ЛАБОРАТОРНА РОБОТА
Вивчення роботи польового транзистора
Мета роботи: ознайомитися з принципами роботи польового транзистора, побудувати стокові характеристики транзистора.Короткі теоретичні відомості
У багатьох сучасних електронних пристроях використовують транзистори, струм носіїв яких тече по так званому каналу, утвореному всередині кремнієвого кристала. Цим струмом можна управляти, прикладаючи електричне поле. Такі прилади називаються польовими транзисторами (в англомовній літературі застосовують скорочення FET - Field Effected Transistor). В даний час ці транзистори грають важливу роль, будучи елементами інтегральних схем, які містять на одному кристалі від сотень тисяч до мільйонів напівпровідникових приладів. У свою чергу на базі таких інтегральних схем створюють комп'ютери, мікропроцесорні системи, пристрої обробки сигналів і інІснують три групи польових транзисторів: типу МОП (метал-оксид-напівпровідник), з керуючим p - n - переходом, з керуючим переходом метал-напівпровідник.
І |
З |
З |
З |
І |
З |
- |
+ |
+ |
- |
n |
p |
n |
Рис. 1. Польовий транзистор з керуючим p - n - переходом і каналом p - типу: а) - фізична структура, б) - умовне графічне позначення. |
а) |
б) |
U СІ |
U ЗИ |
Розглянемо пристрій польового транзистора з керуючим p - n - переходом (див. рис.1).
Тонка пластинка напівпровідника (канал) оснащена двома омічними електродами (витік, стік). Між витоком і стоком розташований третій електрод - затвор. Напруга, прикладена між затвором і будь-яким з двох інших електродів, призводить до появи в подзатворного області каналу електричного поля. Вплив цього поля призводить до зміни кількості носіїв заряду в каналі поблизу затвора і змінює опір каналу.
Якщо канал польового транзистора - напівпровідник n - типу, то струм у ньому переноситься електронами, що входять в канал через витік, до якого в цьому випадку прикладається негативний потенціал, і виходить з каналу через стік. Якщо канал польового транзистора - напівпровідник p - типу, то до витоку прикладається позитивний потенціал, а до стоку - негативний. При будь-якому типі провідності каналу струм завжди переноситься носіями заряду тільки одного знаку: або електронами, або дірками, тому польові транзистори називають іноді уніполярними транзисторами.
Розрізняють два основних типи польових транзисторів. До першого типу відносять польові транзистори, в яких затвором служить p - n - перехід (польовий транзистор з керуючим pn-переходом) або бар'єр метал-напівпровідник (Шотткі бар'єр). Яку другого типу відносять польові транзистори, в яких металевий електрод затвора відділений від каналу шаром діелектрика, - польові транзистори з ізольованим затвором.
p |
n + |
n + |
U C = 0 |
d |
U З = 0 |
І |
p |
p |
U C = U C нас <0 |
÷ U C ê <÷ U C нас ê |
І |
І |
Відсічення |
Насичення |
U З> 0 |
U З> 0 |
Рис. 2. Поперечний розріз польового транзистора з керуючим pn-переходом при різних напругах. |
При фіксованій напрузі на затворі U З = const струм I C зростає до тих пір, поки напруга стоку U C не досягне значення, вище якого струм I C залишається постійним. Фізично це означає, що канал переходить у режим відсічки. Чим більше значення
У польовому транзисторі з ізольованим затвором між каналом польового транзистора і металевим електродом затвора розміщується тонкий шар діелектрика (рис. 3, 4). Тому такі польові транзистори називають МДП-транзисторами (метал-діелектрик-напівпровідник). Часто в МДП-транзисторі шаром діелектрика служить окисел на поверхні напівпровідника. У цьому випадку польовий транзистор називають МОП-транзистором (метал-окисел-напівпровідник). Перші МДП-транзистори з'явилися в
З |
p |
n + |
n + |
n |
З |
І |
SiO 2 |
а) |
б) |
Рис. 3. Структура МДП-транзистора з ізольованим затвором та вбудованим каналом n - типу: а) фізична структура, б) умовне графічне позначення. |
З |
З |
І |
середині 50-х років.
