ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С УПРАВЛЯЮЩИМ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫМ ПЕРЕХОДОМ

Цель работы: экспериментальное получение передаточной и выходной статических характеристик и основных параметров полевого транзистора в схеме с общим истоком.

4.1. Основные теоретические положения

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, у которого управление потоком основных носителей заряда в проводящем канале осуществляется с помощью электрического поля, перпендикулярного этому потоку. Рабочий электрический ток в канале полевого транзистора обусловлен носителями заряда только одного типа (электронами или дырками), поэтому такие транзисторы называют также униполярными (в отличие от биполярного).

Структура полевого транзистора с управляющим электронно-дырочным переходом и каналом n–типа приведена на рис. 4.1, а, а схема его включения с общим истоком в электрическую цепь – на рис. 4.1, б.

Полевой транзистор на рис. 4.1, а представляет собой кристалл полупроводника n–типа, с противоположных сторон которого выполнены две области p–типа с образованием двух электронно-дырочных переходов шириной d. Между этими p–n переходами находится канал полевого транзистора. Область канала выполнена слаболегированной по отношению к областям p–типа, поэтому запирающие слои p–n переходов располагаются в основном в области канала.

Рис. 4.1. Полевой транзистор и схема его включения с общим истоком

Электрод, предназначенный для введения в канал основных носителей заряда от внешнего источника, называется истоком, а электрод, выводящий их из канала – стоком. Затвором называется электрод полевого транзистора, предназначенный для создания в канале управляющего электрического поля.

При подключении к затвору отрицательного по отношению к каналу напряжения электронно-дырочные переходы оказываются включёнными в обратном направлении. При регулировании этого обратного напряжения изменяется ширина запирающего слоя d электронно-дырочных переходов и, соответственно, ширина канала d_К (рис. 4.1, а). Поскольку сопротивление канала зависит от его ширины d_К, то оно меняется соответственно напряжению затвора и тем самым регулируется ток основных носителей заряда в канале (ток стока I_C на рис. 4.1, б).

Поскольку к стоку подключён положительный полюс источника , то обратное напряжение (разность потенциалов) электронно-дырочного перехода со стороны стока больше по модулю, чем со стороны истока. Поэтому запирающий слой шире со стороны стока (рис. 4.1, а), а канал имеет меньше сечения.

В схеме с общим истоком (рис. 4.1, б) выходным является напряжение затвор-исток U_ЗИ. Его полярность должна обеспечивать обратное включение управляющего электронно-дырочного перехода. При этом ток затвора (входной ток) очень мал, так как является обратным током электронно-дырочного перехода и его трудно измерить. Поэтому входные характеристики полевых транзисторов экспериментально не определяют.

Передаточной характеристикой полевого транзистора в схеме с общим истоком является зависимость выходного тока стока I_C от входного напряжения U_ЗИ, а выходной характеристикой является зависимость выходного тока I_C от выходного напряжения сток-исток U_СИ.

Семейство передаточных характеристик I_C (U_ЗИ) при U_СИ =const изображена на рис. 4.2, а. Каждая из этих характеристик практически линейна, за исключением небольшого участка вблизи напряжения отсечки U_ЗИОТС, которому соответствует режим смыкания канала d_К = 0 (смыкание точек А на рис. 4.1, а за счёт увеличения ширины запирающего слоя d). При дальнейшем увеличении модуля напряжения U_ЗИ ток стока в основном определяется неосновными носителями заряда и становится очень мал.

Семейство выходных характеристик транзистора показано на рис. 4.2, б. Каждая из этих характеристик имеет линейный начальный участок, показывающий пропорциональное увеличение тока I_C от напряжения U_СИ. При достижении напряжения насыщения U_СИНАС (рис. 4.2, б) канал смыкается в точках А (рис. 4.1, а) даже при неизменном напряжении U_ЗИ. Дальнейшее увеличение напряжения U_СИ приводит к увеличению сомкнутого участка канала от точек А до точек Б, сопротивление канала увеличивается соответственно напряжению U_СИ и ток I_C почти не растёт, образуя пологие участки выходных характеристик (рис. 4.2, б).

Рис. 4.2. Передаточные и выходные характеристики

Основными параметрами полевого транзистора являются:

- крутизна передаточной характеристики

при U_СИ =const, мА / В;

- дифференциальное входное сопротивление

при U_ЗИ =const, кОм;

- коэффициент усиления по напряжению

.

Эти параметры определяются по статическим характеристикам на рабочих участках (рис. 4.2).

4.2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Собрать схему экспериментальной установки по рис. 4.3.

Рис. 4.3. Схема измерения ВАХ транзистора

На схеме источник напряжения «regU5_W» позволяет регулировать напряжение U_ЗИ от 0 до 5 В с шагом 0,05 В нажатием на клавишу «W» (увеличение напряжения) или «Shift + W» (уменьшение напряжения). Источник напряжения «regU10_Е» позволяет регулировать напряжение U_СИ от 0 до 10 В с шагом 0,1 В нажатием на клавишу «Е» (увеличение напряжения) или «Shift + Е» (уменьшение напряжения).

Вольтметр V1 измеряет напряжение затвор – исток U_ЗИ, вольтметр V2 – напряжение сток–исток U_СИ, а амперметр А1 показывает ток стока I_C.

2. Измерить напряжения и токи передаточной характеристики транзистора при фиксированном значении U_СИ =5 В. Для этого установить с помощью источника напряжения «regU10_Е» указанное напряжение, контролируя его по показаниям вольтметра V2.

Рабочий участок передаточной характеристики находится в диапазоне 0 ≤ U_ЗИ ≤ U_ЗИОТС (рис. 4.2, а), поэтому необходимо предварительно определить U_ЗИОТС. Для этого, увеличивая напряжение U_ЗИ с помощью источника напряжения «regU5_W» необходимо следить за показаниями амперметра А1. При уменьшении тока стока I_C (амперметр А1) до нуля зафиксировать показание вольтметра V1, которое и будет соответствовать U_ЗИОТС. В диапазоне от нуля до U_ЗИОТС выбрать 8 ÷ 10 точек и, регулируя напряжение U_ЗИ в указанном диапазоне с помощью источника напряжения «regU5_W», записать показания вольтметра V1 и амперметра А1 в таблицу 4.1.

Таблица 4.1