Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лабораторная работа №4 - файл Лаба ПП-4.doc


Лабораторная работа №4
скачать (156.3 kb.)

Доступные файлы (2):

Лаба ПП-4.doc480kb.07.12.2004 14:50скачать
Лаба ПП-4.xls27kb.07.12.2004 14:50скачать

содержание

Лаба ПП-4.doc

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Уфимский государственный авиационный

технический университет


Кафедра промышленной электроники
Лабораторная работа ПП-4

Исследование статических характеристик,

статических и дифференциальных параметров полевых

транзисторов.

Выполнили: студенты

группы ПЭ-321

Проданюк Василий

Козлов Павел

Коновалов Кирилл

Ахметова Марина

Проверил: Кудаяров Р.А.


Уфа 2004г
^ Цель работы:

изучение принципа действия и основных свойств полевого транзистора с управляющим p-n переходом, его работы при усилении сигнала и в качестве регулируемого сопротивления; исследование статических и дифференциальных параметров; исследование статических вольт - амперных характеристик (входных, выходных и характеристик передачи).

^ 1 Краткие теоретические сведения:


    1. Устройство и принцип работы


Полевыми транзисторами (ПТ) называются приборы, работа которых основана на модуляции сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем. От биполярных транзисторов (БТ) полевые транзисторы отличаются тем, что в токообразовании рабочего тока участвуют носители заряда только одного типа (электроны либо дырки). Этим объясняется второе название приборов - унитроны.

Полевые транзиторы бывают двух видов:

- с управляющим р-n - переходом;

- со структурой "металл-диэлектрик полупроводник" (МДП - структуры).

В данной лабораторной работе изучаются ПТ с управляющим р-n - переходом. Устройство транзистора показано на рисунке 4.1. Пластина из полупроводникового материала, имеющего примесную проводимость определенного типа (р - или n), выполняет функцию рабочего канала. От концов пластины сделаны два вывода: электрод, от которого начинают движение основные носители заряда в канале, называют истоком (И), а электрод, к которому движутся заряды, называется стоком (С). Вдоль пластины с обеих сторон выполнены управляющие р-n - переходы или барьеры Шотки. Заметим, что в отличие от БТ, плоскость р-n - перехода расположена параллельно потоку носителей. От р-n - переходов сделан третий вывод - затвор (3). Внешнее напряжение прикладывают так, что между электродами стока и истока протекает ток основных носителей, а напряжение, приложенное к затвору, смещает управляющий р-n - переход в обратном направлении. Как известно из теории р-n - переходов [1], при обратном смещении образуется запорный слой, обедненный носителями зарядов, с высоким электрическим сопротивлением (порядка десятков МОм). Последнее обуславливает принципиальную особенность ПТ с управляющим р-n - переходом - высокое входное сопротивление.


Рисунок 4.1 - Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим р-n - переходом



а - выходные ВАХ

б - входная ВАХ

в - характеристика передачи (стокозатворная)

Рисунок 4.2 - Статические вольт-амперные характеристики полевого транзистора с управляющим р-п - переходом

При изменении напряжения U между затвором и истоком модулируется ширина запорного слоя и, соответственно, сопротивление рабочего канала между стоком и истоком rси, вплоть до полного перекрытия канала. Таким образом, при фиксированном напряжении между стоком и истоком за счет изменения напряжения сигнала U можно изменять рабочий ток IС от нуля до максимальной величины IC.max, определяемой параметрами внешней цепи ес, rC.

Эффект усиления сигнала по мощности в ПТ аналогичен усилению сигнала в БТ: вариации маломощного сигнала (U = var) вызывают вариации сигнала существенно большего уровня мощности от падения напряжения, создаваемого током стока IС на сопротивлениях rC или RCИ. Из принципа действия ПТ следует, что для сохранения управляемости сопротивления канала, управляющий р-n - переход должен быть смещен в обратном направлении (режим обеднения канала).

Из принципа действия следует, что в ПТ рабочим током IС можно управлять как по цепи затвора (U = var, UCИ = const), так и по цепи стока (UCИ = var, U = const) в определенных пределах, которые задаются двумя параметрами: напряжением отсечки UЗИ.ОТС и напряжением насыщения UCИ.HАС

Напряжение между затвором и истоком, при котором ток стока равен нулю (IС = 0), называют напряжением отсечки:

(4.1)

На практике удобнее вместо (4.1) использовать формулу

(4.2)

где i0 - заданное малое значение тока стока, надежно фиксируемое из­мерительным прибором.

