Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3
ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ПОЛЕВЫХ
ТРАНЗИСТОРОВ С УПРАВЛЯЮЩИМ P-N-ПЕРЕХОДОМ
Исследование статических характеристик полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и определение его основных параметров.
2.1 Изучите конструкцию, принцип действия, характеристики и параметры полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом [1-6].
2.2 Ознакомьтесь с терминологией и буквенными обозначениями параметров полевых транзисторов по ГОСТ 19095-73 по справочной литературе.
2.3 Продумайте методику проведения исследований.
2.4 Ответьте на контрольные вопросы.
3. Расчетная часть
- на основании вольт-амперных характеристик рисунки 16 и 15 вычислить параметры полевого транзистора;
- вычислить сопротивление стоковой цепи транзистора постоянному току в точке пересечения напряжения на стоке UС = 15 В и характеристики затвора
UЗ = 0 В, rСИ = ∆UС/∆IС;
- на основании характеристик рисунка 16 и соотношения (8.5) построить входную стокозатворную характеристику.
4. Основные теоретические положения
Полевыми транзисторами называют полупроводниковые приборы, работа которых основана на модуляции тонкого полупроводникового канала поперечным электрическим полем. Полевые транзисторы называют также канальными или униполярными, поскольку в них, в отличие от биполярных транзисторов, в образовании электрического тока участвуют носители заряда только одного типа.
В зависимости от типа проводимости канала полевые транзисторы могут быть р–канальными и n–канальными.
В зависимости от конструкции полевые транзисторы могут быть
В свою очередь полевые транзисторы с управляющим переходом имеют две разновидности:
Рассмотрим упрощенную структуру полевого транзистора с управляющим
p-n-переходом (рис. 13). Полевой транзистор представляет собой пластину слаболегированного полупроводника n-типа, на верхней и нижней гранях которой сформированы области р-типа, образующие с пластиной p-n-переходы. Поскольку степень легирования пластины n-типа значительно меньше степени легирования р-областей, то область, обеднённая носителями заряда, будет располагаться
в основном в пластине n-типа и ток между торцами может протекать только по узкому каналу, заключенному между обеднёнными областями p-n-переходов. На торцах пластины и обеих р-областях выполнены омические контакты для включения транзистора в схему.
Подключим к торцам пластины источник напряжения, при этом по каналу в пластине будет протекать ток. Электрод, от которого начинают движение основные носители заряда, называют истоком, а к которому движутся – стоком. Объединенные выводы от р-областей образуют
управляющий электрод, называемый затвором.
Включим между затвором и истоком источник напряжения, смещающий управляющий p-n-переход в обратном направлении. Принцип действия такого транзистора заключается в том, что при изменении напряжения на затворе изменяется толщина обедненного слоя, а следовательно, изменяется сечение канала, проводимость канала и ток стока, т. е. изменением напряжения на затворе можно управлять током стока.
При некотором напряжении затвор-исток обеднённые слои сомкнутся и ток стока станет равным нулю. Это напряжение является параметром транзистора и называется напряжением отсечки UЗИ.отс. На практике напряжение отсечки определяют не при нулевом токе стока, а при заданном низком значении тока стока.
Основными статическими характеристиками полевого транзистора являются выходная, или стоковая, и передаточная, или стокозатворная.
Под выходной характеристикой понимают зависимость тока стока IС от напряжения сток-исток UСИ при постоянном напряжении затвор-исток UЗИ, являющимся параметром:
IС = f (UСИ); UЗИ = const.
Под передаточной характеристикой понимают зависимость тока стока IС от напряжения затвор-исток UЗИ при постоянном напряжении сток-исток UСИ:
IС = f (UЗИ); UСИ = const.
Рассмотрим выходные статические характеристики (рис. 14). Пусть UЗИ = 0. При небольших напряжениях сток-исток UСИ канал ведет себя как линейное сопротивление. По мере роста напряжения сток-исток UСИ обеднённые слои будут расширяться, причем около стока в большей степени, чем около истока.
Сечение канала будет уменьшаться, и рост тока замедлится. При напряжении
UСИ = UЗИ.отс обеднённые слои сомкнутся в области стока. Однако это не приве-
дет к отсечке тока, как в случае UЗИ = UЗИ.отс, так как само смыкание обеднённых областей есть следствие увеличения тока.
Начиная с напряжения UСИ = UЗИ.отс, в транзисторе будет наблюдаться режим насыщения, при котором рост напряжения сток-исток UСИ сопровождается лишь незначительным ростом тока стока IС. Стабилизация тока стока в режиме насыщения объясняется тем, что рост напряжения сток-исток компенсируется увеличением длины перекрытия канала. Этот эффект называют эффектом модуляции длины канала.
При значительном увеличении напряжения сток-исток наблюдается пробой p-n-перехода в области стока.
При подаче на затвор отрицательного напряжения исходное сечение канала уменьшается и насыщение наступает раньше, при напряжении
UСИ.нас = UЗИ.отс − UЗИ.
При увеличении напряжения затвор-исток (по модулю) на соответствующую величину уменьшается пробивное напряжение сток-исток.
Одним из основных параметров полевого транзистора с управляющим переходом является начальный ток стока IС.нач, под которым понимают ток стока в режиме насыщения при напряжении затвор-исток UЗИ, равном нулю.
Рассмотрим передаточные статические характеристики, снятые для режима насыщения (рис. 15). При напряжениях затвор-исток, близких к нулю, передаточная характеристика практически линейна, а при напряжениях затвор-исток, близких к напряжению отсечки, имеет квадратичный характер.
В рабочем режиме в цепи затвора протекает ток обратносмещенного
p-n-перехода, который составляет единицы наноампер.
Отсюда следует, что полевой транзистор с управляющим переходом имеет высокое входное сопротивление, что является одним из основных его достоинств.
В общем случае полевой транзистор является нелинейным элементом, однако при небольших значениях переменных составляющих напряжений и токов полевой транзистор можно считать линейным элементом.
В режиме насыщения низкочастотными малосигнальными параметрами полевого транзистора являются:
, (3.1)
которая характеризует управляющее действие затвора;
, (3.2)
которое характеризует наклон выходных характеристик в режиме насыщения;
. (3.3)
Малосигнальные параметры полевого транзистора связаны соотношением
. (3.4)
Возможны три схемы включения полевого транзистора: с общим истоком, с общим стоком и с общим затвором. На практике чаще используется схема включения общий исток.
Подготовка к работе
5.1.1 Вызовите пакет анализа электронных схем Electronics Workbench (EWB).
Соберите схему для исследования полевого транзистора (рисунок 16). Тип транзистора выберите из таблицы 9 согласно номеру рабочего места в лаборатории.
Источники напряжения и символ заземления находятся в группе «Sources», миллиамперметры – в группе «Indicators», транзисторы - в группе «Transistors». Все типы транзисторов можно найти в библиотеке «Motorola» или «National» на закладке «Models».
После выбора транзистора нажмите кнопку «Edit» и выпишите значение напряжения отсечки UЗИ.отс, параметр (VTO).
Установка напряжения источников подробно описаны в предыдущих работах.
5.1.2 Заготовить данные для первой строки таблицы 7. Для этого значение напряжения отсечки поделить на восемь. Полученные значения округлить до сотых долей вольта кратных пяти, если напряжение отсечки менее двух вольт.
Если напряжение осечки более двух вольт, то округлить до десятых долей кратных пяти.
Полученные значения напряжений внесите в первую строку таблицы 7.
5.1.3 Установите напряжение сток-исток UСИ = 25 В (V2) и напряжении затвор-исток UЗИ = 0 В (V1 = 0 B).
Включите процесс моделирования нажатием клавиши «O/I» в правом верхнем углу окна программы.
Убедитесь, что на электродах транзистора имеется напряжение и течет ток стока.
Если амперметр М2 показывает ток со знаком минус, то следует выключить амперметр из цепи, развернуть его на 1800 и снова включить в схему.
5.2 Проведение измерений
5.2.1 Снимите передаточную характеристику IС = f (UЗИ) рисунок 15.
Напряжение затвор-исток UЗИ изменяйте от нуля до напряжения отсечки UЗИ.отс, задавая напряжения согласно таблицы 7.
Уменьшите напряжение сток-исток до UСИ = 5 В. Повторите измерения.
5.2.2 Измерьте ток затвора транзистора IЗ (M1) при напряжении затвор-исток, равном напряжению отсечки UЗИ.отс. Рассчитайте входное статическое сопротивление транзистора RЗИ = UЗИ.отс /IЗ.
Табл. 7.
|
UЗИ В (V1) |
0 |
0.25 |
. . . |
UЗИ.отс |
|
|
UСИ = 25 В. |
IС мА (М2) |
IС НАЧ |
|||
|
UСИ = 5 В. |
IС мА |
IС НАЧ |
5.2.3 Снимите семейство выходных статических характеристик транзистора IС = f (UСИ) при четырех значениях напряжения затвор-исток UЗИ.
Одно значение равно нулю, а остальные три выбрать из ближайших к значению UЗИ.отс/4, имеющихся в таблице 7.
Для этого устанавливается напряжение V1 = 0 (UЗИ = 0 В) и изменяется напряжение на стоке (V2) от нуля до 25 В, причем до напряжения 5 В с шагом
1 В, а далее – с шагом 5 В. Заполняется вторая строка таблицы 8.
Далее устанавливается напряжение V1 равным UЗИ.отс/4 и повторяется измерение.
5.2.4 Установить температуру транзистора 570С и снять одну характеристику для режима UЗИ.отс/4.
Для установки температуры выбрать опцию Analysis options меню Analysis. В открывшемся окне выделить вкладку Global и установить значение переменной в окне Simulation temperature (TEMP) равное 57 degrees C (57ºС).
Результаты измерений внесите в таблицу 8.
Табл. 8.
|
UСИ В (V2) |
0 |
1 |
2 |
. . . |
10 |
. . . |
25 |
|
|
UЗИ = 0 В. |
IС мА (M2) |
|||||||
|
UЗИ.отс/4 |
IС мА |
|||||||
|
UЗИ.отс/2 |
IС мА |
|||||||
|
UЗИ.отс/1 |
IС мА |
|||||||
|
UЗИ.отс/4. t = 570C |
IС мА |
6. Обработка результатов измерений
6.1 Построение характеристик
По данным таблиц 7 и 8 построить передаточную и стоковую характеристики транзистора рисунки 14 и 15.
На характеристиках построить характеристические прямоугольные треугольники, определить приращения токов и напряжений.
6.2 Определение параметров транзистора по передаточным характеристикам
S = ΔIС/ΔUЗИ [mA/B].
М = ΔUСИ/ΔUЗИ.
rСИ = ΔUСИ /ΔIС = [B/mA] [кОм].
6.3 Определите параметры транзистора по выходным характеристикам рисунок 14. Методика определения аналогична рассмотренной в пункте 6.2.
Отчёт должен содержать:
- Что такое «полевой транзистор»?
- Дайте классификацию полевых транзисторов.
- Изобразите конструкцию полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.
- В чем заключается принцип действия полевого транзистора с управляющим p-n-переходом?
- Назовите основные статические характеристики полевого транзистора и дайте их определения.
- Изобразите выходные статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и объясните их.
- В чем заключается эффект модуляции длины канала?
- Изобразите передаточные статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и объясните их.
- Поясните влияние температуры на передаточную характеристику полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.
- Назовите основные малосигнальные параметры полевого транзистора
и дайте их определения.
- Перечислите схемы включения полевого транзистора.
- Почему схема с общим затвором не используется на практике?
- Нарисуйте схему для исследования полевого транзистора и объясните назначение её элементов.
- Поясните методику исследования передаточной характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.
- Поясните методику исследования выходной характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.
- Какова методика определения крутизны полевого транзистора?
- В чем заключается методика определения выходного сопротивления полевого транзистора?
Таблица для выбора типа транзистора согласно варианту.
Библиографический список
Павлов В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: учебник для вузов. 2-е изд., исправ. / В.Н.Павлов, В.Н.Ногин. М.: Горячая линия-Телеком, 2001. 320 с.
Лачин В.И. Электроника: учеб. пособие / В.И.Лачин, Н.С.Савёлов. – Изд. 6-е, перераб. и доп. - Ростов-на-Дону: изд-во “Феникс”, 2007. 703 с.
Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника: учеб. для вузов. / В.Г.Гусев, Ю.М.Гусев. - 4-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 2006. - 799 с.
Кардашев Г.А. Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналоговых устройств. – 2-е изд., стереотип. – М.: Горячая линия-Телеком, 2009. – 260 с.
Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Том 1. Моделирование элементов аналоговых систем / В.И. Карлащук. – 6-е изд., перераб. и доп. – М. : СОЛОН-ПРЕСС, 2006. – 672 с.
Булычев А.Л. Электронные приборы / А.Л. Булычев, П.М. Лямин, Е.С. Тулинов. – М.: Лайт Лтд., 2000. – 416 с.