ЛАБОРАТОРНА РОБОТА

Вивчення роботи польового транзистора

Мета роботи: ознайомитися з принципами роботи польового транзистора, побудувати стокові характеристики транзистора.

Короткі теоретичні відомості

У багатьох сучасних електронних пристроях використовують транзистори, ток носіїв яких тече по так званому каналу, освіченій всередині кремнієвого кристала. Цим струмом можна управляти, прикладаючи електричне поле. Такі прилади називаються польовими транзисторами (в англомовній літературі застосовують скорочення FET - FieldEffectedTransistor). В даний час ці транзистори грають важливу роль, будучи елементами інтегральних схем, які містять на одному кристалі від сотень тисяч до мільйонів напівпровідникових приладів. У свою чергу на базі таких інтегральних схем створюють комп'ютери, мікропроцесорні системи, пристрої обробки сигналів і ін.

Існують три групи польових транзисторів: типу МОП (метал-оксид-напівпровідник), з керуючим p - n - переходом, з керуючим переходом метал-напівпровідник.

Тонка пластинка напівпровідника (канал) забезпечена двома омічними електродами (витік, стік). Між витоком і стоком розташований третій електрод - затвор. Напруга, прикладена між затвором і будь-яким з двох інших електродів, призводить до появи в подзатворного області каналу електричного поля. Вплив цього поля призводить до зміни кількості носіїв заряду в каналі поблизу затвора і змінює опір каналу.

Якщо канал польового транзистора - напівпровідник n - типу, то струм в ньому переноситься електронами, що входять в канал через витік, до якого в цьому випадку прикладається негативний потенціал, і виходить з каналу через стік. Якщо канал польового транзистора - напівпровідник p - типу, то до витоку прикладається позитивний потенціал, а до стоку - негативний. При будь-якому типі провідності каналу струм завжди переноситься носіями заряду тільки одного знаку: або електронами, або дірками, тому польові транзистори називають іноді уніполярними транзисторами.

Розрізняють два основних типи польових транзисторів. До першого типу відносять польові транзистори, в яких затвором служить pn - перехід (польовий транзистор з керуючим pn-переходом) або бар'єр метал-напівпровідник (Шотткі бар'єр). Яку другого типу відносять польові транзистори, в яких металевий електрод затвора відділений від каналу шаром діелектрика, - польові транзистори з ізольованим затвором.

Ідея, що лежить в основі роботи польового транзистора з затвором у вигляді p - n - переходу, висловлена в 1952 р У. Шоклі. Вона пояснюється на рис. 2. Під металевим електродом затвора польового транзистора сформований p - шар, так що між затвором і будь-яким з двох інших електродів польового транзистора існує p - n - перехід. товщина каналу , За яким струм може протікати між витоком і стоком, залежить від напруги, прикладеного до затвора. Між витоком і затвором прикладається напруга , Що зміщує p - n - перехід в замикаючому напрямку. Тоді під затвором виникає збіднений шар, який має дуже високий опір. Чим більша напруга , Тим більше товщина збідненого шару. В межах збідненого шару струм практично текти не може. Тому збільшення відповідає звуження каналу, по якому протікає струм між витоком і стоком. Змінюючи напругу на затворі, можна управляти струмом в каналі. Чим більше , Тим товщі збіднений шар і тонше канал і, отже, тим більше його опір і тим менше струм в каналі. При чималій величині збіднений шар під затвором може повністю перекрити канал. І струм в каналі звернеться в нуль. відповідне напруга називається напругою відсічення. При подальшому зростанні напруги на затворі струм не змінюється.

При фіксованій напрузі на затворі U _З = const струм I _C зростає до тих пір, поки напруга стоку U _C не досягне значення, вище якого струм I _C залишається постійним. Фізично це означає, що канал переходить в режим відсічення. Чим більше значення , Тим менше позначається вплив зсуву, поданого на pn-перехід, і, як наслідок, тим товщі канал. якщо , То канал перекривається в точці, розташованій перед стоком. Струм стоку залишається постійним, так як всі носії, інжектованих в провідну область, досягають стоку, не відчуваючи рекомбінації. Чим більше позитивний потенціал затвора щодо витоку, тим менше струм насичення. Справа в тому, що при цьому скорочується початкова товщина каналу, що призводить до зростання початкового опору.

