Определение параметров плевых транзисторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторная работа № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Цель работы

Изучение свойств полевых транзисторов, приобретение практических навыков анализа характеристик полевых транзисторов.

Работа выполняется в системе моделирования MicroCAP.

В работе необходимо определить характеристики полевых транзисторов.

Теоретическая часть

Полевыми транзисторами называются полупроводниковые элементы, которые в отличие от обычных биполярных транзисторов управляются электрическим полем, т.е. практически без затрат мощности управляющего сигнала.

Существуют две больших группы полевых транзисторов:

- полевые транзисторы с управляющим p - n переходом (JFET - Junction Field Effect Transistor), в которых изоляция канала от источника управляющего напряжения обеспечивается обратно смещенным p - n переходом;

- полевые транзисторы с МОП (металл - оксид - полупроводник) или МДП (металл - диэлектрик - полупроводник) структурой. Зарубежное обозначение MOSFET (или сокращенно MOS). В этих транзисторах изоляция канала от управляющего электрода обеспечивается с помощью диэлектрика (двуокиси кремния).

МОП - транзисторы бывают двух видов: со встроенным (созданным технологически) каналом и с индуцированным (создается внешним электрическим полем) каналом. Все типы транзисторов могут быть как n - канальные, так и p - канальные. Классификация и условные графические изображения транзисторов приведены на рис.1.

В системе моделирования MicroCAP транзисторы с управляющим p - n переходом обозначаются как NJFET и PJFET, МОП - транзисторы как NMOS и PMOS. В MicroCAP не делается различие между МОП транзисторами со встроенным и индуцированным (наведенным) каналом. Отличить один тип транзистора от другого можно по величине напряжения отсечки или пороговому напряжению - параметр VTO полевого транзистора. DNMOS и DPMOS - это МОП транзисторы с индуцированным каналом, у которых подложка соединена с истоком.

Затвор З (G - gate) - управляющий электрод. Он управляет величиной сопротивления между стоком С (D - drain) и истоком И (S - source). Управляющим напряжением является напряжение U_зи. Большинство полевых транзисторов являются симметричными, т.е. их свойства не изменяются, если электроды С и И поменять местами.

Рассмотрим сначала работу полевого транзистора с управляющим р - n переходом. Полевой транзистор с управляющим p - n - переходом представляет собой пластину из полупроводникового материала, имеющего электропроводность определенного типа, от которого сделаны два вывода - сток - исток рис.2. Вдоль пластины выполнен электрический переход (p-n переход или барьер Шотки), от которого сделан третий вывод - затвор. Для включения транзистора напряжение U_си прикладывают так, чтобы между стоком и истоком протекал ток, а напряжение, приложенное к затвору смещает его в обратном направлении (рис.3).

Сопротивление области сток - исток (канала) зависит от напряжения на затворе. Это обусловлено тем, что размеры перехода увеличиваются с повышением приложенного к нему отрицательного обратного напряжения на затворе. Это приводит к увеличению сопротивления канала. Таким образом, работа полевого транзистора с управляющим p - n - переходом основана на изменении сопротивления канала сток - исток за счет изменения обратного напряжения U_зи. Напряжение U_зи, при котором ток стока достигает заданного низкого значения тока стока называется напряжением отсечки полевого транзистора - U_{зи отс}.

Ширина p - n - перехода, следовательно, и сопротивление канала зависит от тока, протекающего через канал. Если U_си > 0, то ток стока, создает по длине канала падение напряжения, которое оказывается запирающим для перехода затвор - канал, это приводит к уменьшению проводимости канала (к увеличению сопротивления). По мере роста U_си ток стока как функция напряжения сток - исток, все сильнее отклоняется от линейной. При определенном значении тока наступает режим насыщения, который характеризуется, тем, что с увеличением U_си ток стока (канала) увеличивается незначительно.

Напряжение, при котором наступает режим насыщения, называется напряжением насыщения.

Характеристики полевого транзистора с управляющим p - n - переходом показаны на рис. 4.

Качественно характеристики полевого транзистора подобны характеристикам биполярного транзистора. При этом сток полевого транзистора соответствует коллектору биполярного транзистора, затвор - базе и исток - эмиттеру биполярного транзистора. Так как входной ток полевого транзистора практически равен 0, то входная характеристика не строится.