Условие отсечки тока стока по (4.1) и (4.2) физически определяется таким уровнем расширения запорного слоя управляющего р-n - перехода, что рабочий канал исчезает (RCИ 64).

Напряжение между стоком и истоком, при котором скорость роста IС равна нулю (или dIC = 0), называется напряжением насыщения:

(4.3)

Другими словами, в режиме насыщения ПТ происходит "отсечка" не самого тока IС, а его приращения. На практике режим насыщения фиксируется по условию, когда IС остается почти постоянным, несмотря на рост напряжения UCИ. Физически появление режима насыщения при росте UCИ можно объяснить наличием внутренней отрицательной обратной связи за счет падения напряжения от тока IС на сопротивлении канала rк = rк(х), где х - координата, отсчитываемая вдоль канала в направлении IС (от истока к стоку):

(4.4)

Из (4.4) видно, что напряжения обратной связи DUOC нарастает по величине от истока к стоку. Напряжение DUOC прикладывается к управляющему р-n - переходу в запирающей полярности, т.е. приводит к расширению запорного слоя и увеличению RCИ. Следовательно, наиболее узкая часть канала ("горловина") наблюдается у стока. При этом, если считать, что сопротивление ПТ определяется только сопротивлением канала rси, то у края р-n - перехода, обращенного к истоку, будет действовать управляющее напряжение Uy = U, a у края, обращенного к стоку

(4.5)

Формула (4.5) показывает, что при перегрузке ПТ по напряжению р-n - переход пробивается вблизи стока.

При малых значениях напряжения UCИ и малых токах стока ПТ ведет себя как линейное сопротивление. По мере увеличения напряжения UCИ выходная вольт-амперная характеристика (ВАХ), все более отклоняется от линейной - становится пологой (рисунок 4.2а). Это режим насыщения, который характеризуется тем, что при достаточно большом UCИ канал вблизи стока за счет падения напряжения DUCИ стягивается в узкую горловину. Наступает динамическое равновесие, при котором увеличение +DIC, вызванное увеличением напряжения DUCИ, уравновешивается противоположным процессом сужения канала и соответствующего уменьшения тока -DIC за счет падения напряжения DUCИ. В итоге близко к нулю приращение тока DIC при росте UCИ:

(4.6)

Так как влияние электрического поля, создаваемого вариациями U и UCИ вблизи "горловины" канала практически одинаково, справедливы соотношения.

При значительном увеличении UCИ у стокового конца наблюдается пробой р-n - перехода.

Кроме усиления сигнала, ПТ, как и БТ, широко используется как электронные ключи и регулируемые сопротивления. ПТ входят в состав многих микросхем.

Аналогично БТ, полевые транзисторы можно включать по схеме с общим истоком (аналог схемы с ОЭ) и общим стоком (аналог схемы с ОК). Схема с ОЗ используется редко.

Основными преимуществами ПТ с управляющим р-n - переходом перед БТ является высокое входное сопротивление, малые шумы, простота изготовления. Недостатки: выход из строя при электрических перегрузках по напряжению (даже кратковременных), худшая радиационная стойкость. Эти недостатки частично устраняются. Так, для защиты ПТ от перегрузок по напряжению по цепи затвора в мощных приборах встраиваются защитные стабилитроны [3]. Сопротивления ПТ в открытом состоянии уже снижено до сотых долей Ома. Радиационная стойкость повышается технологическими способами [3].

1.2 Характеристики и параметры ПТ
Статические характеристики ПТ показаны на рисунке 4.2. Вид выходных ВАХ, параметром семейства которых является напряжение U = var, ясен из описанного выше принципа действия. На выходные ВАХ (рисунок 4.2а) можно выделить три характерных области: I, II, III. В области I ПТ работает как управляемое нелинейное сопротивление. При этом, если изменить управляющее напряжение при UCИ = const, статическое сопротивление канала rCИ меняется в широких пределах. В области II все выходные ВАХ имеют малый наклон и, соответственно, большое дифференциальное сопротивление канала

(4.7)

В области II ПТ используется как усилительный прибор, аналогично БТ. Область III предпробойных напряжений UCИ является нерабочей.

входная характеристика (4.8)

представляет собой обратную ветвь ВАХ р-n - перехода. Хотя ток затвора есколько меняется при изменении напряжения UCИ (в силу упомянутой внутренней отрицательной обратной связей) и достигает наибольшего значения при условии короткого замыкания выводов стока и истока (ток утечки затвора I3.УТ), им в большинстве случаев можно пренебречь (I3.УТ составляет десятки и сотни наноампер). Изменения напряжения U не вызывает существенных изменений тока затвора I3, что характерно для пологой части ВАХ р-n - перехода, смещенного в обратном направлении.