У польовому транзисторі з ізольованим затвором між каналом польового транзистора і металевим електродом затвора розміщується тонкий шар діелектрика (рис. 3, 4). Тому такі польові транзистори називають МДП-транзисторами (метал-діелектрик-напівпровідник). Часто в МДП-транзисторі шаром діелектрика служить окисел на поверхні напівпровідника. В цьому випадку польовий транзистор називають МОП-транзистором (метал-окисел-напівпровідник). Перші МДП-транзистори з'явилися в

МДП-транзистори можуть бути як з нормально відкритим, так і з нормально закритим каналами. МДП-транзистор з нормально відкритим, вбудованим каналом показаний на рис. 3 на прикладі МДП-транзистора з каналом n - типу. Транзистор виконаний на підкладці p - типу. Зверху підкладки методами дифузії формуються провідний канал n - типу і дві глибокі -області для створення омічних контактів в області витоку і стоку. Область затвора являє собою конденсатор, в якому однією обкладкою служить металевий електрод затвора, а інший - канал польового транзистора, діелектриком є ​​тонкий (товщина 0,1 - 0,2 мкм) шар оксиду кремнію. Якщо при нульовій напрузі затвора докласти між стоком і витоком напругу, то через канал потече струм, який представляє собою потік електронів. Через кристал струм не піде, тому що один з p - n - переходів знаходиться під зворотною напругою. При подачі на затвор напруги, негативного щодо витоку, а, отже, і щодо кристала, в каналі створюється поперечне електричне поле, під впливом якого електрони провідності виштовхуються з каналу в області стоку і витоку, а також в кристал. Канал збіднюється електронами, опір його збільшується і струм стоку зменшується. Чим більше негативна напруга затвора, тим менше цей струм. Такий режим роботи транзистора називають режимом збідніння.

Якщо ж на затвор подати позитивне напруга, то під дією поля, створеного цим напругою, з областей стоку і витоку, а також з кристала в канал будуть приходити електрони; провідність каналу при цьому збільшується і струм стоку зростає. Цей режим називають режимом збагачення.

МДП-транзистор з індукованим каналом показаний на рис. 4. З порівняння (рис. 3 і 4) видно, що цей транзистор відрізняється від МДП-транзистора з вбудованим каналом відсутністю n - шару під затвором. Якщо напруга на затворі відсутня , То в такому МДП-транзисторі відсутній і канал, а сам транзистор являє собою два послідовно включених p - n - переходу. При будь-якої полярності напруги між витоком і стоком один з цих p - n - переходів виявляється включеним у зворотному напрямку і струм в ланцюзі витік-стік практично дорівнює нулю.

Основними достоїнствами польових транзисторів є: високий вхідний опір, великий динамічний діапазон (верхня межа по частоті досягає 80 МГц), висока стабільність і мала чутливість до радіаційного випромінювання.

Виконання роботи

Для отримання характеристик польового транзистора типу КП302 схему (рис. 5) підключити до джерела постійного струму (12 В). Стоковий характеристику (залежність струму стоку від напруги між витоком і стоком) отримують при фіксованій напрузі на затворі. Зі збільшенням напруги струм стоку спочатку зростає, а потім це наростання сповільнюється. Явище, що нагадує насичення, пояснюється тим, що зі збільшенням напруги на стоці одночасно підвищується зворотна напруга на p - n - переході і канал звужується (його опір зростає). Напруга на затворі встановлюється за допомогою ключа К.

1) Підключити до джерела живлення ВС 4-12 схему, представлену на рис.5.

2) Перемикач вихідної напруги джерела живлення ВС 4-12 встановити в положення «12 В».

3) Подати на затвор за допомогою ключа К напруга 1 - 1,5 В. Збільшуючи напругу від 0 до 12 В, за допомогою обертання ручки потенціометра R, зняти стоковий характеристику транзистора. Для цього необхідно змінювати напругу на стоці поступово з кроком в 1 В і при цьому записувати в таблицю відповідні кожному кроці значення струму за показаннями мікроамперметра.

4) Зняти стоковий характеристику транзистора при напрузі на затворі = 0 В (тобто повторити вимірювання пункту 3, але при розімкнутому ключі К).

5) Занести всі вимірювання в таблицю. Побудувати стокові характеристики, тобто залежність між струмом і напругою при двох різних напругах на затворі.

Таблиця

= 1 В		= 0
, В	, мА	, В	, мА
1
2
...

Контрольні питання

1. Що спільного у польового транзистора з біполярним транзистором, електронної лампою?

2. Опишіть пристрій польового транзистора з керуючим p - n - переходом.

3. Чим визначається товщина каналу в польовому транзисторі з керуючим p - n - переходом.

4. Поясніть причину насичення в стокової характеристиці польового транзистора.

5. Як залежить вид стокової характеристики від напруги на затворі?

6. У чому відмінність польових транзисторів з ізольованим затвором? Що фізично означає ізольований затвор?

7. Опишіть пристрій і роботу польового транзистора з вбудованим каналом.

8. Опишіть пристрій і роботу транзистора з індукованим каналом.

9. Як виникає інверсія типу провідності?