Из передаточной характеристики видно, что ток стока транзистора протекает при напряжении U_зи = 0. Такие транзисторы называются нормально-открытыми. Значение тока стока при U_зи = 0 называется начальным током стока I_{C нач}. Его величина для маломощных полевых транзисторов может быть равна I_{C нач} = 1, …, 50 мА. Напряжение U_зи не должно превосходить величины 0 В, т.к. в противном случае p - n переход между затвором и каналом смещается в прямом направлении и транзистор будет потреблять большой входной ток, при этом теряется основное преимущество полевого транзистора - возможность управления напряжением, а не током.

Напряжение U_зи, при котором ток стока достигает заданного низкого значения называется напряжением отсечки полевого транзистора. Для n - канальных транзисторов напряжение отсечки отрицательное, а для p - канальных положительное. Величина напряжения отсечки составляет |U_отс| = 0,5 … 5 В.

В выходных характеристиках полевого транзистора можно выделить три области.

Область I - крутая область - может использоваться как омическое управляемое сопротивление. При этом напряжение между стоком и истоком относительно мало.

Область II называется пологой или областью насыщения. В усилительных каскадах транзистор работает на пологом (в области насыщения) участке характеристик. В III области происходит пробой транзистора.

Как уже отмечалось, напряжение, при котором наступает режим насыщения, называется напряжением насыщения. Как видно из выходных характеристик, напряжение насыщения меняется при изменении напряжения U_зи. Так как влияние U_зи и U_си на ширину канала у стокового вывода практически одинаково, то U_{си нас} при U_зи = 0 равно |U_отс| и

U_{си нас} = |U_{зи отс}| - |U_зи|.

Другими словами, напряжения насыщения транзистора можно получить путем наложения передаточной характеристики на выходные и совмещая U_отс с началом координат.

При работе в пологой области передаточная характеристика полевого транзистора, представленная на рис.4 а может быть описана уравнением

где I_{c нач} - начальный ток стока.

Так как управление полевым транзистором осуществляется напряжением на затворе, то для количественной оценки управляющего действия затвора используют крутизну характеристики

при U_си = const.

Продифференцировав выражение (1) получим формулу для вычисления крутизны транзистора

Максимальное значение крутизны транзистора достигается при U_зи = 0

Максимальная крутизна полевого транзистора составляет S_max = 2, …, 20 мА/В.

Можно отметить, что при равных токах стока полевого и коллектора биполярного транзисторов крутизна полевого транзистора существенно ниже, чем биполярного.

МОП (МДП) транзисторы

полевой транзистор электрический мощность

Основой МОП (металл - оксид - полупроводник) транзистора является кремниевая подложка с проводимостью p- или n- типа (рис 5). На подложке на малом расстоянии друг от друга созданы две области - истока и стока с проводимостью, противоположной проводимости материала подложки. Между стоком и истоком над поверхностью расположена металлическая пленка - затвор, изолированная от подложки тонким слоем диэлектрика - диоксида кремния SiO₂. Отсюда и другие названия приборов этого класса: МДП транзисторы или транзисторы с изолированным затвором.

Участок подложки под затвором между истоком и стоком образует проводящий канал. Работа МОП транзистора основана на изменении концентрации свободных носителей заряда в канале под влиянием электрического поля, создаваемого напряжением, приложенным между затвором и истоком. Для этих приборов характерна взаимозаменяемость стока и истока, т. е. ток в канале может протекать в обоих направлениях в зависимости от полярности напряжения, приложенного к каналу.

В зависимости от устройства канала проводимости различают МОП транзисторы со встроенным и индуцированным (наведенным) каналом. Это в равной мере относится к приборам p- и n- типа. У транзисторов со встроенным каналом канал является элементом конструкции, а у приборов с индуцированным каналом канал, как таковой, отсутствует: он наводится внешним напряжением.

