Схема электрической цепи для снятия стоковой и стоко-затворной характеристик ПТ

Лабораторная работа №11-12

Изучение полевого транзистора с управляющим p- n - переходом

Цель работы: научиться снимать стоковые (выходные) и стоко-затворные (проходные или передаточные) характеристики и определять по ним параметры полевых транзисторов.

Приборы и принадлежности:

1. Авометр АВО-63,

2. Прибор комбинированный Щ4313 – 2 шт.,

3. Источник электропитания ИЭПП-2,

4. Источник электропитания ИПС-1,

5. Полевой транзистор КП103 или КП 303,

6. Переменный резистор,

7. Соединительные провода.

Контрольные вопросы для подготовки к лабораторному занятию

1. Чем полевой транзистор отличается от биполярного. Обоснуйте следующие названия полевого транзистора: полевой, униполярный, канальный.

2. Устройство и принцип работы полевого транзистора с управляющим p - n – переходом.

3. Условные обозначения полевых транзисторов с управляющим p - n – переходом для каналов различного типа проводимости.

4. Стоко-затворные характеристики полевого транзистора с управляющим p - n – переходом для каналов различного типа проводимости. Объяснить отличия.

5. Какое напряжение называют напряжением отсечки. Экспериментальное определение.

6. Крутизна характеристики полевого транзистора. Расчётная формула, физический смысл, методика определения.

7. Стоковая характеристика полевого транзистора с управляющим p - n – переходом.

8. Выходная проводимость и выходное сопротивление полевого транзистора. Расчётные формулы, методика определения.

9. Статический коэффициент усиления полевого транзистора. Расчётная формула, физический смысл, методика определения.

10. Как по стоковой характеристике определить участки «открывания» транзистора, сужения канала, насыщения, пробоя.

11. Принципиальные схемы электрических цепей для снятия стоковых и стокозатворных характеристик полевых транзисторов и управляющим p - n – переходом для каналов различного типа проводимости.

12. Как учесть погрешность измерения электроизмерительными приборами при снятии стоковых и стокозатворных характеристик полевого транзистора.

13. Как определить исправность ПТ с управляющим p - n – переходом, вывод его затвора и тип канала.

14. Почему выводы стока и истока ПТ с управляющим p - n – переходом может обозначить сам экспериментатор.

Краткая теория

Биполярные транзисторы управляются током, вследствие чего имеют малое входное сопротивление, что в ряде случаев является недостатком. Поэтому были разработаны специальные транзисторы с большим входным сопротивлением - полевые транзисторы (ПТ).

Термин «полевой» подчеркивает, что управление выходным током в этом полупроводниковом приборе осуществляется электрическим полем во входной цепи, а не током, как в биполярных транзисторах.

Также эти транзисторы называют униполярными или канальными. Униполярными их называют потому, что в работе транзистора принимают участие носители одной полярности. Канальными их называют потому, что ток в выходной цепи протекает через его канал (канал – это область полевого транзистора, через которую протекают основные носители заряда).

Полевые транзисторы, как правило, имеют три вывода: исток – вывод, от которого в канал приходят основные носители заряда; сток – вывод, к которому приходят из канала носители заряда; затвор – вывод, на который подаётся управляющее напряжение относительно стока или истока.

Полевые транзисторы бывают:

1. с управляющим p - n – переходом (рис.1),

2. с изолированным затвором, так называемые МДП – транзисторы (металл – диэлектрик - полупроводник) или МОП – транзисторы (металл – окисел - полупроводник). Данные транзисторы подразделяются на два типа: со всторенным (собственным) каналом (рис.8 слева) и индуцированным каналом (рис.8 справа).

Полевой транзистор с управляющим p - n – переходом

Принцип работы

В основе работы полевого транзистора с управляющим p-n - переходом лежит изменение площади поперечного сечения проводящего канала.

Конструкция полевого транзистора с управляющим переходом с каналом n – типа представлена на рисунке 1, а условные обозначения – на рисунке 2.

