Цель работы – изучение физические принципы действия силовых полевых транзисторов, приобретение навыков измерения параметров и снятия характеристик полевых транзисторов, при их коммутации в цепи постоянного тока.

Теоретические сведения

В настоящее время большинство электронных схем, особенно интегральные схемы, изготовлены на основе полевых транзисторов. Работа полевых транзисторов основана на использовании носителей заряда только одного типа – основных (или электронов, или дырок). Основным способом движения носителей является дрейф в электрическом поле. В отличие от биполярных транзисторов, которые управляются током, вследствие чего имеют малое входное сопротивление, что в ряде случаев является недостатком, полевой транзистор управляется электрическим полем. Для того, чтобы управлять током в полупроводнике с помощью электрического поля, нужно менять либо площадь проводящего полупроводникового слоя, либо его удельную проводимость. В полевых транзисторах используют оба способа. В полевом транзисторе с изолированным затвором между каналом полевого транзистора и металлическим электродом затвора размещается тонкий слой диэлектрика (рис. 2.1). Поэтому такие полевые транзисторы называют МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник). Часто в МДП-транзисторе слоем диэлектрика служит окисел на поверхности полупроводника. В этом случае полевой транзистор называют МОП-транзистором (металл-окисел-полупроводник), английская версия MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors).

Работа МДП - транзистора основана на изменении удельного сопротивления канала. При создании разности потенциалов между объемом полупроводника и изолированным электродом (затвором) у поверхности полупроводника образуется слой с концентрацией носителей зарядов, отличной от концентрации в остальном объеме полупроводника - канал, сопротивлением которого можно управлять, изменяя напряжение на затворе (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Структура МДП - транзистора

Проводящие каналы, отсутствующие в равновесном состоянии и образующиеся под действием внешнего напряжения, называют индуцированными. Толщина индуцированного канала практически неизменная (1-5 нм), потому модуляция его проводимости обусловлена изменением концентрации носителей. Напряжение на затворе, при котором образуется проводящий канал, называют пороговым напряжением и обозначают U_пор=0.5 – 3.5 В. В МДП транзисторах со встроенным каналом проводящий канал создают не за счет электрического поля, а технологическим путем. В этом случае мы также напряжением на затворе управляем проводимостью этого канала, причем в более широком интервале значений U_зи, поскольку такой канал существует и при нулевом напряжении на затворе. Для МДП транзисторов со встроенным каналом вместо порогового напряжения вводят параметр напряжение отсечки.

Напряжение отсечки – это напряжение на затворе, при котором встроенный проводящий канал исчезает и ток в цепи сток – исток стремится к нулю.

В основе работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом лежит изменение площади поперечного сечения проводящего канала (рис. 2.2). Когда напряжение проводящего канала на p-n переходе равно нулю, площадь поперечного сечения проводящего канала максимальна, а электрическое сопротивление между источником минимально. Если подвести к затвору внешнее напряжение U_зи такой полярности, чтобы оба p-n перехода были смещены в обратном направлении, то в проводящем канале появится обедненный слой (слой изолятора), который уменьшает площадь поперечного сечения проводящего канала. Это приводит к возрастанию электрического сопротивления между источником и стоком транзистора. Изменяя напряжение U_зи, можно регулировать электрическое сопротивление проводящего канала.

Рис. 2.2. Конструкция полевого транзистора с n-каналом

Рис. 2.3. Графическое изображение различных транзисторов

Наиболее полно работа полевых транзисторов описывается семейством выходных статических вольт-амперных характеристик (рис. 2.4), которые для всех типов полевых транзисторов практически одинаковы.

Рис. 2.4. Статические ВАХ транзисторов:

а) полевых с управляющим p-n переходом;

б) МДП с индуцированным каналом;

в) встроенным каналом

Начнем с характеристики I_c=f(U_си) при U_зи=0 полевого транзистора с управляющим p-n переходом. При малых значениях U_си ток Ic увеличивается с ростом U_си почти по линейному закону. Затем наступает режим насыщения, при котором рост тока I_c с повышением напряжения практически прекращается. Это происходит потому, что с увеличением тока площадь поперечного сечения проводящего канала уменьшается и при достаточно больших значениях I_c наступает своеобразное динамическое равновесие – увеличение тока I_c вызывает сужение канала, которое приводит к уменьшению тока и наоборот. При достаточно большом напряжении U_си наблюдается резкий рост тока I_c, обусловленный электрическим пробоем p-n-перехода у стокового конца канала.

При U_зи<0 вид характеристики I_c=f(U_си) будет таким же, как и при U_зи=0, только из-за того, что первоначальная площадь поперечного сечения проводящего канала будет меньше, начальное значение тока I_c также будет меньше. Уменьшается и напряжение насыщения, и напряжение пробоя.

Отличие выходных характеристик разных типов МДП – транзисторов (рис. 2.4 б,в) заключается в расположении характеристик при U_зи=0. В МДП – транзисторе со встроенным каналом (рис. 2.4в) эта характеристика располагается посредине семейства. Выше ее идут характеристики, соответствующие режиму обогащения, а ниже – режиму обеднения.

