Лабораторна робота №7

ДОСЛІДЖЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК І ПАРАМЕТРІВ

ПОЛЬОВИХ ТРАНЗИСТОРІВ

Мета роботи: поглиблення і закріплення знань про польові транзистори, а також придбання навичок експериментального зняття статичних вихідних і керуючих (стокзатворних) характеристик, побудови лінії навантаження й електричних моделей, визначення диференціальних і часових параметрів МДН-транзисторів.

7.1. ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Перша назва польових транзисторів – уніполярні транзистори. Це пов’язано з тим, що в таких транзисторах використовуються основні носії тільки одного типу (електрони або дірки). Процеси інжекції та дифузії в таких транзисторах майже відсутні, у всякому разі, вони не відіграють практичної ролі. Основним способом руху носіїв є дрейф в електричному полі.

Для того щоб керувати струмом у напівпровіднику за постійного електричного поля, необхідно змінювати питому провідність напівпровідникового шару або його площу. На практиці використовують обидва способи і засновані вони на ефекті поля (керування напругою на затворі). Тому уніполярні транзистори звичайно називають польовими транзисторами. Провідний шар, по якому тече струм, називають каналом. Звідси ще одна назва – канальні транзистори.

Канали можуть бути поверхневими і об’ємними. Поверхневі канали являють собою або збагачені шари, обумовлені присутністю донорних домішок в діелектрику, або інверсні шари, які утворюються під дією зовнішнього поля. Об’ємні канали являють собою ділянки однорідного напівпровідника, відділеного від поверхні збідненим шаром.

Транзистори з об’ємним каналом відрізняються тим, що збіднений шар утворюється за допомогою p-n – переходу. Тому їх часто називають польовими транзисторами з p-n – переходом або просто польовими транзисторами (рис. 7.1).

Рис. 7.1 Умовне позначення польових транзисторів з керуючим p-n – переходом:а) n-канальний; б) р-канальний

Інший тип польових транзисторів – транзистори з приповерхневим каналом і структурою метал-діелектрик-напівпровідник (МДН-транзистори). Якщо в якості діелектрика використовується окисел кремнію, то беруть назву МОН-транзистор.

Незважаючи на розходження в структурі, обидва класи транзисторів характеризуються наступними основними властивостями:

1) керуючий ланцюг цілком відділений від керованого (вихідного ланцюга) і практично не споживає струму, тобто відбувається польове, а не струмове керування приладом, що обумовлює високий вхідний опір;

2) перенесення струму здійснюється носіями одного знака, що виключає генераційно-рекомбінаційні шуми.

В цій лабораторній роботі досліджуються тільки МДН-транзистори. Вони бувають двох типів: транзистори з вбудованим і з індукованим каналами (рис. 7.2).

Рис. 7.2 Умовне позначення польових транзисторів з ізольованим затвором:а) з вбудованим n-каналом; б) з вбудованим р-каналом;

в) з індукованим n-каналом; г) з індукованим р-каналом

Транзистори першого типу (рис. 7.2) можуть працювати як в режимі збіднення каналу носіями заряду, так і в режимі збагачення. Інший тип МДН-транзисторів може працювати тільки в режимі збагачення.

Рис. 7.3 Структура транзистора з вбудованим каналом р-типу

Керуюча напруга подається між затвором і підкладкою. Під дією цієї напруги в транзисторі відбувається розширення або звуження наявного каналу. Тобто, під дією керуючої напруги змінюється ширина каналу і, відповідно, опір і струм транзистора.

Напруга на затворі, за якої індукується канал, називається пороговою напругою.

Керуюча напруга подається між затвором і підкладкою. Під дією цієї напруги в транзисторі відбувається розширення або звуження наявного каналу. Тобто, під дією керуючої напруги змінюється ширина каналу і, відповідно, опір і струм транзистора.

Напруга на затворі, за якої індукується канал, називається пороговою напругою.

7.1.1. Моделювання польових транзисторів.

Польові транзистори знаходяться в каталозі Transistors бібліотеки компонентів, перша частина якого розглядалася в лабораторній роботі №4.

Рис. 7.4 Нижня частина каталогу бібліотеки

Transistors програми Multisim

Крім біполярних транзисторів цей каталог містить польові транзистори з p-n – переходом двох типів провідності (віртуальні моделі і моделі реальних приладів), польові транзистори з ізольованим затвором з каналами різного типу (віртуальні моделі і моделі реальних приладів), моделі віртуальних чотирьохвивідних польових транзисторів з каналами різного типу, моделі віртуальних польових транзисторів на основі GaAs, моделі МОН-транзисторів з захисними діодами (рис. 7.4).

Рис. 7.5 Діалогове вікно вибору моделі МДН-транзистора з вбудованим каналом n-типу

В цій лабораторній роботі розглядаються тільки МДН-транзистори.

Після натискання кнопки вибору будь-якого польового транзистора з’явиться діалогове вікно вибору конкретної моделі транзистора (рис. 7.5).

7.1.2. Статичні характеристики МДН-транзисторів.

Найважливішими статичними характеристиками ПТ є: керуючі (стікзатворні) характеристики при і вихідні (стокові) характеристики при . Керуючі (стікзатворні, прохідні) характеристики показані на рисунку 7.6,а.

Вихідні характеристики показують, що зі збільшенням струм спочатку росте досить швидко. Потім при відбувається скорочення каналу, і транзистор переходить у режим насичення. Це пояснюється тим, що з ростом напруги на стоці збільшується спадання напруги уздовж каналу. Це обумовлює зменшення товщини каналу в міру наближення до стоку. Коли напруга стоку перевищує напругу насичення, подальше зростання струму стоку припиняється, що відповідає горизонтальній ділянці вихідної характеристики ПТ, яка називається ділянкою насичення (рис. 7.6,б).

Рис. 7.6 Характеристики ПТ з вбудованим каналом n-типу:

а) керуючі; б) вихідні (стокові)

По статичних характеристиках визначаються статичні параметри: крутість (мА/В), внутрішній опір (кОм), коефіцієнт підсилення . Крутість характеристики (провідність прямої передачі), що характеризує керуючу дію затвора, являє собою відношення зміни струму стоку до зміни напруги на затворі при короткому замиканні по перемінному струму на виході транзистора в схемі з загальним витоком:

(7.1)

Внутрішній опір характеризує вплив напруги стоку на струм стоку:

(7.2)

Статичний коефіцієнт підсилення показує, у скільки разів сильніше впливає на струм стоку напруга затвора порівняно з напругою стоку:

(7.3)

Очевидно, що коефіцієнт підсилення .

Поряд з високими коефіцієнтом підсилення і вхідним опором достоїнством польових транзисторів є низький рівень власних шумів, стійкість до радіації.