ПТ содержит тонкий слой полупроводника n – типа (канал), две области полупроводников с проводимостью p – типа, металлические контакты, разделённые между собой слоем диэлектрика (в данном случае - оксида кремния). Канал через металлические контакты соединён с выводами истока и стока, полупроводники p – типа – с выводом затвора. Между p – полупроводниками и каналом образуются два p-n – перехода.

Ток, протекающий в цепи ПТ в направлении от истока к стоку (ток стока – или выходной ток), представляет движение электронов от истока к стоку. Он будет протекать, если между стоком и истоком подключить внешнее напряжение («минус» источника к истоку, «+» - к стоку – полярность в скобках на рис.1). Величину тока можно менять, меняя .

Также управление током стока происходит под действием напряжения , приложенного между затвором и истоком. Для данного вида транзистора является обратно приложенным к p-n – переходу (полярность без скобок на рис.1). От его величины зависит площадь поперечного сечения канала: чем больше величина обратного напряжения , тем больше толщина p-n – перехода и меньше поперечное сечение канала. С уменьшением ширины канала уменьшается ток стока, а выходное сопротивление увеличивается.

Рис.1

Следует отметить, что напряжения и могут изменять конфигурацию проводящего канала. Это связано с тем, что напряжение на p-n - переходе у истокового конца равно , а у стокового конца , поэтому объединенная область у стокового конца будет шире, чем у истокового (выделена пунктиром - см. рис.1).

При некотором отрицательном напряжении обедненные слои обоих p-n -переходов могут сомкнуться, площадь поперечного сечения проводящего канала станет равной нулю, сопротивление канала окажется равным бесконечности, а ток стока - равным нулю. Это означает, что транзистор закроется. Напряжение между затвором и истоком, при котором транзистор закрывается, называют напряжением отсечки .

ПТ с управляющим p - n –переходом каналом n - типа

ПТ с управляющим p - n –переходом каналом p - типа

Рис.2

Характеристики

Наиболее частый способ подключения полевого транзистора в цепь – способ включения по схеме с общим истоком (см.рис.3). Применительно к схеме с общим истоком зависимости между токами и напряжениями электродов ПТ могут быть выражены рядом характеристик. Рассмотрим некоторые из них.

Рис.3

1. Стоко-затворная характеристика (характеристика прямой передачи) – зависимость тока стока от напряжения затвор – исток при постоянном напряжении сток – исток:

при

. 2. Стоковая (выходная) характеристика – зависимость тока стока от напряжения сток – исток при постоянном напряжении затвор – исток:

при

. Указанные характеристики приведены на рисунке 4: слева – стоко-затворная характеристика, справа – стоковые для различных напряжений

Рис.4

Рассмотрим стоковые характеристики ПТ. При малых значениях увеличение тока стока с ростом напряжения происходит почти по линейному закону. На данном участке ПТ «открывается». Некоторая нелинейность объясняется сужением канала у стокового конца. Когда напряжения между стоком и истоком достигает напряжения насыщения , рост тока прекращается вследствие дальнейшего сужения канала вблизи стока. Наличие отрицательного напряжения затвора приводит к уменьшению тока насыщения. При достаточно большом напряжении происходит пробой p - n – перехода у стокового конца канала (точка соответствующая напряжению ) и резкое возрастание тока стока.

Стоко-затворные характеристики снимаются при напряжениях , так как в этом случае изменения напряжения тока мало влияют на величину тока в его цепи. Транзистор с управляющим переходом с каналом n-типа работает лишь в области отрицательных напряжений затвора. На рисунке 5 приведены стоко-затворные характеристики для ПТ с управляющим переходом с каналом n-типа при различных напряжениях , где (слева); а также стоко-затворные характеристики для ПТ с управляющим переходом с аналогичными характеристиками, но с каналами различного типа проводимости.

Рис.5

По характеристикам ПТ можно определить:

· Максимальный ток стока – ток стока при напряжении сток - исток, равном напряжению насыщения, и нулевом напряжении смещения на затворе.

· Напряжение насыщения – напряжение сток - исток, при котором наступает насыщение тока стока при нулевом смещении на затворе.

· Напряжение отсечки – напряжение затвор - исток, при котором ток стока равен нулю.