Рассмотренные выше характеристики МДП – транзисторов справедливы для случая, когда его подложка (П) соединена с истоком. Подложку можно также использовать в качестве дополнительного электрода, напряжение на котором управляет током в проводящем канале транзистора. В этом случае подложку называют нижним затвором. Механизм управления током оказывается совершенно аналогичным механизму действия затвора, а семейство характеристик I_c=f(U_си) при U_зи=const имеет тот же вид, что и характеристик при U_зп=const.

Основными параметрами полевых транзисторов является: крутизна характеристики S, коэффициент усиления и внутреннее сопротивление R_i. Крутизной характеристики полевого транзистора называют отношение изменения тока стока к вызвавшему его изменению напряжения на затворе при U_cи=const:

                                                                                    (2.1)

Коэффициент усиления полевого транзистора называют отношение изменения напряжения стока и вызвавшему его изменению напряжения на затворе при I_c=const:

                                                                                 (2.2)

Внутренним сопротивлением R_i полевого транзистора называют отношение изменения напряжения стока к соответствующему изменению тока стока при U_зи=const:

                                                                                  (2.3)

Важнейшими особенностями полевых транзисторов является их очень высокие входное сопротивление (до 10¹⁵ Ом) и граничная частота (до 1 ГГц).

Порядок выполнения работы

Рис. 2.5. Схема лабораторной установки

Рис. 2.6. Соединения для определения порогового напряжения затвора

1. На источнике питания ручки «грубо» и «плавно» установить в крайнее левое положение.

2. Подключить «+» источника питания к точке «а».

3. Подключить «-» источника питания к точке «с».

4. Подключить «+» источника питания к точке «b».

5. Включить источник питания и ручкой «грубо» установить 4,5 В.

6. Показания амперметра записать в таблицу 2-1.

7. Получить значения тока I_с для напряжений указанных в таблице 2.1 и записать их. Для изменения напряжения пользоваться ручкой «плавно».

8. Выключить источник питания.

9. По данным таблицы 2.1 построить график.

10.  По графику определить пороговое напряжение затвора U_пор. Напряжение U_зи при котором появился ток I_с является пороговым.

Таблица 2.1

Определение порогового напряжения затвора U_пор

^*приведенные в таблице значения, необходимо рассматривать как примерные.

Рис. 2.7. Соединения для заряда емкости затвора

11. Отключить «+» источника питания от точек «а» и «b».

12. Включить источник питания и ручками «грубо» и «плавно» установить 15 В.

13.  Коснуться «+» источника питания в точке «b», при этом затвор зарядится до напряжения источника и транзистор будет открыт.        Во время эксперимента не касайтесь затвора руками.

14.  Быстро установите напряжение источника питания 3 В и подключите «+» к точке «a», при этом появиться ток I_с его значение записать в таблицу 2.2.

15.  Повторить пункты 13-14 для напряжения затвора 10В.

16.  По формулам 2.1 и 2.3 рассчитать сопротивление канала и крутизну транзистора.

Рис. 2.8. Соединения для определения сопротивления канала и крутизны транзистора

Таблица 2.2

Определение сопротивления канала

Динамические характеристики

Рис. 2.9. Схема для определения времени задержки MOSFET

На вход схемы от генератора Vellerman HPG-1 подается сигнал прямоугольной формы двойной полярности (меандр). Отрицательная полуволна сигнала срезается диодом VD1. Далее сигнал поступает на драйвер DD1, который формирует отпирающий импульс, поступающий на затвор VT1. Резистор R1 ограничивает ток затвора VT1. Выходной сигнал снимается с резистора R2. Диод VD2 предназначен для ограничения выбросов выходного напряжения отрицательной полярности, образующихся из-за наличия индуктивной составляющей нагрузки. Гнезда 1CH и 2CH предназначены для подключения каналов двухканального осциллографа. Измерение задержки включения производится путем измерения сдвига между импульсами на входе и выходе схемы, как показано на рис.22.

В схеме использованы следующие элементы: C1 –конденсатор К50-35-30В×33,0; DD1 – IR4428 формирователь управляющих импульсов; R1 – резистор МЛТ-0,5 – 20; R2 – резистор SQP- 5W-7,5 Ом; VT – MOSFET транзистор STP7N95K3.

Процедура измерений

Включите генератор. На дисплее появятся сигналы и меню дисплея.

Выберите в меню Waveform – меандр, в меню Frequency – нужную частоту, в меню Step – шаг изменения частоты, в меню – output voltage – необходимую амплитуду выходного напряжения. От источника питания подайте питание на схему. Подключите выход генератора на вход схемы с помощью кабеля. К гнездам 1CH и 2CH подключите кабели от осциллографа. Включите и настройте осциллограф. Для удобства измерений следует совместить нулевые линии 1-го и 2-го каналов. Измерьте время задержки между импульсами на входе и выходе.

Содержание отчета

Отчет должен содержать принципиальные электрические схемы лабораторной установки, измерения, занесенные в таблицы, графики характеристик построенные по таблицам, а также выводы по выполненной работе и перечень используемых приборов.