Лабораторная работа № 5. Исследование статических характеристик полевого транзистора с управляющим pn-переходом

Цель работы: изучение принципа работы и приобретение навыков экспериментального исследования ВАХ полевого транзистора с управляющим р-п-переходом.

Полевые транзисторы – униполярные полупроводниковые приборы, в которых ток переносится носителями одного знака, а принцип работы состоит в изменении сопротивления проводящей области (канала) при приложении поперечного напряжения.

В полевом транзисторе с управляющим p-n - переходом (ПТУП) сопротивление канала изменяется за счет расширения области пространственного заряда (ОПЗ) p-n-перехода при приложении к нему обратного напряжения. На рисунке 5.1 показаны условные обозначения ПТУП-транзисторов и структура n-канального ПТУП.

Концентрация легирующей примеси в затворных областях выше, чем в области канала, поэтому ОПЗ будет распространиться главным образом в канал. Если напряжение между стоком и истоком U_си = 0, ОПЗ будет перекрывать канал равномерно по всей длине. Напряжение на затворе, при котором ОПЗ p-n-переходов сомкнутся, перекрыв путь для протекания тока между стоком и истоком, называется напряжением отсечки U_{з. отс}.

Рис. 5.1. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

Приравняв l_опз к половине толщины канала без приложения напряжения (d₀/2), и учитывая, что N_d <<N_a (для n-канального ПТУП), найдем напряжение отсечки:

(5.1)

(здесь и далее абсолютная величина U_з и U_с).

При подаче напряжения между стоком и истоком обратное напряжение, приложенное к p-n-переходу в области стока, равно сумме приложенных напряжений U = U_з+U_с, поэтому канал перекрывается неравномерно, сужаясь по направлению к стоку. Когда сумма напряжений U_з+U_с достигнет напряжения отсечки, канал перекроется областью пространственного заряда, тем не менее, ток между стоком и истоком будет течь, поскольку электрическое поле перебрасывает носители заряда через ОПЗ.

Для ПТУП рассматривают выходные (рисунок 5.2,а) ВАХ (выходом является сток) и передаточные (рисунок 5.2, б) ВАХ (зависимости тока выхода от напряжения на управляющем электроде – затворе).

аб

Рис. 5.2. Выходные передаточные ВАХ ПТУП

При малых напряжениях на стоке U_с << U_отс форма канала практически не изменяется, транзистор представляет собой резистор, сопротивление которого зависит от напряжения на затворе: R = ρ ∙ L /(W ∙ d), где ρ – удельное сопротивление, L – длина канала, W – ширина канала, d – толщина канала, зависящая от U_з. Выходная ВАХ представляет собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе.

По мере увеличения напряжения на стоке, сечение канала уменьшается возле стока. Сопротивление канала увеличивается, рост тока замедляется. При U_з + U_с = U_отс канал перекрывается ОПЗ, рост тока прекращается (в идеале), наступает насыщение ВАХ.

В линейной области ВАХ ток стока связан с напряжением на затворе и стоке следующим соотношением:

, (5.2)

где R_k0 – сопротивление полностью открытого канала. Зависимости I_с(U_с) представляют собой кривые параболического типа c экстремумом (I_{с нас}) при U_з+U_с = U_отс. После достижения насыщения ток стока можно считать постоянным, равным I_{с нас}.

Ток стока насыщения будет максимальным при U_з = 0. Максимальный ток стока можно рассчитать по упрощенной формуле: I_{с max} ≈ U_отс / (3R₀). Тогда ток стока насыщения:

(5.3)

По этой формуле рассчитывается передаточная характеристика в области насыщения.

Одним из основных параметров полевого транзистора, характеризующих его усилительные свойства, является крутизна передаточной характеристики, определяемая как S =dI_с/dU_з при U_с=const. Крутизна в области насыщения ВАХ (используемой в усилительном режиме работы) равна:

. (5.4)

Вторым важным параметром полевого транзистора считается проводимость канала в линейной области ВАХ, определяемая как g_к = dI_с/dU_си при U_з = const.

При домашней подготовке необходимо изучить принцип работы ПТУП.