Дослідження характеристик польового транзистора

Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

Завдання роботи:

дослідити вхідні та вихідні характеристики польового транзистора.

Обладнання:

робоча станція NI ELVIS II, блок живлення станції; USB-кабель, ПК, плата «Аналогові елементи інформаційно-вимірювальної техніки».

Теоретична частина

Рис. 1. Загальний вигляд обладнання

Транзистор – це напівпровідниковий елемент електронної техніки, який дає змогу керувати струмом, що протікає через нього, за допомогою прикладеної до додаткового електрода напруги.
Транзистори є основними елементами сучасної електроніки. Зазвичай вони застосовуються в підсилювачах і логічних електронних схемах.
У мікросхемах у єдиний функціональний блок об’єднані тисячі й мільйони окремих транзисторів.
За будовою та принципом дії транзистори поділяють на два великі класи – біполярні та польові. До кожного з цих класів входять численні типи транзисторів, що відрізняються за будовою і характеристиками.
Струм між двома електродами (колектором та емітером) біполярного транзистора керується малим струмом між третім електродом (базою) і емітером.
У польовому транзисторі сила струму, що протікає між двома електродами (витоком і стоком) регулюється напругою, прикладеною до третього електрода (затвора).
Отже, основною відмінністю польового транзистора від біполярного є те, що у біполярного транзистора струм між двома електродами керується також струмом між двома іншими електродами, а у польового струм між двома електродами керується напругою між двома іншими електродами.
У польовому транзисторі струм протікає від витоку до стоку через канал під затвором. Канал існує в легованому напівпровіднику в проміжку між затвором і нелегованою підкладкою, в якій немає носіїв заряду, й вона не може проводити струм. Безпосередньо під затвором існує зона збіднення, в якій теж немає носіїв заряду завдяки утворенню між легованим напівпровідником і металевим затвором контакту Шотткі. Таким чином, ширина каналу обмежена простором між підкладкою та зоною збіднення. Прикладена до затвору напруга збільшує чи зменшує ширину зони збіднення, а тим самим ширину каналу, контролюючи струм.
Польові транзистори розрізняють за типом провідності в каналі: вони поділяються на p-канальні (основний тип провідності – дірковий) та n-канальні (основний тип провідності – електронний).

Серед різновидів польових транзисторів можна виділити два основні класи: польові транзистори із затвором у вигляді p-n переходу та польові транзистори із затвором, який ізольований від робочого напівпровідникового об’єму діелектриком. Прилади цього класу часто також називають МДН транзисторами (від словосполучення метал – діелектрик – напівпровідник) та МОН транзисторами (від словосполучення метал – оксид – напівпровідник), оскільки як діелектрик найчастіше використовується діоксид кремнію.

У свою чергу, транзистори з ізольованим каналом поділяються на транзистори з вбудованим каналом (англ. depletion mode transistor) та індукованим каналом. Транзистори з вбудованим каналом (у них канал відкритий за нульової напруги витік-затвор) зустрічаються набагато рідше.

На рисунку 2 зображена класифікація польових транзисторів за видами з їх умовними позначеннями на схемах.

Рис. 2. Види польових транзисторів та їх позначення на принципових схемах

У цій роботі пропонується дослідити властивості польового транзистора з індукованим каналом n-типу. За відсутності напруги між затвором та витоком опір каналу такого транзистора досить великий, і транзистор перебуває в закритому стані. По мірі зростання додатної напруги між затвором та витоком опір каналу поступово зменшується, транзистор відкривається і починає проводити струм між стоком і витоком. Опір каналу у відкритому стані є однією з основних характеристик польового транзистора. Чим він менший, тим більший струм може проводити транзистор.

Передатною характеристикою польового транзистора називається залежність струму стоку за певної напруги, прикладеної між стоком і витоком, від напруги, прикладеної між затвором і витоком.

