрицательное напряжение . Если приложить между стоком и истоком положительное напряжение , то под действием этого напряжения свободные электроны будут перемещаться от истока к стоку, создавая ток канала . Чем больше напряжение, приложенное между стоком и истоком, тем больше протекающий ток. Эта ситуация справедлива на начальном участке ВАХ транзистора, которая показана на рис. 3.2. При большом напряжении нужно учитывать, что оно увеличивает обратное напряжение, приложенное к p-n-переходу (т.к. высокий потенциал приложен к n-слою). Это приводит к расширению закрытого p-n-перехода, поэтому ширина канала уменьшается и ток стока перестает увеличиваться. Это явление приводит к насыщению ВАХ, показанной на рис. 3.2.

Рис. 3.2. ВАХ транзистора с управляющим p-n-переходом

Изменяя напряжение на затворе , можно регулировать ток, протекающий через канал транзистора. Если уменьшается, то к p-слою прикладывается более отрицательное напряжение, поэтому ширина p-n-перехода будет увеличиваться, следовательно ширина канала уменьшаться, а значит, ток через канал будет уменьшаться. Аналогично, увеличение приводит к увеличению тока .

На рис. 3.2. показаны два семейства ВАХ полевого транзистора, которые отражают описанный принцип действия. Первый график называется семейством стоковых характеристик, а второй – семейством исток-затворных характеристик. Оба семейства ВАХ эквивалентны друг другу.

Отметим, что аналогично работает и транзистор с p-каналом и n-подложкой, однако знаки прикладываемых напряжений противоположны рассмотренному случаю. Условное графическое обозначение такого транзистора отличается от показанного на рис. 3.1 направлением стрелки.

Полевой транзистор со встроенным каналом и его условное графическое обозначение показаны на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Полевой транзистор со встроенным каналом

В структуре транзистора можно выделить металлические выводы, показанные черным цветом, изолирующий слой, показанный серым цветом и слой полупроводника, показанный белым цветом. Поэтому часто такой транзистор называют МДП-транзистор (металл, диэлектрик, полупроводник). В полупроводник p-типа, именуемый подложкой (П), внедряется n-слой. При этом области с повышенной концентрацией электронов называются исток (И) и сток (С), а область с более низкой концентрацией электронов является каналом. Металлический затвор (З) полностью изолирован от канала диэлектриком. Это приводит к тому, что ток стока управляется электрическим полем. Чтобы p-n-переход был всегда закрыт на подложку p-типа подается отрицательное напряжение. Область с высокой концентрацией дырок нужна, чтобы не возникало p-n-перехода на границе между металлом и полупроводником, из которого выполнена подложка.

Если напряжение , то в канале протекает ток, обусловленный движением электронов от истока к стоку. Изменяя напряжение на затворе, можно изменять величину указанного тока. Если , то отрицательный потенциал вытесняет электроны из канала и ток стока уменьшается. Аналогично, если , то положительный потенциал втягивает дополнительные электроны в канал и ток увеличивается.

При увеличении напряжения вначале ток стока увеличивается. Однако увеличение приводит к тому, что разность потенциалов между затвором и стоком также увеличивается, поэтому электроны вытесняются этим отрицательным напряжением из канала и ток стока перестает расти. Этим объясняется насыщение стоковых характеристик транзистора. ВАХ показаны на рис. 3.4. Отметим, что они смещены относительно стоковых характеристик полевого транзистора с управляющим переходом в строну положительных .

Рис. 3.4. ВАХ транзистора со встроенным каналом

Полевой транзистор с индуцированным каналом и его условное графическое обозначение показаны на рис. 3.5. На рис 3.6. приведены ВАХ транзистора.

Рис. 3.5. Полевой транзистор с индуцированным каналом

Структура МДП-транзистора и индуцированным каналом отличается от транзистора со встроенным каналом тем, что в нем отсутствует канал, если напряжение на затворе меньше некоторой положительной величины. Это означает, что в области под затвором нет свободных носителей зарядов и не зависимо от напряжения ток в канале отсутствует. При достаточно большом положительном напряжении на затворе электроны втягиваются положительным электрическим полем в область под затвором – образуется канал. Тогда при положительном напряжении между стоком и истоком в канале протекает ток стока.

ВАХ транзистора с индуцированным каналом получаются смещением исток-затворных характеристик в положительную область.

Рис. 3.6. ВАХ транзистора с индуцированным каналом

Отметим, что МДП-транзисторы с p-каналом работают аналогично, однако знаки прикладываемых к транзистору напряжений противоположны. Условное графическое обозначение такого транзистора отличается направлением стрелки.

Транзистор можно представить в виде моделирующей схемы, состоящей из сопротивлений, емкостей и источников тока. Такая схема справедлива для конкретного режима работы транзистора. На рис. 3.7. показана моделирующая схема полевого транзистора.

Рис. 3.7 Эквивалентная схема полевого транзистора

Емкости , , моделируют емкости между соответствующими областями транзистора, сопротивление – сопротивление канала транзистора, а источник тока , моделирует ток через канал транзистора. Он зависит от приложенного напряжения на затворе. Сопротивления между затвором и каналом на схеме не приведены, так они очень большие и достигают от Ом для транзистора с управляющим переходом до Ом для МДП-транзисторов.

Основными параметрами полевых транзисторов являются крутизна и внутреннее канала.

Крутизна показывает во сколько раз изменится ток стока при изменении и постоянном :

. (3.1)

Внутреннее сопротивление это отношение приращения напряжения к приращению тока :

. (3.2)

Крутизну и внутренне сопротивление можно вычислить по ВАХ транзистора.