Напряжение питания подают на сток и исток. У транзисторов с каналом n-типа сток должен иметь положительный потенциал относительно истока. Так как подложка образует с каналом диодное соединение, то напряжение на ней должно быть ниже напряжения проводимости. Она может быть соединена с истоком или с точкой схемы, в которой напряжение ниже, чем у истока n - канального и выше чем у p - канального МОП - транзистора. Вывод подложки в большинстве случаев соединяют с истоком.

МОП - транзисторы со встроенным каналом находят применение в аналоговой технике. В дискретной технике употребляется МОП - транзистор с индуцированным каналом.

На рис.6 изображены передаточные характеристики МОП транзисторов со встроенным и индуцированным каналами для n - и p - типов. Эти характеристики показывают зависимость тока стока (канала) транзистора от напряжения затвор - исток. Выходные характеристики МОП - транзистора подобны выходным характеристикам транзистора с управляющим p - n переходом.

У МОП - транзистора затвор может иметь любую полярность о относительно истока; при этом тока затвора не будет, поскольку затвор гальванически не связан с цепью сток - исток.

Характеристики МОП транзистора со встроенным каналом аналогичны характеристикам транзистора с управляющим p - n переходом.

Рассмотрим подробнее работу транзистора с индуцированным каналом n-типа. При включении транзистора напряжение на стоке должно быть одной полярности с напряжением на затворе, при котором образуется канал проводимости. Когда на затворе нулевое напряжение, ток в цепи сток - исток отсутствует, так как обе эти области электрически изолированы друг от друга. Когда к затвору транзистора приложено положительное напряжение, в слое полупроводника подложки под затвором происходит инверсия типа проводимости поверхностного слоя между истоком и стоком за счет концентрации свободных электронов.

С ростом положительного смещения на затворе наступает момент, когда концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и в материале подложки p - типа образуется тонкий инверсный слой n - типа. Этот слой становится токопроводящим каналом между n- областями истока и стока.

Напряжение затвор - исток, при котором возникает канал и в цепи сток - исток появляется ток, называется пороговым U_пор. Пороговое напряжение лежит в пределах 1,5 - 3 В.

Канал в транзисторах p- типа формируется сходным образом с той лишь разницей, что электроны и дырки меняются местами. МОП - транзисторы с наведенным каналом часто называют транзистором с обогащением.

Задание и порядок выполнения

В режиме DC определить передаточные и выходные характеристики полевого транзистора с управляющим p - n - переходом и МОП - транзистора. Тип транзисторов выбрать из таблицы вариантов. Для определения характеристик транзистора используйте схему, представленную на рис.3.

По передаточной характеристике транзистора с управляющим p - n - переходом определить напряжение отсечки, начальный ток стока и максимальную крутизну транзистора. Сравнить крутизну транзистора с расчетным значением по формуле (3).

По передаточной характеристике МОП - транзистора определить пороговое напряжение и крутизну транзистора для того же тока стока, для которого определялась крутизна транзистора с управляющим p - n - переходом.

По выходным характеристикам транзисторов определить область насыщения транзисторов.

Постройте выходные характеристики одного из транзисторов для малых положительных и отрицательных значений напряжений |U_си | < U_{си нас} Что можно сказать о характере изменения характеристик в зависимости от напряжения затвор - исток? Как можно представить транзистор в этом режиме работы?

Таблица вариантов

Содержание отчета

привести схемы проведения экспериментов;

привести необходимые графики, полученные при моделировании;

ответить на поставленные вопросы при исследовании ключевых схем;

сделать выводы.

Контрольные вопросы

1) Приведите классификацию полевых транзисторов.

2) Чем отличаются структуры полевых транзисторов с управляющим p - n и МОП транзисторов?

3) Какие виды МОП транзисторов бывают и чем они отличаются?

4) Покажите передаточные характеристики транзистора с управляющим p - n переходом и МОП транзисторов со встроенным и индуцированным каналом.

5) Что такое напряжение отсечки и пороговое напряжение.

6) Чем ограничивается ток стока транзистора с управляющим p - n переходом и МОП транзисторов?

7) Чему равно максимальное напряжение затвор - исток для n - канального транзистора с управляющим p - n переходом?

8) Покажите выходные характеристики полевого транзистора.

9) Как можно рассматривать выходные характеристики полевых транзисторов при малых напряжениях сток - исток?

Размещено на Allbest.ru