МИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) Кафедра Электроакустики и ультразвуковой техники ОТЧЕТ по лабораторной работе №8 по дисциплине «Элементная база электроники» Тема: «ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ И ОДИНОЧНЫХ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ» Студенты гр. 0586 Горбунов Д.А. Сидорин В.В. Елизаров И.А. Семыкин Г. Преподаватель Сидоренко И.Г. Санкт-Петербург 2022 Цель работы – ознакомление с принципами работы полевых транзисторов и одиночных усилительных каскадов на базе них. Задачи: Снять статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом, включенного по схеме с общим истоком; Определить экспериментально коэффициенты усиления по напряжению и мощности усилительных каскадов, а также их входные и выходные сопротивления. Основные теоретические положения Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей заряда, протекающим через проводящий канал и управляемым электрическим полем. Принцип действия полевых транзисторов основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. Вследствие этого транзисторы называют полевыми. Полевые транзисторы также иначе называют униполярными, т.к. в создании электрического тока участвуют только основные носители заряда. По способу создания канала различают полевые транзисторы с затвором в виде управляющего р-n-перехода и с изолированным затвором (МДП- или МОП- транзисторы). Транзисторы с изолированным затвором бывают двух типов: со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В зависимости от проводимости канала полевые транзисторы делятся на: полевые транзисторы с каналом р-типа и n-типа. Канал р-типа обладает дырочной проводимостью, а n-типа – электронной. 2 Полевые транзисторы с изолированным затвором с управляющим p-n переходом и встроенным каналом n-канальный р-канальный и индуцированным каналом n-типа р-типа n-типа р-типа Рисунок 1 – Классификация полевых транзисторов Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом — это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении. Каналом полевого транзистора называют область в полупроводнике, в которой ток основных носителей заряда регулируется изменением ее поперечного сечения. Электрод (вывод), через который в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала за счет управляющего напряжения, называют затвором. С С З З И Рисунок 2 - УГО полевых транзисторов 3 И Для этих транзисторов представляют интерес два вида ВАХ: стоковые и стоко-затворные. Они отражают зависимость тока стока от напряжения Uси при фиксированном напряжении Uзи: Ic = f(Uси) при Uзи = const. Ic,мА б Uзи=0 в 10 В Uзи=-1 а 6 6 Uзи=-2 4 2 2 0 4 Ic нач Ic нач 8 10 00 8 Uси=10 Uзи=-3 5 10 15 20 -1,5 -1,0 -0,5 Uзи отс Uси,В 0 Рисунок 3 – ВАХ стоковых и стоко-затворных транзисторов Особенностью полевого транзистора является влияние на проводимость канала как управляющего напряжения Uзи, так и напряжения Uси. При Uси=0 выходной ток Iс=0. При Uси 0 (Uзи=0) через канал протекает ток Ic, в результате чего создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока. Суммарное падение напряжения участка исток-сток равно Uси. Повышение напряжения Uси вызывает увеличение падения напряжения в канале и уменьшение его сечения и, следовательно, уменьшение проводимости канала. При некотором напряжении Uси происходит сужение канала, при котором границы обоих р-n-переходов смыкаются и сопротивление канала становится высоким. Такое напряжение Uси называют напряжением перекрытия или напряжением насыщения Uси.нас. При подаче на затвор обратного напряжения Uзи происходит дополнительное сужение канала, и его перекрытие наступает при меньшем значении напряжения Uси.нас. В рабочем режиме используются пологие (линейные) участки выходных характеристик. 4 Стоко-затворная характеристика полевого транзистора показывает зависимость тока Iс от напряжения Uзи при фиксированном напряжении Uси: Ic = f(Uси) при Uси = const . Полевые транзисторы с изолированным затвором Полевой транзистор с изолированным затвором – полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. УГО таких транзисторов, имеющих также название. Как было отмечено раннее, существует две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом УГО МДП- транзисторов: а − со встроенным каналом n-типа; б − со встроенным каналом р-типа; г− с индуцированным каналом n-типа; д− с индуцированным каналом р-типа. С С З З И И а б С З И С З г д И Рисунок 4 – УГО МДП-транзисторов В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO2. Отсюда другое название этих транзисторов – МОП-транзисторы. Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (1010…1014Ом). Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. В МДП-транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой 5 полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (UЗИпор). В МДП-транзисторах со встроенным каналом у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой — канал, который соединяет исток со стоком. Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа Ic =f(Uси) показаны. Стоко-затворная характеристика транзистора со встроенным каналом n-типа Ic=f(Uзи).Отличие стоковых характеристик заключается в том, что управление током транзистора осуществляется напряжением одной полярности, совпадающей с полярностью напряжения Uси. Ток Ic = 0 при Uси=0, в то время как в транзисторе со встроенным каналом для этого необходимо изменить полярность напряжения на затворе относительно истока. Ic,мА Ic,мА Uзи=7В 20 20 Uси=10В 6 15 5 10 10 4 5 5 0 15 3 5 10 15 20 Uси,В 2 0 Uзи пор 4 6 Uзи, В б а Рисунок 5 – ВАХ МДП-транзисторов Основные параметры МДП-транзисторов Параметры МДП-транзисторов аналогичны параметрам полевых транзисторов с р-n-переходом. Входное сопротивление МДП-транзисторов составляет rвх =1012…1014 Ом. Схемы включения полевых транзисторов Полевые транзисторы также как и биполярные могут быть использованы в качестве управляющих элементов в различных усилительных 6 цепях. По названию того электрода транзистора, который используется как общая точка для напряжений входного и выходного сигналов, различают три основные схемы усилителей на полевых транзисторах: с общим истоком (ОИ),с общим стоком (ОС) и с общим затвором (ОЗ). а в б Рисунок 6 – Схемы усилителей на полевых транзисторах Схема включения полевого транзистора с общим истоком является аналогом схемы с общим эмиттером для биполярного транзистора. Входное сопротивление непосредственно перехода затвор-исток достигает сотен мегаом. Схема включения полевого транзистора с общим стоком (истоковый повторитель. Такое включение используется в согласующих каскадах, где выходное напряжение должно находиться в фазе с входным. Схема с общим затвором аналогична схеме с общей базой у биполярных транзисторов. Полевой транзистор, так же как и биполярный транзистор, можно представить в виде линейного четырехполюсника. Наличие большого входного сопротивления у полевых транзисторов позволяет ввести описание с помощью Y-параметров. За независимые переменные принимаются входной ток I1 и выходной ток I2 , а за зависимые - входное напряжениеU1 и выходное напряжение U2. Для схемы с ОИ в качестве независимых переменных принимают Uзи и 7 Uси, а зависимые величины – Iз, Ic, тогда транзистор описывается следующей системой уравнений: Откуда Y-параметры для схем с ОИ будут определяться следующим образом: Параметр Формула Y11 Единицы Физический смысл измерения △ 𝐼з | △ 𝑈зи 𝑈 См Входная проводимость △ 𝐼з | △ 𝑈си 𝑈 См Проводимость обратной связи △ 𝐼с | △ 𝑈зи 𝑈 См Проводимость прямой передачи (крутизна характеристики), определяет наклон данной характеристики в любой точке △ 𝐼с | △ 𝑈си 𝑈 См Выходная проводимость. На практике часто используют обратную величину. си =const Y12 зи =const Y21(S) си =const Y22 зи =const 8 Протокол наблюдений UЗИ, В IC, мА UСИ, В при IС UЗИ=0 В мА при UЗИ=-1 В при UЗИ=-2 В при UЗИ=-3 В UВХ, В UВЫХ, В UВЫХ1, В UВЫХ2, В kU RВЫХ, кОм RВХ, кОм Iнач = 7,4 мА Uотс = -2,86 В 0 0 0 7.84 0,5 2.8 1 4.9 -1 3.61 -2 0.9 1,5 2 6.16 7.03 12 7.8 13 7.7 0 1.34 2.23 2.58 2.76 2.96 3.06 3.19 3.26 3.34 3.35 0 0.1 0.33 0.33 0 0 0 0 Схема с ОИ 0.21 2.8 (при RН=10 кОм) 2.12 (приRДОБ=100кОм) 4.65 13.3 3,2 251,35 0 0.2 0 4 8.6 -3.5 0 6 8 8.18 8.08 0.13 0.16 0.17 3 7.8 -3 0 0.22 0.25 0.28 0 0 Схема с ОС 1.82 1.64 (при RН=22 кОм) 1.1 (приRДОБ=100кОм) 1.64 0,9 10,8 33 9 0 0.001 0.001 Схема с ОЗ 0.34 3.96 (при RН=22 кОм) 3.72 (при R ДОБ=22 Ом) 2.58 11,65 1,42 0,04 Обработка результатов IC UЗИ Рисунок 7 – ВАХ стоко-затворной характеристики S IC U ЗИ при U =const си Формула 1 – Крутизна стоко-затворной характеристики 𝑆= 𝜕𝐼𝑐 4,23 = = 4,23 𝜕𝑈зи 1 Расчет крутизны стоко-затворной характеристики 10 IC, мА UЗИ = 0 UЗИ = -1 UЗИ = -2 UCИ, В UЗИ = -3 Рисунок 8 – ВАХ стоковой (выходной) характеристики Рисунок 9 – Схемы усилительных каскадов с ОИ, ОС и ОЗ соответсвенно 11 UВХ, В UВЫХ, В UВЫХ1, В UВЫХ2, В kU RВЫХ, кОм RВХ, кОм Схема с ОИ 0.21 2.8 (при RН=10 кОм) 2.12 (приRДОБ=100кОм) 4.65 13.3 3,2 251,35 Схема с ОС 1.82 1.64 (при RН=22 кОм) 1.1 (приRДОБ=100кОм) 1.64 0,9 10,8 33 Схема с ОЗ 0.34 3.96 (при RН=22 кОм) 3.72 (при R ДОБ=22 Ом) 2.58 11,65 1,42 0,04 U RВЫХ RН ВЫХ 1. U ВЫХ1 Формула 2 – Выходное сопротивление транзистора RВХ RДОБ U ВЫХ 1 U ВЫХ2 . Формула 3 – Входное сопротивление транзистора 12 Вывод: В данной лабораторной работе были исследованы статические характеристики полевых транзисторов и усилительные каскады на их основе. Полученные характеристики схожи с теоретическим. При уменьшении напряжения затвор-исток, начало пологого участка характеристики близится к нулю. На стоко-затворной характеристике отображено напряжение отсечки, Uотс = -2,86 В, и максимальный ток стока, Iнач = 7,4 влияние мА. Также напряжения определена затвора на крутизна, выходной которая ток, определяет равная 4,23. Усилительные свойства каскадов также соответствуют предполагаемым данным. Схема с общим стоком имеет коэффициент усиления, близкий к единице (По нашим расчетам kU = 0,9). У остальных он больше 11. Входное и выходное сопротивление, найденные по расчётам, позволяют различить усилительные каскады по их возможностям. Схема с ОИ имеет наибольшее входное сопротивление, когда как схема с ОЗ обладает наименьшим входным сопротивлением и не большим выходным. Схема с ОС обладает наибольшим выходным сопротивлением. Также эти вычисления незначительно отличаются от входных и выходных сопротивлений усилительных каскадов на основе биполярных транзисторов, что подтверждает, что они обладают схожими свойствами. 13