МДП-транзистори можуть бути як з нормально відкритим, так і з нормально закритим каналами. МДП-транзистор з нормально відкритим, вбудованим каналом зображений на рис. 3 на прикладі МДП-транзистора з каналом n - типу. Транзистор виконаний на підкладці p - типу. Зверху підкладки методами дифузії формуються провідний канал n - типу і дві глибокі
Якщо ж на затвор подати позитивна напруга, то під дією поля, створеного цією напругою, з областей стоку і витоку, а також з кристала в канал приходитимуть електрони; провідність каналу при цьому збільшується і струм стоку зростає. Цей режим називають режимом збагачення.
МДП-транзистор з індукованим каналом зображений на рис. 4. З порівняння (рис. 3 та 4) видно, що цей транзистор відрізняється від МДП-транзистора з вбудованим каналом відсутністю n - шару під затвором. Якщо напруга на затворі відсутня
З |
p |
n + |
n + |
канал |
З |
І |
SiO 2 |
б) |
Рис. 4. Структура МОП-транзистора з ізольованим затвором і індукованим каналом n - типу: а) фізична структура, б) умовне графічне позначення. |
З |
З |
І |
+ U ЗИ |
-U СІ |
Якщо підключити до затвору напруга
Основними достоїнствами польових транзисторів є: високий вхідний опір, великий динамічний діапазон (верхня межа по частоті досягає 80 МГц), висока стабільність і мала чутливість до радіаційного випромінювання.
Виконання роботи
m А |
GB1 |
- |
+ |
K |
V |
R |
+ |
- |
12 В |
Рис. 5. Схема для дослідження стокових характеристик польового транзистора. |
Опис експериментальної установки.
Для отримання характеристик польового транзистора типу КП302 схему (рис. 5) підключити до джерела постійного струму (12 В). Стоковий характеристику (залежність струму стоку від напруги між витоком і стоком) отримують при фіксованій напрузі на затворі. Зі збільшенням напруги струм стоку спочатку зростає, а потім це наростання сповільнюється. Явище, що нагадує насичення, пояснюється тим, що зі збільшенням напруги на стоці одночасно підвищується зворотна напруга на p - n - переході і канал звужується (його опір зростає). Напруга на затворі встановлюється за допомогою ключа К.
Порядок проведення вимірювань і обробки результатів
1) Підключити до джерела живлення ВС 4-12 схему, подану на рис. 5.2) Перемикач вихідної напруги джерела живлення ВС 4-12 встановити в положення «12 В».
3) Подати на затвор з допомогою ключа К напруга 1 - 1,5 В. Збільшуючи напруга від 0 до 12 В, за допомогою обертання ручки потенціометра R, зняти стоковий характеристику транзистора. Для цього необхідно змінювати напругу на стоці ступінчасте з кроком в 1 В і при цьому записувати в таблицю відповідні кожному кроці значення струму за показаннями мікроамперметра.
4) Зняти стоковий характеристику транзистора при напрузі на затворі
5) Занести всі вимірювання в таблицю. Побудувати стокові характеристики, тобто залежність між струмом і напругою при двох різних напругах на затворі.
Таблиця
1 | |||
2 | |||
... |
1. Що спільного у польового транзистора з біполярним транзистором, електронної лампою?
2. Опишіть пристрій польового транзистора з керуючим p - n - переходом.
3. Чим визначається товщина каналу в польовому транзисторі з управляючим p - n - переходом.
4. Поясніть причину насичення в стокової характеристиці польового транзистора.
5. Як залежить вигляд стокової характеристики від напруги на затворі?
6. У чому відмінність польових транзисторів з ізольованим затвором? Що фізично означає ізольований затвор?
7. Опишіть будову та роботу польового транзистора з вбудованим каналом.
8. Опишіть будову та роботу транзистора з індукованим каналом.
9. Як виникає інверсія типу провідності?