Изучение полевых транзисторов: Методические указания к лабораторной работе по дисциплинах «Электроника» и «Электронные приборы»

                                  МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра  «Радиотехника»

Л.Я.Мельникова

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине

«Электроника» и  «Электронные приборы»

Санкт-Петербург

2003

1.Цель и содержание работы.

     Работа посвящена изучению свойств полевых транзисторов. В ней исследуются статические характеристики транзисторов с управляющим  р- n - переходом и транзисторов с изолированным затвором.

2. Краткие сведения из теории.

    Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, свойства которого обусловлены потоком основных носителей, управляемым электрическим полем. Область полупроводника, в которой реализуется поток носителей заряда, называется проводящим каналом.

   Полевой транзистор имеет три или более электрода. Электрод, через который носители втекают в канал, называется истоком, а электрод, через который они из канала вытекают – стоком. Проводимость канала определяется величиной напряжения на управляющем электроде, носящем название затвор. Различают две основные группы полевых транзисторов:

-  с управляющим р- n – переходом;

-  с изолированным затвором.

    В первой группе для управления каналом используют поле р- n – перехода, во второй – поле в диэлектрике, который расположен между металлическим затвором и полупроводниковым проводящим каналом. Такие полевые транзисторы часто называют МДП – транзисторы ( по  структуре: металл – диэлектрик- полупроводник) или МОП – транзисторы (если в качестве диэлектрика используется окисел, например SiO₂ ).

    В зависимости от электропроводности канала различают полевые транзисторы р – или  n– типа.

  А) Транзисторы с управляющим р – n – переходом.

  Устройство такого транзистора показано на рис. 1. Он представляет собой  полупроводниковую структуру, обычно кремниевую, с одним р- n – переходом. Область между стоком и истоком имеет меньшую концентрацию основных носителей по сравнению с областью затвора. Поэтому  р- n –переход расположен в основном в области сток – исток.

Аналогично биполярному транзистору у полевого транзистора  различают три схемы включения: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).  На рис.1 показана схема включения с ОИ. Между стоком и истоком включен источник питания Е_СИ. На затвор транзистора подают обратное смещение относительно истока: - Е_ЗИ. Поэтому р–n – переход включен в обратном направлении.

Действие прибора основано на модуляции ширины канала при изменении обратного напряжения, приложенного к переходу. При увеличении обратного напряжения ширина запирающего слоя перехода возрастает, ширина канала возрастает, что приводит к снижению тока в цепи сток – исток. Таким образом, током стока (I_C) можно управлять, изменяя обратное смещение р-n-перехода. Так как входной ток затвора, обусловленный неосновными носителями мал, то в отличие от биполярных транзисторов, управляемых входным током, полевые транзисторы управляются входным напряжением. Входное сопротивление, определяемое сопротивлением р-n перехода, включенном  в обратном направлении, достигает 10⁴ --10⁶ Ом, что является одним из преимуществ по сравнению с биполярными транзисторами.

    Взаимосвязь между  токами и напряжением в полевом транзисторе определяется следующими зависимостями:

I_C  =f (U_ЗИ) при U_СИ = const – характеристика прямой передачи (стоко-      затворная);

I_C  =f (U_СИ) при U_ЗИ = const –  выходная характеристика;

I_З  =f (U_ЗИ) при U_СИ = const – входная характеристика;

I_З  =f (U_СИ) при U_ЗИ = const – характеристика обратной передачи.

Практически используют лишь первые две характеристики. На рис.2а представлены выходные статические характеристики, а на рис. 2б – характеристики прямой передачи.

При U_ЗИ = 0 и малых значениях U_СИ ширина канала велика и поэтому ток стока  на участке АБ (рис.2а) возрастает почти линейно и  пропорционален проводимости канала. Далее при  росте U_СИ сечение канала начинает сужаться и увеличение тока замедляется (участок БВ). Затем наступает динамическое равновесие, обусловленное двумя причинами:   увеличение напряжения стока приводит к сужению канала, кроме того, ток протекающий в канале, создает на нем падение напряжения, которое является обратным  смещением для  р-n-перехода.  Вблизи стока напряжение на р-n-переходе |U_{pn C}| = |U_ЗИ| + |U_C|, а вблизи истока |U_pnИ| = |U_ЗИ|, поэтому ширина запирающего слоя у стока больше,  а сечение канала меньше. На участке ВГ ток остается практически постоянным. Напряжение стока, при котором наступает такой режим,  называют напряжением насыщения.