Параметры ПТ

Поскольку ПТ – прибор, управляемый напряжением, то рационально использовать систему уравнений с Y – параметрами. Токи в этой системе считают функциями от напряжений. Для ПТ, включённых в схеме с общим истоком ток затвора , а ток стока .

Выражения для полных дифференциалов токов затвора и стока можно представить в виде:

При получим

, и .

При получим

, и .

Параметр является входной проводимостью, – обратной проводимостью. Так как входной ток очень мал, то данными Y – параметрами можно пренебречь.

Параметр называется проводимостью прямой передачи или крутизной характеристики S. Она характеризует управляющее действие затвора.

при .

Параметр – это выходная проводимость:

при

Вместо входной и выходной проводимостей ПТ используют соответственно входное и выходное дифференциальные сопротивления:

при , при .

При определении параметров ПТ обычно оценивают крутизну характеристики S и выходное сопротивление.

Помимо рассмотренных параметров используют параметр, характеризующий сравнительное воздействие напряжений стока и затвора на ток стока. Этот параметр называется коэффициентом усиления μ. Он равен отношению приращений напряжений стока и затвора, вызывающих одинаковые по величине и противоположные по знаку приращения тока стока:

μ .

Знак «-» учитывает, что положительному приращению , увеличивающему ток на величину соответствует отрицательное приращение , уменьшающее ток на ту же самую величину , благодаря чему обеспечивается постоянство тока . Параметр μ определяется через параметры S и следующим образом:

μ = .

Методика нахождения крутизны и выходного сопротивления представлена на рисунке 6.

Рис.6

Схема электрической цепи для снятия стоковой и стоко-затворной характеристик ПТ

Рис.7

Схема электрической цепи для снятия стоковой и стоко-затворной характеристик ПТ с управляющим p - n – переходом каналом n-типа представлена на рисунке 7. В качестве источников напряжения во входной и выходной цепях можно использовать приборы ИЭПП-2 или ИПС-1. Вольтметром V₁ измеряется напряжение затвор-исток, вольтметром V₂ – напряжение сток-исток. В качестве вольтметров целесообразнее всего использовать прибор Щ4313 или любой мультиметр. Миллиамперметр измеряет ток стока. В качестве миллиамперметра можно использовать прибор АВО-63 или Щ4313. Так как входное сопротивление ПТ велико, (от 10⁶ до 10⁹ Ом для транзисторов с управляющим p - n - переходом), а ток затвора мал (от десятков наноампер и ниже), то параллельно переходу затвор – исток включают переменный резистор.

При снятии экспериментальных точек необходимо учитывать погрешность, возникающую вследствие несовершенства схемы электрической цепи. Так, например, по схеме, приведённой на рисунке 7, с достаточно малой погрешностью измерения можно будет снять участок стоковой характеристики в режиме насыщения. Для режима открывания транзистора и сужения канала целесообразнее будет вольтметр V₂ поставить перед миллиамперметром. Можно уменьшить погрешность измерений, не меняя схемы электрической цепи, а учитывая, что .

При снятии характеристик нельзя допускать превышения предельно допустимых параметров транзистора. Предельно допустимые и некоторые другие параметры ряда полевых транзисторов типа КП 103 представлены в таблице 1.

Таблица 1

Транзистор	Предельные значения при Т=25⁰С			Значения параметров при Т=25⁰С
Транзистор	, m Вт	, В	В	, В	, мкСм	, нА	S, mA /В	, mA
КП103Е	7	10	15	0,4-1,5	<5	20	0,4-2,4	0,3-2,5
КП103Ж	12	10	15	0,5-2,2	<10	20	0,5-2,8	0,85-3,8
КП103И	21	12	15	0,8-3	<15	20	0,8-2,6	0,8-1,8
КП103К	38	10	15	1,4-4	<20	20	1,0-3,0	1-5,5
КП103Л	66	12	17	2-6	<40	20	1,8-3,8	1,8-6,6
КП103М	120	10	17	2,8-7	<70	20	1,3-4,4	3-12

Дата добавления: 2021-11-30; просмотров: 49; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!