Более информативной, чем входная ВАХ, является характеристика передачи (рисунок 4.2в), описывающая управляющие свойства ПТ по цепи затвора, т.е. . Величина коэффициента передачи

(4 9)

называется КРУТИЗНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ. Крутизна характеристики максимальна при U = 0.

Для инженерных расчетов в области II выходных ВАХ применяется простая аппроксимационная формула [2]:

(4.10)

где IC.НАЧ - начальный ток стока, под которым понимают ток при U=0 и |UCИ| > |UCИ.НАС|. Из (4.9) следует

(4.11)

Усилительные свойства полевого транзистора характеризуются дифференциальным коэффициентом усиления

. (4.12)

Физический смысл формулы (4.11) состоит в следующем. Если создать положительное приращение напряжения между стоком и истоком (dUCИ>0), то это должно вызвать увеличение тока стока (dIC > 0). Для сохранения прежнего уровня тока стока, т.е. выполнения условия IC = const, следует создать приращение управляющего напряжения по модулю d|U|. Знак минус в формуле для М показывает, что приращение напряжения dUCИ и dU действует на ток IС в противоположных направлениях, что ясно из принципа действия ПТ.

Коэффициент усиления М связан с крутизной переходной характеристики и внутренним сопротивлением уравнением

(4.13)

которое легко выводится из условия dlc = 0 в (4.11).

Все параметры ПТ, как нелинейного элемента электрической цепи, можно разделить на статические, определяемые через абсолютные значения токов и напряжений, и дифференциальные, определяемые через диф­ференциалы (или конечные малые приращения). Помимо указанных выше параметров UЗИ.ОТС , UCИ.НАС , S, М, rcи, rcи.д, I3.УТ. и максимально допустимых параметров, для ПТ в справочниках приводятся также шумовые параметры, емкости для эквивалентной схемы замещения в области высоких частот (рисунок 4.3), параметры температурной стабильности.

Типовые значения параметров кремниевых ПТ, входящих в эквива­лентную схему:

S = (0,3...3) мА/В; КЗИ= 1010 Ом; RCИ.Д=(0,1...1) МОм; RCИ = (50...800) Ом; СЗИ = 0,2...10пФ.

Емкости у полевых транзисторов, а также конечная скорость движения носителей заряда в канале определяют его инерционные свойства, которые в первом приближении можно учесть путем введения операторной крутизны характеристики:

(4.14)

где- предельная частота, определенная на уровне

0,7 статического значения крутизны характеристики.

а - для постоянного тока

б - малосигнальная для высоких частот
^ Рисунок 4.3 - Упрощенная эквивалентная схема замещения полевого транзистора с управляющим р-п - переходом

Для измерения коэффициента усиления КU по переменной составляющей низкочастотный сигнал UBX(t) подается от генератора звуковых сигналов ЗГ через резистор R6 и разделительный конденсатор СP1 Смещение UЗИ.П формируется резистором R4 в цепи истока и делителем Rl, R2:

(4.15)

где IД - ток входного делителя (IД = I2 +I3).

Выходное переменное напряжение снимается с ПТ через разделительный конденсатор СP2 и измеряется прибором В27-А/1 через коаксиальный ввод.

В силу малости тока I3 измерение тока производится с помощью токосъемного резистора R5, сопротивление которого предварительно из­меряется прибором В27-А/1 при разрыве цепи этого резистора (используется закон Ома).



^ Рисунок 4.4 - Схема электрическая принципиальная лабораторного стенда для снятия статических ВАХ полевого транзистора с управляющим р-п – переходом.
2 Описание стенда и методические указания по измерениям
На рисунке 4.4 показана мнемосхема лабораторного испытательного стенда. Напряжение +5В подается на стенд через штепсельный разъем для питания затворной цепи. Величина U регулируется изменением резистора R2 входного делителя напряжения R1-R2 и измеряется вольтметром V1, в качестве которого используется электронный вольтметр В27-А/1. Встречно-параллельный диоды VD1, VD2 защищают затворную цепь от перенапряжений. Напряжение UCИ подается от регулируемого источника напряжения (РИН), встроенного в стенд. Для питания РИН служит напряжения - 15В, подаваемое через штепсельный разъем. Переменное напряжение сигнала подается от генератора звуковой частоты ЗГ.

Дифференциальный коэффициент усиления М измеряется в области низких частот путем замены в (4.11) дифференциалов dUCИ, dU, dlc на достаточно малые амплитуды переменных токов и напряжений Um.CИ, Um., Im.c B установившемся (квазистационарном) режиме [4]:

(4.16)

Частота сигнала f выбирается порядка нескольких кГц так, чтобы можно было считать комплексные амплитуды в (4.15) чисто активными величинами.

Смещение U3И.П следует выбрать так, чтобы рабочая точка по сто-козатворной характеристике располагалась примерно в ее середине. Величина амплитуды переменного сигнала Um. выбирается, аналогично БТ, по условию достаточной "малости" сигнала:

(4.17)

Условие "малости" комплексных амплитуд в условиях учебной лабо­ратории можно соблюсти, если указанные амплитуды выбрать равными 1.

(4.18)

где U3И.П, IС.П - постоянные составляющие напряжения и тока в точке покоя.

Более строгое условие достаточной "малости" сигнала переменного тока выполняется [5], если дальнейшее уменьшение амплитуд U3И.П, IС.П ,например в 2 раза, дает изменение определяемого параметра DM, меньшее, чем заданная погрешность е, например 5%:

(4.19)

где М, М' - дифференциальные коэффициенты усиления, определенные по

(4.15) при амплитудах Um., Im.c и 0,5Um., 0,5Im.c соответственно.

Переменное напряжение измеряется прибором В27-А/1 через коакси­альный ввод. Поскольку на лабораторном столе отсутствует измерительный прибор переменного тока, условие Im.c = const контролируется путем измерения падения напряжения на токосъемном резисторе R4:

(4.20)

Величина сопротивления резистора R4 предварительно измеряется при отключении резистора от схемы.

Частота сигнала f должна быть также согласована с величинами разделительных емкостей Cp1, Cp2так, чтобы выполнялось условие "малости" емкостных сопротивлений по сравнению с RBX, RBЫX:

(4.21)

где RBX, RBЫX - входное и выходное сопротивления усилительного каскада по переменному току.

В силу того, что R очень большое, можно принять RBX(R2||R1);

(4.22)

Величины СР1, СР2 задаются преподавателем.

Для измерения малых токов I3120 нА используется токосъемный

резистор R5. Величина сопротивления резистора R5 определяется прибо­ром В27-А/1, причем R5 следует отсоединить от схемы переключателем S3.

Необходимая схема измерения набирается с помощью перемычек и выключателей.


^ Полученные результаты:


  1. Выходная ВАХ






















0,002

0,01

0,01

0,011

0,006

0,011

0,034

0,12

0,03

0,032

0,036

0,064

0,074

0,25

0,075

0,076

0,075

0,131

0,1

0,34

0,1

0,098

0,1

0,174

0,129

0,43

0,15

0,12

0,128

0,22

0,18

0,59

0,127

0,121

0,18

0,320

0,24

0,77

0,177

0,122

0,240

0,395

0,3

0,94

0,24

0,123

0,3

0,42

0,4

1,1

0,302

0,123

0,34

0,423

0,5

1,11

0,367

0,125

0,363

0,424

0,6

1,12

0,37

0,126

0,37

0,427

0,7

1,13

0,4

0,127

0,45

0,43

0,8

1,15

0,44

0,129

0,53

0,44

0,9

1,341

0,5

0,131

0,64

0,46

1

1,51

0,54

0,132

0,78

0,462

1,1

1,73

0,6

0,134

0,89

0,525

1,2

1,93

0,61

0,134

1,08

1,156


Для ВАХ при

Для ВАХ при
Рабочая точка:

А();















  1. Характеристика передачи
















0

0,8

0

0,7

-0,044

0,64

-0,034

0,54

-0,09

0,5

-0,08

0,4

-0,176

0,35

-0,166

0,24

-0,22

0,27

-0,21

0,17

-0,32

0,175

-0,31

0,08

-0,41

0,09

-0,43

0,01

-0,53

0,02

-0,47

0

-0,57

0








При

При




  1. Входная ВАХ












-0,67

-0,63

0,08

0,2

-0,61

-0,61

0,15

0,45

-0,53

-0,60

0,2

0,65

-0,45

-0,55

0,24

0,9

-0,33

-0,50

0,28

1,37

-0,21

-0,4




-0,12

-0,22





4.












Скачать файл (156.3 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации