Вольтамперные характеристики ПТИЗ

На основе вышеизложенного можно сделать вывод, что принцип действия ПТИЗ основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием электрического поля, создаваемого потенциалом затвора, изолированного от кристалла слоем окисла.

Рассмотрим планарную структуру, представленную на рис. 5.4, а, у которой подложка П заземлена, а исток И, например, соединен с подложкой П.

Пусть первоначально затвор З соединен с истоком И, т.е. Uзи = 0. Поскольку имеется канал (длиной d), соединяющий исток со стоком, то по мере увеличения напряжения Uси на стоке (рис. 5.4, б) выходной ток Iс растет почти линейно от нуля до точки 1 (²омическая зона² ВАХ). В данном режиме работы наклон характеристики определяется малым сопротивлением еще не перекрытого канала.

По мере увеличения напряжения рост тока Iс практически прекращается (точка 2) – при напряжении Uси.нас достигается насыщение тока (геометрическое место точек Uси.нас представлено пунктиром). Наступает так называемая активная зона вольтамперной характеристики, которая характеризуется насыщением тока стока, незначительно возрастающим при увеличении напряжения Uси.

Причина дальнейшего ограничения тока Iс связана с перекрытием канала в области стока. В самом деле, как и в случае с транзистором с управляющим p-n-переходом точки канала не эквипотенциальны. Если, например, на стоке jс = 10 В, то в центре канала j = 5 В, в то время как потенциал истока равен нулю jи = 0 В, т.к. исток заземлен. Следовательно, по отношению к подложке, которая заземлена, все точки канала находятся под различным потенциалом! А раз так, то протяженный p-n-переход ²канал-подложка², находящийся под различным напряжением, имеет различную ширину l(U) в разных точках. Поскольку объем канала слаболегирован, то расширяющийся p-n-переход внедряется в канал, перекрывая его, главным образом, в области стока. Поэтому по мере дальнейшего увеличения напряжения сток-исток Uси (рис. 5.4, б, от точки 2 до точки 3) сопротивление канала увеличивается, и поэтому ток стока Iс растет незначительно. При значительных напряжениях на стоке ток вновь растет (область III- область пробоя), поскольку возрастает вероятность пробоя p-n-перехода в области стока, т.к. именно здесь к переходу приложено наибольшее обратное напряжение.

Допустим, транзистор находится в режиме работы между точками 2 и 3 (рис. 5.4, б: Uзи = 0, Uси = 10 B, Iс = 1,2 мА). Подадим на затвор отрицательный потенциал jз <0 (Uзи < 0). В данном случае электрическое поле затвора за счет явления электростатической индукции оказывает кулоновское отталкивающее действие на электроны, которые являются основными носителями заряда в n-канале. Это воздействие приводит к уменьшению концентрации электронов в n-канале (электроны уходят в подложку), и, соответственно, к уменьшению проводимости n-канала. Следовательно, сопротивление канала увеличивается, и при фиксированном значении Uси ток стока Iс уменьшается (рис. 5.4, б, в).

Вследствие этого серия стоковых характеристик при Uзи<0 располагаются ниже кривой, соответствующей Uзи = 0. Режим работы транзистора, при котором происходит уменьшение концентрации основных носителей (здесь, электронов) заряда в канале (здесь, n-типа), называют режимом обеднения канала.

При подаче на затвор З напряжения Uзи > 0 электростатический заряд ²+² затвора притягивает электроны из полупроводниковой подложки р-типа в канал. Концентрация основных носителей заряда в канале увеличивается, что соответствует режиму обогащения канала носителями заряда. Проводимость n-канала возрастает, и при фиксированном напряжении Uси ток Iс увеличивается. Поэтому при Uзи > 0 стоковые характеристики располагаются выше кривой, соответствующей Uзи = 0 (рис. 5.4, б).

Семейство (серия) стоковых характеристик полевого транзистора со встроенным каналом n-типа показано на рис. 5.4, б. Эти характеристики идентичны характеристикам полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. Различие заключается в том, что для МДП-транзистора входное напряжение Uзи может быть как положительной, так и отрицательной полярности.

Стоко-затворные характеристики транзистора со встроенным каналом приведены на рис. 5.4, в. Их отличие от стоко-затворных характеристик транзистора с p-n-переходом (рис. 5.3, б) обусловлено возможностью работы данного ПТИЗ как при Uзи< 0 (режим обеднения), так и при Uзи> 0 (режим обогащения).

Стоковые характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа приведены на рис. 5.5, б. Они отличаются от характеристик транзистора со встроенным каналом тем, что управление величиной тока стока Iс осуществляется входным напряжением Uзи полярности, совпадающей с полярностью Uси. Заметим, что управление транзистором возможно только после того, как сформирован канал соответствующего типа проводимости, в частности, при Uзи > 3 B.

Вид стоко-затворных характеристик полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа приведен на рис. 5.4, в. Особенности данных характеристик могут быть проанализированы самостоятельно.

5.9. Лабораторная работа
″Исследование статических характеристик полевого транзистора″

Цель работы: исследование принципа работы и статических характеристик полевого транзистора.

Приборы и принадлежности: схема, включающая в себя полевые транзисторы различного типа; измерительные приборы.

Общие сведения

В работе исследуются схема ОИ на основе полевого транзистора КП302А (Рис. 5.6). Внешний вид конкретной исследуемой схемы (мнемосхема) представлен на панели исследуемой установки ЭС 4А (ряд переключателей на стенде в работе не используются).

Транзистор КП302А – кремниевый планарный полевой транзистор типа ПТУП с n-каналом и диффузионным затвором, т.е. с управляющим p-n-переходом (рис. 5.6, а).

а) б)

Рис. 5.6. Стенд ЭС-4А со схемой ОБ (а) и вид транзистора КТ808А

Наиболее важные статические параметры транзистора приведены в таблице 1. С дополнительными сведениями о статических параметрах и характеристиках транзистора следует ознакомиться в справочниках.

Таблица 1

Параметр Значение
Максимальный ток стока 24 мА
Ток утечки затвора 0,01 мкА
Обратный ток перехода затвор-сток 1 мкА
Крутизна при Uси = 7 В, Uзи =0 В 12,5 мА/В
Напряжение отсечки 5 В
Сопротивление сток-исток 150 Ом
Максимальное напряжение сток-исток 20 В
Максимальное напряжение затвор-исток 10 В
Мощность рассеяния по постоянному току 300 мВт

Стоковая характеристика транзистора КП302А в схеме ОИ приведена на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Стоковая ВАХ транзистора КП302А в схеме ОИ

Стоко-затворную характеристику транзистора рекомендуется нарисовать самостоятельно с учетом данных, приведенных на рис. 5.7.

Подготовка к работе

Общие сведения изложены в пособии [2], рекомендованной литературе.

Используя рекомендованные материалы:

– изучите теоретические материалы, представленные в литературе [2];

– выполните необходимые задания контрольной работы;

– зарисуйте планарную структуру исследуемого полевого транзистора (рис. 5.1);

– зарисуйте схему включения транзистора и испытаний (рис. 5.6); определите, какие потенциалы необходимо подавать на затвор и сток, для нормальной работы транзистора;

– используя справочники, опишите маркировку; форму прибора; параметры реального транзистора;

– используя справочники, зарисуйте реальные стоковую и стоко-затворную характеристики исследуемого транзистора (рис. 5.7);

– подготовьте таблицы.

3. Измерения и обработка результатов

3.1. Ознакомитесь со стендом. По разрешению преподавателя включите установку.