Снятие статических характеристик полевого транзистора с р-n переходом

ЛАБОРАТОРНАЯ  РАБОТА №5

Снятие статических характеристик полевого транзистора с р-n переходом

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Изучение полевых транзисторов с n и p каналом, снятие статических выходных характеристик и сток-затворную характеристику. Исследовать влияние сопротивления  нагрузки  на сток-затворную характеристику и коэффициент усиления напряжения.

ТЕОРИЯ

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток через канал управляется электрическим полем, возникающим при подаче напряжения между затвором и истоком.

В отличие от биполярных транзисторов, в полевых транзисторах в переносе тока участвуют только электроны или только дырки.

Рис.1 Структура полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.

 

Транзистор имеет структуру, представленную на рис.1. Между затвором 3 и каналом 1 образуется р-n-переход, обедненный слой которого сосредоточен главным образом в объеме канала, выполненного из материала с низким содержанием примеси. От канала сделаны выводы 3 и 4 – сток и исток. Исток И обычно заземляют, а на сток С подают напряжение, при котором основные носители заряда устремляются к нему. Канал - это область полупроводника, в которой поток носителей зарядов регулируется изменением ее поперечного сечения. Истоком называется электрод полевого транзистора, через который в канал втекают носители зарядов, собираемые при выходе из канала другим электродом - стоком. Затвор - это электрод, на который подается управляющее напряжение.

Принцип действия полевых транзисторов с каналом n или p типов идентичен. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать работу полевых кремниевых транзисторов с управляющим p-n-переходом на примере транзистора с каналом p типа. На затвор относительно истока подается положительное напряжение. В этом случае p-n-переход затвор-исток находится под обратным смещением. На сток относительно истока должно подаваться отрицательное напряжение. Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом p типа приведена на рисунке 3 а).

Управление током транзистора  основано на изменении сечения канала путем регулирования ширины p-n-перехода при подаче входного напряжения (напряжения затвора). При подаче на затвор относительно истока положительного напряжения область p-n-перехода будет расширяться.

P-n-переход расширяется в соответствии с выражением:

,                 (1)

где - ширина p-n-перехода в равновесном состоянии. Исходная пластинка кремниевого полупроводника p типа слабо легирована примесями, поэтому N_Д>>N_а и расширение p-n-перехода c увеличением (1) произойдет в область полупроводника p типа, сечение канала S_к уменьшится, а его сопротивление r_к увеличится. Электрическое сопротивление канала r_к зависит от его толщины, ширины и длины:

                                 ,   (2)

где w - толщина канала, l_к - длина канала, h - ширина канала, s - электропроводность полупроводника p типа, m_p - подвижность дырок, 
p_p - концентрация дырок (основных носителей зарядов) в области полупроводника p типа, S_к - сечение канала.

В соответствии с соотношениями (1) и (2) при изменении напряжения на затворе меняется ширина p-n-перехода, сечение канала и его электрическое сопротивление. В результате чего будет изменяться величина протекающего тока стока. С увеличением r_к ток стока уменьшается. Сечение канала S_к изменяется неравномерно. Со стороны истока имеем более широкий канал, а со стороны стока сечение канала уменьшается. Это происходит потому, что сечение канала является функцией  двух напряжений: . Напряжение у стока будет больше, чем у истока, поэтому расширение p-n-перехода в области стока больше, чем в области истока (рис.2).

Напряжение  распределяется вдоль канала, оно больше у стока и меньше у истока. За счет этого сечение канала, расположенного со стороны стока, всегда будет значительно меньше, чем со стороны истока.

 

Рис.2. Структура полевого транзистора при различных напряжениях между стоком и истоком.

Входной ток  полевого транзистора равен току затвора I_вх = I_з и он обусловлен переносом неосновных носителей зарядов через p-n-переход.

Выходные характеристики полевого транзистора с управляющим 

p-n-переходом

Под выходными  характеристиками полевого транзистора  с управляющим p-n-переходом понимаются зависимости тока стока от напряжения сток-исток при постоянном напряжении на затворе:

 при                                (3)

Рассмотрим семейство выходных характеристик полевого транзистора  при различных напряжениях на затворе. Эти зависимости представлены на  
рисунке 3 б).

