Исследование полевых транзисторов с изолированным затвором
Цель работы: познакомиться с конструкцией и принципом действия полевого транзистора с изолированным затвором, экспериментально снять вольт-амперные характеристики и определить их основные параметры.
Полевые транзисторы с изолированным затвором ( МДП - транзисторы, МОП-транзисторы ) могут быть двух типов : транзисторы с встроенными каналами (канал создается при изготовлении) и транзисторы с индуцированными каналами ( канал возникает под действием напряжения, приложенного к управляющим электродам ).
У МДП-транзисторов в отличие от транзисторов с управляющим p-n- переходом металлический затвор изолирован от полупроводника слоем диэлектрика и имеется дополнительный вывод от кристалла, на котором выполнен прибор, называемый подложкой.
В МДП-транзисторах с встроенным каналом между истоком и стоком создан тонкий поверхностный канал, тип электропроводности которого совпадает с типом электропроводности областей истока и стока. При подключении источника питания в цепи нагрузки такого транзистора ток протекает даже при нулевом смещении на затворе. Семейство выходных вольт-амерных характеристик МДП-транзистора со встроенным каналом типа p- приведено на рисунке 5.1.
При подаче на затвор отрицательного относительно истока смещения в канале возрастает концентрация подвижных носителей заряда, повышается удельная электропроводность канала, а следовательно и ток стока. Такой режим работы МДП - транзистора называют режимом обогащения. Подача на затвор положительного смещения приводит к уменьшению концентрации подвижных носителей заряда и, следовательно к уменьшению тока. Такой режим работы МДП — транзистора называется режимом обеднения.
а) со встроенным каналом б) с индуцированным каналом
Рисунок 5.1 - Выходные ВАХ МДП - транзистора
МДП - транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. Напряжение на затворе Uзи пор при котором прекращается протекание тока стока, носит название порогового напряжения, а напряжение на стоке Uси начиная с которого прекращается возрастание тока стока, называют напряжением насыщения.
В МДП - транзисторах с индуцированным каналом при нулевой разности потенциалов исток-затвор отсутствует поверхностный слой, тип электропроводности которого совпадает с типом электропроводности областей истока и стока. При этом МДП - транзистор представляет собой два диода, включенные навстречу друг другу, и ток стока черезвычайно мал. Если увеличить положительное смещение затвора ( подложка из полупроводника типа р ), то при некоторой величине смещения Uзо на поверхности полупроводника возникнет инверсный слой с электропроводностью типа n . Исток и сток окажутся соединёнными тонким токопроводящим слоем и между ними потечёт ток. Образовавшийся инверсный слой с проводимостью типа n называется каналом.
Путём изменения напряжения на затворе можно расширять или сужать канал и тем самым увеличивать или уменьшать ток стока.
Ширину канала можно изменить за счёт подачи на подложку дополнительного напряжения относительно электродов стока и истока транзистора. Следовательно, током стока можно управлять не только путём изменения напряжения на затворе, но и за счёт изменения напряжения на подложке.
Важным преимуществом МДП-транзисторов перед биполярными является малое падение напряжения на них при коммутации малых сигналов: если в биполярных транзисторах в режиме насыщения напряжение составляет несколько десятков-сотен мВ, то у МДП - транзисторов при малых Ic, когда транзистор работает в крутой области, напряжение определяется током Iс и сопротивлением канала: UСИ = IС·RСИ. При уменьшении Ic оно может быть сведено до значения стремящегося к нулю.
Полевой транзистор с изолированным затвором характеризуется теми же параметрами, что и полевой транзистор с управляющим p--n переходом :
- крутизна характеристики:
- статический коэффициент усиления:
- внутреннее сопротивление:
Внутреннее уравнение транзистора
Порядок выполнения работы
1.На лабораторном стенде собрать схему для снятия вольт - амперных характеристик полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом (рисунок 5.2).
Рисунок 5.2 – Схема для снятия вольт-амперных характеристик полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом
2. Изменяя напряжение на стоке снять и построить стоковые ВАХ полевого транзистора с каналом n-типа при различных значениях UЗИ. Результаты измерений занести в таблицу 5.1.
Таблица 5.1 – Данные для построения стоковых ВАХ
| Uзи = | Uзи = | Uзи = | Uзи = | ||||
| Ic | Ucи | Ic | Uси | Ic | Uси | Ic | Uси |
4.Изменяя напряжение на затворе снять и построить стокозатворные ВАХ полевого транзистора при различных значениях UСИ. Результаты измерений занести в таблицу 5.2.
Таблица 5.2 – Данные для построения стокозатворных характеристик
| Uси = | Uси = | Uси = | Uси = | ||||
| Iс | Uзи | Iс | Uзи | Iс | Uзи | Iс | Uзи |
4. Экспериментально определить основные параметры полевого транзистора. Результаты измерений занести в таблицу 5.3.
5. Аналогичные опыты провести для полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом.
Таблица 5.3 - Данные для определения параметров полевого транзистора
| № | Uзи | Uси | Ic |
Содержание отчёта
1. Справочные данные исследуемых транзисторов и их цоколёвку.
2. Схемы для снятия ВАХ транзисторов.
3. Таблицы и графики стоковых и стокозатворных ВАХ транзисторов.
4. Значения основных параметров транзисторов, определенные экспериментально и графоаналитически в заданной точке покоя.
5. Схемы замещения полевого транзистора изолированным затвором.
6. Выводы.
Контрольные вопросы
1. Чем отличается принцип работы полевого транзистора со встроенным каналом от полевого транзистора с индуцированным каналом?
2. Что значит пороговое напряжение на затворе?
3. От чего зависит ширина канала в транзисторах с изолированным затвором?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
Исследование тиристоров
Цель работы: познакомиться с конструкцией и принципом действия тиристора, экспериментально снять вольт-амперные характеристики.
Тиристорами называются полупроводниковые приборы с тремя (и более) p-n-переходами, предназначенные для использования в качестве электронных ключей в схемах переключения электрических токов.
В зависимости от конструктивных особенностей и свойств тиристоры делят на диодные и триодные.
В диодных тиристорах различают тиристоры запираемые в обратном направлении, проводящие в обратном направлении и симметричные.
Триодные тиристоры подразделяют на запираемые в обратном направлении с управлением по аноду или катоду, проводящие в обратном направлении с управлением по аноду или катоду, симметричные (двунаправленные).
Структура диодного тиристора (динистора) приведена на рисунке 6.1.
Рисунок 6.1- Структура диодного тиристора
Область p1, в которую попадает ток из внешней цепи называют анодом, область n4 — катодом, области n2, p3 — базами.
Если к аноду p1 подключить плюс источника напряжения, а к катоду n4 — минус, то переходы П1 и П3 будут включены в прямом направлении и будут открытыми, а П2 — закрытым.
Так как коллекторный переход П2 включен в обратном направлении, то до определённого значения напряжения почти всё приложенное напряжение падает на нём и ток во внешней цепи определяется обратным током коллекторного перехода. Этот ток однозначно зависит от потока дырок a1I из эмиттера транзистора p-n-p и потока электронов a2I , из эмиттера транзистора n-p-n , а также от обратного тока p-n перехода.
При малых значениях внешнего напряжения всё оно практически падает на коллекторном переходе П2 . Поэтому к переходам П1 и П3 , включенным в прямом направлении и имеющим малое сопротивление приложена малая разность потенциалов и инжекция носителей заряда невелика. При увеличении внешнего напряжения ток в цепи сначала меняется не значительно (рисунок 6.2) и равен Iобр ( участок 1 ).
Рисунок 6.2 - Вольт-амперная характеристика динистора
При дальнейшем возрастании напряжения, по мере увеличения ширины перехода П2 всё большую роль начинают играть носители заряда, образовавшиеся вследствии ударной ионизации, вызывая лавинное размножение носителей заряда. Образовавшиеся при этом дырки под влиянием электрического поля переходят в область p3, а электроны — в область n2. Ток увеличивается через переход П2, а его сопротивление и падение напряжения на нём уменьшается. Это приводит к повышению напряжения, приложенного к переходам П1 и П2 , и увеличению инжекции носителей зарядов через них. Процесс протекает лавинообразно и сопротивление перехода П2 становится малым. На вольт-амперной характеристике этому процессу соответствует участок 2 с отрицательным дифференциальным сопротивлением. После переключения вольт-амперная характеристика аналогична ветви характеристики диода, смещённого в прямом направлении.
Триодные тиристоры (рисунок 6.3) отличаются от диодных тем, что одна из баз имеет внешний вывод, который называют управляющим электродом.
При подаче в цепь управляющего электрода тока управления Iу, ток через p-n - переход П2 увеличивается. Дополнительная инжекция носителей заряда через p-n - переход приводит к увеличению тока Iк.
Таким образом изменяя ток управления можно менять напряжение, при котором происходит переключение тиристора и тем самым управлять моментом его включения. Семейство вольт-амперных характеристик тиристора показано на рисунке 6.3.
Рисунок 6.3 - Структура и ВАХ тиристора
Порядок выполнения работы
1.На лабораторном стенде собрать схему, представленную на рисунке 6.4.
Рисунок 6.4 – Схема для снятия ВАХ тиристора
2Задаваясь током управления (по указанию преподавателя) и изменяя напряжение Е от 0 до 5 В снять и построить вольт-амперные характеристики тиристора. Определение тока производится косвенным методом:
Величина сопротивления резистора R составляет 100 Ом.
Полученные результаты занести в таблицу 6.1.
Таблица 6.1 – Данные для построения вольт-амперной характеристики выпрямительного диода
| Iу = | Iу = | Iу = | Iу = | ||||||||
| U10 | U20 | I | U10 | U20 | I | U10 | U20 | I | U10 | U20 | I |
3Построить графики вольт-амперных характеристик и определить основные параметры тиристора.
Содержание отчёта
1. Справочные данные исследуемого тиристора и цоколёвку.
2. Принципиальная схема для снятия ВАХ тиристора.
3. Таблицы и графики соответствующих ВАХ тиристора.
4. Основные параметры тиристора определённые экспериментально.
5. Выводы.
Контрольные вопросы
1. Чем определяется момент открытия динистора?
2. Что такое ток удержания?
3. Что характеризует время включения тиристора?
Рекомендуемая литература
1. Руденко В.С., Ромашко В.Я., Трифонюк В.В. Промислова електроніка. - К.: Либідь, 1993. - 432 с.
2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высшая школа, 1991. - 622 с.
3. Пасынков В.В., и др. Полупроводниковые приборы. - М:. Высшая школа, 1987. - 428 с.
4. Батушев В.А. Электронные приборы. - М.: Высшая школа, 1980. - 532 с.
5. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М.: Энергия, 1967. - 616 с.
6. Скаржепа В.А., Луценко А.Н. Электроника и микросхемотехника. - К.: Вища школа, 1989. - 431 с.