Пример расчета

ВАХ полевого транзистора показаны на рис. 3.8.

Рис. 3.8. ВАХ полевого транзистора

Расчет параметров полевого транзистора состоит в выполнении следующих пунктов.

1. Вычислим крутизну транзистора, которая определяется формулой

(3.3)

Будем вычислять крутизну по формуле (3.1) для разных значений напряжения , т.е. для разных режимов – насыщения и активного режима. Выберем В (режим насыщения, в вариантах это значение может изменяться). Для него рассчитаем значение параметра s. Например, для двух нижних кривых В. Для В ток стока изменяется от 0.01 мА до 0.05 мА, т.е. мА. Тогда по формуле (3.1) мА/В. Аналогично для второй и третьей кривой получаем при В, что В, а мА. Тогда считая по формуле (3.1) получаем мА/В. Проводя дальнейший расчет, получаем мА/В и мА/В. Результаты расчета сведены в табл. 3.1. Значения взяты как среднее для каждого интервала.

Таблица 3.1

Крутизна входной характеристики

В	, В	-0.1	-0.3	-0.5	-0.7
s, мА/В	0.8	0.6	0.5	0.2
В	, В	-0.1	-0.3	-0.5	-0.7
s, мА/В		0.65	0.55	0.35
В	, В	-0.1	-0.3	-0.5	-0.7
s, мА/В		0.7	0.55	0.4
В	, В	-0.1	-0.3	-0.5	-0.7
s, мА/В		0.75	0.5	0.45
В	, В	-0.1	-0.3	-0.5	-0.7
s, мА/В		0.75	0.55	0.45
В	, В	-0.1	-0.3	-0.5	-0.7
s, мА/В		0.8	0.55	0.45

В активном режиме выберем 5 точек. Например 4, 8. 12. 16 и 20 В. Для каждой точки заполним табл. 3.1 аналогично описанному выше примеру.

2. Вычислим сопротивление канала:

. (3.4)

По выражению (3.4) вычислим сопротивление канала для разных напряжений затвора, задав 6 точек по оси абсцисс: 2, 4, 8, 12, 16, 20 В. В вариантах напряжения должны выбираться так, чтобы был охвачен весь диапазон изменения напряжения, представленный на ВАХ. Например, зададим напряжение 0 В, т.е. выберем самую верхнюю кривую. Для нее определим сопротивление канала. Тогда из ВАХ определяем что, если равно 2 В, то ток стока равен 0.5 мА. Т.е. кОм. Аналогично, если изменился до 4 В, то ток стока изменился до 0.52 мА. Т.е. кОм. Если равен 8 В, то ток стока равен 0.54 мА. Т.е. кОм. Если равен 12 В, то ток стока равен 0.55 мА. Т.е. кОм. Если равен 16 В, то ток стока изменился до 0.56 мА. Т.е. кОм. Если равен 20 В, то ток стока изменился до 0.57 мА. Т.е. кОм. Результаты вычислений приведены в табл 3.2.

Таблица 3.2

Сопротивление канала

В	, В
, кОм		7.7	14.8	21.8	28.6	35.1
В	, В
, кОм	6.7	12.3	23.5	34.3		55.6
В	, В
, кОм	11.8			58.5	76.2
В	, В
, кОм	28.6		88.9	126.3		190.5
В	, В
, кОм

Аналогично проводятся вычисления для других значений напряжения (для других кривых).

По результатам вычислений строим графики, показанные на рис. 3.9 и 3.10. Зависимости сопротивления канала от напряжения сток-исток при заданном напряжении затвора построены для первых трех . Остальные имеют другой масштаб, поэтому строятся отдельно.

Рис. 3.9. Крутизна входной характеристики

Рис. 3.10. Сопротивление стока

Проведенный расчет показывает, что крутизна транзистора увеличивается при увеличении напряжения на затворе. При этом крутизна транзистора растет в режиме насыщения и устанавливается в постоянное значение в активном режиме. Сопротивление стока (канала) увеличивается с ростом напряжения сток-исток и с уменьшением напряжения затвор-исток.

Задание

Практическая работа состоит в выполнении следующих пунктов.

1. Изучить краткие теоретические сведения.

2. По аналогии с приведенным примером рассчитать параметры транзистора для своего варианта, заданного преподавателем из табл. 3.3.

3. Построить графики.

Отчет должен содержать:

1. ВАХ транзистора;

2. Расчеты;

3. Таблицы;

4. Графики;

5. Выводы.

Контрольные вопросы

1. Опишите устройство и принцип действия полевого транзистора с управляющим затвором.

2. Опишите устройство и принцип действия полевого транзистора со встроенным каналом.

3. Опишите устройство и принцип действия полевого транзистора с индуцированным каналом.

4. Как из стоковых характеристик получить сток-затворные?

Таблица 3.3

Варианты заданий

Вариант 1	Вариант 2

 

Продолжение табл. 3.3

Вариант 3	Вариант 4
Вариант 5	Вариант 6
Вариант 7	Вариант 8

 

Продолжение табл. 3.3

Вариант 9	Вариант 10
Вариант 11	Вариант 12
Вариант 13	Вариант 14

Продолжение табл. 3.3

Вариант 15	Вариант 16
Вариант 17	Вариант 18
Вариант 19	Вариант 20

 

Продолжение табл. 3.3

Вариант 21	Вариант 22
Вариант 23	Вариант 24
Вариант 25	Вариант 26

 

Продолжение табл. 3.3

Вариант 27	Вариант 28
Вариант 29	Вариант 30