Характеристика при  = 0 начинается из начала координат. При подаче напряжения на сток в канале возникает ток , а p-n-переход получает обратное смещение и расширяется. На участке ОА при увеличении напряжения выходной ток растет линейно, подчиняясь закону Ома. Плотность дрейфового тока через канал определяется выражением:

,  (4)

где j_др - плотность дрейфового тока, E - напряженность электрического поля, v - дрейфовая скорость движения носителей зарядов в полупроводнике р типа. При увеличении растет дрейфовая скорость носителей зарядов, а, следовательно, и ток стока. При протекании тока стока появляется падение напряжения в канале, под его действием p-n-переход получает обратное смещение и расширяется в область малолегированного канала. Чем ближе к стоку, тем больше смещение p-n-перехода и тем уже в этом месте канал. На участке АВ кривой 1 рост тока стока замедляется из-за уменьшения сечения канала S_к и зависимость тока стока от напряжения сток-исток не подчиняется закону Ома. В точке В напряжение стока возросло настолько, что из-за уменьшения сечения канала и увеличения его сопротивления (2) наступает ограничение роста тока . Напряжение стока в точке В называется напряжением насыщения U_H0 и отражает прекращение нарастания тока стока . Участок ОА кривой 1 называется областью проводимости канала (омический участок), а пологий участок BC - областью насыщения, который и является рабочим участком выходной характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. Незначительное изменение тока стока на рабочем участке объясняется двумя причинами:

1. С увеличением напряжения  сток-исток почти пропорционально  возрастает сопротивление канала (2) за счет его сужения.

2. С дальнейшим ростом напряжения  сток-исток приблизительно все внутреннее падение напряжения сосредоточено в самой узкой части канала со стороны стока.

В результате в области канала напряженность  электрического поля может быть высокой. В этом случае плотность дрейфового тока (4) достигает насыщения и не зависит от напряжения сток-исток. Это происходит потому, что подвижность носителей m_p уменьшается с увеличением напряженности электрического поля E, а дрейфовая скорость v их движения достигает насыщения:

,                                            (5)

то есть можно отметить, что при увеличении напряжения сток-исток  происходит возрастание напряженности электрического поля, уменьшение подвижности носителей зарядов и плотность дрейфового тока на рабочем участке BC приблизительно постоянна:

.   (6)

Лишь при значительном увеличении напряжения сток-исток может наступить пробой p-n-перехода и ток стока будет лавинообразно возрастать. На рисунке 3 отмечена нерабочая область полевого транзистора с управляющим p-n-переходом, которая ограничивается тремя параметрами: максимально-допустимым током стока – _макс; максимально-допустимым напряжением сток-исток - _доп; максимально-допустимой мощностью рассеяния стока – _макс.

На рабочем участке BC угол наклона выходной характеристики близок к нулю, поэтому выходное сопротивление R_вых полевого транзистора с управляющим p-n-переходом велико и имеет значения порядка сотен кОм.

Если на затвор относительно истока подать положительное напряжение =+2В, то исходное сечение канала S_к уменьшается, сопротивление канала r_к возрастает и выходная характеристика 2 =f( ) при >0 в области проводимости пойдет под меньшим углом наклона , а в режиме насыщения ниже, чем выходная характеристика 1. Насыщение канала для выходной характеристики 2 наступает при меньшей величине напряжения сток-исток:

  (7)

При дальнейшем увеличении напряжения затвор-исток  =+4В происходит уменьшение тока стока и выходная характеристика 3 пойдет еще ниже, как это показано на рисунке 3.

Сток-затворные характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Под сток-затворной характеристикой  полевого транзистора понимается зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при постоянном значении напряжения сток-исток:

 при                    (8)

На рисунке 4 приведено семейство  сток-затворных характеристик полевого транзистора с каналом p-типа. Характеристика 1 соответствует напряжению сток-исток =-10В. Из зависимости 1 следует, что при некотором напряжении =U_зотс ток стока =0. Минимальное напряжение затвор-исток, при котором ток стока равен нулю, называется напряжением отсечки U_зотс. Значение напряжения отсечки определяется равновесной шириной канала. При =0 через полевой транзистор протекает максимальный ток, сечение канала в этом случае максимальное, а сопротивление канала наименьшее. При увеличении напряжения затвор-исток управляющий p-n-переход расширяется в область слабо легированного полупроводника p-типа (l_обр увеличивается) и сечение канала уменьшается, что приводит к росту сопротивления канала r_к=l_к/(sS_к) и уменьшению тока стока.