Вихідними характеристиками польового транзистора називаються залежності струму стоку від напруги, прикладеної між стоком і витоком, за різних значень напруг, прикладених між затвором і витоком. В описах конкретних моделей польових транзисторів зазвичай наводяться сімейства вихідних характеристик, як і в описах біполярних транзисторів.

У лабораторній роботі пропонується отримати й дослідити вхідні та вихідні характеристики польового транзистора за допомогою навчальної лабораторії NI ELVIS II.

У роботі використовується плата «Аналогові елементи інформаційно-вимірювальної техніки», яка містить модуль для дослідження польового транзистора (рис. 3).

Рис. 3. Модуль для дослідження польового транзистора

Лабораторна робота може бути виконана дистанційно. Робоча станція стаціонарно підключена до ПК в лабораторії «МАНЛаб». На сайті розміщено календар лабораторних робіт з використанням NI ELVIS II. Віддалений доступ до ПК, до якого підключена станція, здійснюється за допомогою програми «TeamViewer». Для отримання віддаленого доступу для виконання лабораторних робіт необхідно оформити заявку та отримати ключ доступу до ПК.

Хід роботи

  1. Відкрийте файл Lab9(M6) (рис. 4).

Рис. 4. Вікно лабораторної роботи, вкладка передатних характеристик

  1. У відкритому вікні у правій частині вимірювальної схеми виставте напругу стокового ланцюга +Ес = 2 В.
  2. Натисніть кнопку «Измерение». На графіку з правого боку вікна має з’явитися передатна характеристика транзистора за напруги на стоковому ланцюзі 2 В.
  3. Перейдіть у вкладку «Сопротивление канала», також виставте напругу стокового ланцюга +Ес = 2 В і натисніть кнопку «Измерение». На графіку з правого боку вікна має з’явитися залежність опору каналу від напруги між затвором та витоком.
  4. Перейдіть у вкладку «Выходные характеристики», виставте напруги Ез, що дорівнюють: 1,6; 1,7; 1,8; 1,9 та 2 В. Натисніть кнопку «Измерение». На графіку з правого боку вікна має з’явитися сімейство вихідних характеристик транзистора.
  5. Перейдіть у вкладку передатних характеристик. Зліва від вимірювальної схеми є віконце встановлення вхідної напруги зі стрічкою прокрутки. Установіть вхідну напругу Ез 1,8 В, зчитайте значення напруги між стоком та витоком Uси та струму стоку Іс (рис. 5). Результати занесіть до таблиці.

Рис. 5. Передатна характеристика

  1. Перейдіть у вкладку «Сопротивление канала». Установіть вхідну напругу Ез 1,8 В, зчитайте значення опору каналу Rк (рис. 6). Результати занесіть до таблиці.

Рис. 6. Залежність опору каналу від напруги між затвором та витоком

  1. Перейдіть у вкладку «Выходные характеристики». Під вікном графіків за допомогою горизонтальної прокрутки встановіть напругу, що відповідає Uси, та за допомогою вертикальної прокрутки знайдіть значення струму стоку за вихідними характеристиками ІсВХ. Для цього лінію рівня струму треба виставити на рівні перетину лінії рівня напруги з кривою характеристики, що відповідає напрузі між затвором і витоком Uзи 1,8 В. Занесіть значення ІсВХ до таблиці результатів.

Рис. 7. Сімейство вихідних характеристик польового транзистора

9. За допомогою тих самих інструментів проведіть аналогічні вимірювання для решти значень вхідних напруг Ез.

10. Натисніть «Завершение работы».

Аналіз даних

  1. Порівняйте значення струму стоку Іс, отриманого за аналізом передатної характеристики, зі значенням ІсВХ, отриманого за аналізом вихідних характеристик. Ці значення мають бути досить близькими.
  2. Розрахуйте значення опору каналу за виразом:

 (1)

  1. Порівняйте значення Rк зі значенням Rк (розр).
  2. Дійдіть висновків за результатами лабораторної роботи.

Таблиця результатів

Ез = Uзи, В Uси, В Іс, мА Rк, кОм ІсВХ, мА Rк (розр), кОм