Изучение полевого транзистора

Цель работы. Изучить устройство и принципа работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом, снять входные статические и динамические характеристики и характеристики передачи полевого транзистора.

 

Приборы и оборудование: Источник питания, панель для включения транзистора, транзистор КП103И, вольтметр, миллиамперметр.

Краткая теория. Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, в котором управление током осуществляется электрическим полем, вызывающим изменение сопротивления полупроводникового слоя, проводящего ток. Полевые транзисторы часто называют униполярными, так как ток в них переносится носителями одного знака (основными носителями).

Различают два типа полевых транзисторов: с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором (МДП - транзисторы, представляющие собой структуру металл – диэлектрик – полупроводник). МДП - транзисторы делятся на транзисторы со встроенным и индуцированным каналом.

Рис. 1. Рис. 2.

 

При изготовлении полевого транзистора с управляющим p-n переходом (рис. 1) на каждую из боковых граней пластин n - или p - полупроводника наносится слой с противоположным типом проводимости. Оба слоя материала имеют внешний вывод через омический контакт, с помощью которого к p-n переходу подводится напряжение. Этот электрод называется затвором (З). Торцы пластины так же снабжены электродами, с помощью которых прибор включается в электрическую цепь. Электрод, от которого под действием напряжения движутся носители зарядов, называется истоком (И); электрод собирающий носители зарядов, называется стоком (С). Объем, заключенный между p-n переходами, называется каналом. Условные обозначения транзисторов с каналами n - и p - типа приведены на рис. 2, а и б соответственно.

При увеличении напряжения U_зи толщина обедненного слоя p-n перехода увеличивается, а сечение канала уменьшается. Следовательно, можно изменять электрическое сопротивление канала. В результате будет меняться ток I_с, протекающий в цепи исток – сток под действием приложенного к стоку напряжения U_си. Напряжение на затворе, при котором поперечное сечение канала становится равным нулю, называется напряжением отсечки U_{зи отс}.

Если полевой транзистор включен по схеме с общим истоком (ОИ), то связь токов и напряжений может быть охарактеризована следующими вольт-амперными характеристиками (ВАХ):

I_з= f(U_зи) ½U_си = const (входная характеристика);

I_з= f(U_си) ½U_зи = const (характеристика обратной передачи);

I_с= f(U_зи) ½U_си = const (характеристика прямой передачи или стокозатворная характеристика);

I_с= f(U_си) ½U_зи = const (выходная характеристика).

Обычно применяются две последние характеристики.

Рис. 3.

 

Типичное семейство выходных ВАХ полевого транзистора с управляющим p-n переходом показано на рис. 3. При малых напряжениях U_си ток I_с увеличивается с ростом напряжения на стоке почти линейно. Начиная с некоторого значения напряжения U_си, рост тока I_с практически прекращается и его величина почти не зависит от напряжения, так как увеличение напряжения на стоке, с одной стороны, вызывает увеличение тока стока, с другой – сужение канала, которое уменьшает ток. Напряжение на стоке, при котором возникает этот режим, называется напряжением насыщения U_{си нас}. Увеличение напряжения на стоке выше определенной величины приводит к электрическому пробою p-n перехода у стокового конца канала, так как в этой части прибора к p-n переходу приложено наибольшее обратное напряжение.

Рис. 4.

 

Характеристика прямой передачи показана на рис. 4. Изменение напряжения U_си в пределах области насыщения мало влияет на поведение стокозатворной характеристики.

Полевой транзистор характеризуется следующими параметрами:

1) крутизной стокозатворной ВАХ

;

(1)

2) выходным сопротивлением

;

(2)

3) статическим коэффициентом усиления

.

(3)

 

Выполнение работы.

Работа выполняется с использованием стенда, схема которого изображена на рис 5. Переключатели выходного напряжения источника питания установить в положение «10 В». Ручки регулирования выходного напряжения установить в крайнее левое положение. Включить источник питания. Подать на затвор напряжение указанное в задании. (Напряжение между затвором и истоком U_зи всегда подается в обратном направлении).Увеличивая напряжение U_си от 0 до 20 В, снять выходную характеристику транзистора. Для установки напряжений U_си от 10 до 20 В необходимо ручку регулирования выходного напряжения вернуть в крайнее левое положение, переключатель выходного напряжения установить в положение «20 В».(Напряжение между стоком и истоком U_си недолжно превышать 20 В).

Для снятия характеристики передачи установить между стоком и истоком напряжение указанное в задании. Напряжение U_зи изменять от 0 до 1.4 В.

Рис. 5

 

Задание.

1. Снять статические выходные характеристики. Для этого замкнуть накоротко переключателем SA1 нагрузочное сопротивление в цепи стока R_c. При нескольких значениях напряжения U_зи = 0; 0.1; 0.3 В снять зависимость силы тока стока I_с от напряжения между стоком и истоком U_си. Результаты измерений занести в таблицы вида 1.

Таблица 1. (нарисовать три таблицы)

Uзи =
Uси, В
Iс, мА

 

 

2. Снять статические характеристики передачи (переключатель SA1 замкнуть). При нескольких значениях напряжения U_си = 2; 8; 14 В снять зависимость тока стока I_с от напряжения между затвором и истоком U_зи. Результаты измерений занести в таблицы вида 2.

 

Таблица 2. (нарисовать три таблицы)

Uси =
Uзи, В		0.1	0.2	0.4	0.6	0.8		1.2	1.4
Iс, мА

 

3. Построить семейства статических выходных характеристик и характеристик передачи. Определить по ним статические параметры транзистора: крутизну S, выходное сопротивление R_i и коэффициент усиления m.

Выходное сопротивление определяется по выходным характеристикам. Для этого в области насыщения провести касательную к графику (см. рис. 3), на касательной произвольно выбрать две точки. Определить координаты этих точек. Сопротивление рассчитать по формуле (2). Крутизна определяется по стокозатворной характеристике аналогичным образом (см. рис. 4), рассчитывается по формуле (1).