При напряжении на затворе равным напряжению отсечки сечение канала становится приблизительно нулевым, транзистор запирается, а ток стока стремится к нулю (рисунок 4 (1)).

При подаче на сток напряжения =-15В ток стока изменится незначительно, так как это напряжение соответствует рабочему режиму полевого транзистора, поэтому сток-затворная характеристика в этом случае (зависимость 2 рисунка 4) пойдет несколько выше, чем зависимость 1 при напряжении =-10В. Отсюда следует, что при разных напряжениях сток-исток в рабочем режиме сток-затворные характеристики полевого транзистора идут очень близко друг к другу, а напряжение отсечки практически не изменяется. С учетом этого факта в справочниках приводится сток-затворная характеристика полевого транзистора с управляющим p-n-переходом при одном напряжении сток-исток.

На сток-затворную характеристику полевого транзистора с управляющим p-n-переходом значительное влияние оказывает температура окружающей среды. При изменении температуры окружающей среды на ход сток-затворной характеристики полевого транзистора влияют два фактора:

1. При увеличении температуры уменьшается подвижность носителей заряда в канале, которая определяется соотношением - m=AT^-3/2, это приводит к уменьшению электропроводности канала, следовательно, к росту сопротивления канала и снижению значения тока стока.

2. Повышение температуры ведет к снижению высоты потенциального барьера управляющего p-n-перехода, к уменьшению его ширины, а, следовательно, к увеличению сечения канала, росту тока стока и напряжения отсечки.

Параметры полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом

Параметры полевых транзисторов определяются из связи между выходным током - током стока и напряжениями затвор-исток, сток-исток:

=f( , ).  (9)

Из функционального  уравнения (9) получаем дифференциальное уравнение в частных производных вида:

d =(¶ /¶ )¶ +(¶ /¶ )¶ .   (10)

Другая запись уравнения (10) имеет вид:

d =Sd +(1/R_i)d .                                         (11)

Из уравнения (11) находятся  основные статические параметры  полевых транзисторов: крутизна характеристики - S; внутреннее сопротивление - R_i; статический коэффициент усиления по напряжению - .

Эффективность управляющего действия затвора в полевых транзисторах оценивается крутизной сток-затворной  характеристики. Крутизна характеристики S показывает на сколько миллиампер изменяется величина тока стока при изменении напряжения на затворе на один вольт.

 при  =const.                         (12)

При определении крутизны S напряжение сток-исток должно оставаться постоянным. Графически величина S соответствует наклону касательной в заданной точке сток-затворной характеристики: S=tg(a), где a- угол наклона касательной. Поскольку ток стока нелинейно зависит от напряжения на затворе, то и крутизна характеристики является функцией напряжения на затворе: S=f( ). В зависимости от типа полевого транзистора крутизна маломощных транзисторов имеет среднее значение порядка: S=(1,5-2,0) мА/В.

Внутреннее сопротивление  полевого транзистора R_i характеризуется воздействием напряжения стока на ток стока и определяется из выражения:

 при  =const               (13)

Внутреннее  сопротивление полевого транзистора - это отношение изменения выходного напряжения (напряжения сток-исток) к изменению выходного тока (тока стока) при постоянном напряжении на затворе. Этот параметр показывает сопротивление полевого транзистора переменному току и составляет сотни кОм в зависимости от типа полевого транзистора. Графически внутреннее сопротивление соответствует наклону касательной в заданной точке выходной характеристики полевого транзистора: R_i = ctg(a), где a - угол наклона касательной. Чем положе идет выходная характеристика полевого транзистора, тем большее значение имеет внутреннее сопротивление.

Статическим коэффициентом усиления по напряжению называют отношение изменения напряжения сток-исток к изменению напряжения затвор-исток при неизменном токе стока: