МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА«
ЗНЯТТЯ ХАРАКТЕРИСТИК І ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ПОЛЬОВОГО ТРАНЗИСТОРА Методичні вказівки до лабораторної роботи №15 з курсу “Електротехніка електроніка та мікропроцесорна техніка" для студентів спеціальностей: 7.090207 "Робототехнiчнi системи та комплекси", 7.090223 "Машини та технологія пакування", 7.090222 "Обладнання легкої промисловості та побутового обслуговування" Затверджено на засіданні кафедри автоматизації та комплексної механізації машинобудівної промисловості Протокол № 6 від __ _________ 2001р. Львів - 2001 Зняття характеристик і визначення параметрів польового транзистора. Методичні вказівки та інструкція до лабораторної роботи з курсу “Електротехніка електроніка та мікропроцесорна техніка" для студентів спеціальностей: 7.090207 “Робототехнiчнi системи та комплекси”, 7.090223 “Машини та технологія пакування”, 7.090222 “Обладнання легкої промисловості та побутового обслуговування” /Укл. Зелінський І.Д., Таянов С.А. - Львів: Національний університет "Львівська політехніка", 2001. -12с. Укладачі:  к.т.н., доцент каф. АКМ Зелінський І.Д., к.т.н., доцент каф. АКМ Таянов С.А.   Відповідальний за випуск: зав. каф. АКМ доцент, к.т.н. Гаврильченко О.В. Рецензенти: к.т.н., доцент каф. АКМ Савчин О.М. д.т.н., доцент каф. “Телекомунікації” Тимченко О.В. ЗНЯТТЯ ХАРАКТЕРИСТИК І ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ПОЛЬОВОГО ТРАНЗИСТОРА Мета роботи: вивчення принципу дії, зняття характеристик і визначення основних параметрів польового транзистора з р-n-переходом. І. ПОПЕРЕДНЯ ПІДГОТОВКА ДО РОБОТИ Теоретичні відомості Польовим називають транзистор, в якому струм через канал керується полем, що виникає при прикладанні напруги між затвором і витоком. Польові транзистори в порівнянні з біполярними мають великі вхідний і вихідний опори і меншу крутість прохідної характеристики. Робота польових транзисторів заснована на русі основних носіїв заряду в напівпровіднику. Керування струмом у вихідному ланцюзі здійснюється керуючою напругою, тому їхні підсилювальні властивості, як і електронних ламп, характеризуються крутістю.
Рис. 1. Будова польового транзистора: а - з р-n-переходом; б- з ізольованим затвором і вбудованим каналом; в - з ізольованим затвором і індукованим каналом. I Польові транзистори в залежності від способу виготовлення й електричних характеристик поділяються на дві групи: транзистори з p-n-переходом і з ізольованим затвором (МОП транзистори). Польовий транзистор з р-п-переходом складається з напівпровідникового стрижня (пластини з кремнію) з омічними виводами від кожного кінця, у якому методом дифузії утворений канал — найтонший шар з дірковою провідністю (рис. 1, а). По краях каналу також методом дифузії утворені більш масивні ділянки з дірковою провідністю. Таким чином, на поверхні каналу з протилежних сторін формується р-n-перехід, розташований паралельно напрямку струму. У відповідності з ГОСТ 15133-69 каналом польового транзистора називають область у напівпровіднику, у якій струм носіїв заряду регулюється зміною її поперечного переріза. Тип каналу (п чи р) залежить від електропровідності напівпровідника. Вивід, через який у канал втікають носії заряду (позитивний для p-каналу і негативний для n-каналу), називають витоком; протилежний вивід, через який з каналу витікають носії заряду, - стоком; третій вивід, до якого прикладається керуюча напруга, - затвором. При підключенні до витоку позитивної, а до стоку негативної напруги в каналі виникає електричний струм, якій створений рухом дірок від джерела до стоку, тобто основними носіями заряду (дірками в області з дірковою провідністю). У цьому полягає істотна відмінність польового транзистора від біполярного, у якого в утворенні колекторного струму беруть участь як електрони, так і дірки. Рух носіїв заряду вздовж електронно-діркового переходу (а не через переходи, як у біполярному транзисторі) є другою характерною рисою польового транзистора. Електричне поле, яке створюється між затвором і каналом, змінює щільність носіїв заряду в каналі, тобто величину струму, що протікає. Так як керування відбувається через зворотно зміщений р-n-перехід, опір між каналом і керуючим електродом (затвором) великий, а струм затвора малий, У польових транзисторах з ізольованим затвором затвор відділений від каналу тонким ізолюючим шаром окису кремнію. При дуже тонкому ізолюючому шарі проникнення поля в канал не ускладнене, при цьому струм затвора значно зменшується і не залежить від полярності прикладеної до затвора напруги (на відміну від польових транзисторів з р-n-переходом).
Рис. 2. Схема включення польового транзистора: а - з СВ; б – з СС; в - з СЗ. Канали польових транзисторів з МОП структурою по фізичних властивостях розділяються на вбудовані (збіднений тип) і індуковані (збагачений тип) (мал. 1, б, в). По вбудованому каналі тече струм під час відсутності напруги на затворі, якщо прикласти напругу між стоком і джерелом. Це так називаний початковий струм стоку. Струмом стоку можна керувати, змінюючи значення і полярність напруги між затвором і витоком. При деякій позитивній напрузі затвор - виток транзистора з р-каналом чи негативній напрузі транзистора з n-каналом струм у ланцюзі стоку припиняється. У польовому транзисторі з індукованим каналом при відсутності напруги на затворі струм між стоком і витоком дуже малий. При подачі на затвор транзистора з р-каналом негативної напруги (позитивної для транзистора з n-каналом) стосовно витоку струм між стоком і джерелом збільшується. Польовий транзистор, як елемент схеми, являє собою активний несиметричний чотириполюсник, у якого один із виводів є загальним для ланцюгів входу і виходу. У залежності від того, який з електродів польового транзистора підключений до спільного виводу, розрізняють схеми: із спільним витоком і входом на затвор (СВ); із спільним стоком і входом на затвор (СС); із загальним затвором і входом на витік (СЗ). Схеми включення польового транзистора показані на рис. 2. За аналогією з ламповою електронікою, де за типову прийнята схема з загальним катодом, для польових транзисторів типовою є схема з загальним витоком. Параметри польових транзисторів зручно визначати в системі провідностей, чи
-параметрів чотириполюсника. Еквівалентна схема польового транзистора, елементи якої виражені через
-параметри, приведена на риc. 3. При такому підключенні кожна з провідностей має фізичний сенс. Вхідна провідність визначається провідністю ділянки затвор-виток
; вихідна провідність - провідністю ділянки сток-виток
; функція передачі - крутістю вольт-амперної характеристики
; функція зворотної передачи - прохідною провідністю
. Ці параметри приймаються за первинні параметри польового транзистора, який використовується як чотириполюсник. Якщо первинні параметри чотириполюсника для схеми зі спільним витоком визначені, то можна розрахувати параметри для будь-якої іншої схеми включення польового транзистора.
Рис. 3. Еквівалентна схема польового транзистора. Позначення типу польових транзисторів складається з декількох елементів. Перший елемент позначає вихідний матеріал, з якого виготовлений прилад: германій або його сполуки - Г; кремній або його сполуки - К; сполуки галію —А. Для транзисторів, які використовуються у пристроях спеціального призначення встановлено наступні позначення вихідного матеріалу: германій або його сполуки — 1; кремній або його сполуки - 2; сполуки галію — 3. Другий елемент - підклас напівпровідникового приладу (буква П). Третій елемент — призначення приладу. Четвертий і п'ятий елемент - порядковий номер розробки і технологічного типу приладу (від 01 до 99). Шостий елемент - розподіл технологічного типу на параметричні групи (букви російського алфавіту від А до Я). Набори дискретних напівпровідникових приладів позначаються відповідно до їхнього різновиду і перед останнім елементом додається буква С. Наприклад: польовий транзистор, призначений для пристроїв широкого застосування, кремнієвий, малої потужності, високочастотний, номер розробки 03, група А — 2П3О3А. Позначення параметрів польових транзисторів встановлене ГОСТ 19095—73. Умовні графічні позначення польових транзисторів в електричних схемах (ГОСТ 2.730—73) показані на рис. 4.
Рис. 4. Умовні графічні позначення польових транзисторів: а – p-n-переходом і р-каналом; б - з p-n-переходом і n-каналом; в - з вбудованим р-каналом збідненого типу; г - з вбудованим n-каналом збідненого типу; д - з індукованим р-каналом збагаченого типу; е - з індукованим n-каналом обогащенвого типу. Схема дослідження, необхідні прилади і деталі Схема для зняття характеристик польового транзистора з затвором у вигляді р-п -переходу показана на рис. 1. Для підбору елементів схеми необхідно знати припустимі значення струмів і напруг досліджуваного транзистора. У табл. 1 приведені основні дані деяких польових транзисторів. Таблиця 1. Основні дані польових транзисторів Тип транзистора Максимальний струм стоку*
, мA Крутість характеристики струму стоку*
, мА/В Напруга відсічення**
, В Струм затвора***
, нА Максимальна напруга між стоком і затвором
, В Максимальна невід’ємна напруга на затворі
, В  КП101Г-КП101Е КП102Е-КПЮ2Л КП103Е-КП103М 2-5 0,55-6,0 0,3-12 0,15-0,3 0,25-1,3 0,4-4,4 5-10 2,8-10 1,5-7 10-50 15 20 -10 -20 -15(-17 не допускається теж -0,5  * При
= -5 В і
=0 для КП101;
=-10 В і
=0 для КП102, КП103. ** При
=1мкА для КП101 та
=10мкА для КП102, КП103. *** При
= +5 В для КП101
= +10 В для КП102, КП103. У схемі є два джерела, що дозволяють змінювати напругу на затворі і стоці польового транзистора. Джерелами е.р.с. Е1 та Е2 можуть бути сухі елементи, акумулятори або джерела живлення постійного струму. Потенціометри R1 та R2, які дозволяють регулювати напруги на затворі і стоці транзистора, мають опір порядку 500 - 1000 Ом. Вимірювальні прилади в ланцюгах затвора і стоку розраховані на вимірювання постійних струмів і напруг. Доцільно застосовувати прилади магнітоелектричної системи. Їх межі вимірів повинні бути зручними для зняття стокових і стоко-затворних характеристик і залежать від величин струмів і напруг у ланцюгах досліджуваного транзистора (уточнюються при випробуванні схеми). II. ВИКОНАННЯ РОБОТИ План роботи Зборка і випробування схеми. Зняття стокових характеристик польового транзистора
при
. Зняття стоко-затвориой характеристики польового транзистора при
при
. Побудова стокових і стоко-затворной характеристик польового транзистора. Визначення параметрів польового транзистора по стоковій характеристиці: а) напруги насичення
; б) струму насичення
; в) вихідного диференціального опору
. Визначення параметрів польового транзистора за стоко-затворною характеристикою: а) крутості характеристики
; б) напруги відсічення
. Зборка і випробування схеми Досліджуваний польовий транзистор, джерела живлення, вимірювальні прилади і потенціометри з'єднують за схемою рис.5. Після перевірки приступають до випробування схеми. Для цього потенціометром R1 установлюють напругу на ділянці затвор-витік приблизно 0,5 В, а потенціометром R2 змінюють напругу між стоком і витоком від 0 до -5(-10В. Спостерігаючи, як змінюється струм стоку, переконуються у можливості зняття стокової характеристики.
Рис. 5. Схема дослідження польового транзистора Можливість зняття стоко-затворної характеристики перевіряють, подаючи на стік напруга -5(-10В. Підтримуючи цю напругу постійною, змінюють напругу між затвором і витоком від 0В до значення напруги, що відповідає напрузі відсічення і стежать, як змінюється струм стоку. Зняття стокових характеристик польового транзистора
при
Перед зняттям характеристик заготовлюють таблицю спостережень (табл. 2). Стокові характеристики польового транзистора знімають для 4-5 значень напруги затвора. Величини напруг затвора залежать від типу досліджуваного транзистора і лежать у межах 0 - 10 В. Напругу стоку змінюють у процесі зняття характеристики через 1-2 В потенціометром R2. Таблиця 2
при
Транзистор типу...
В 
В 
В 
В  
, В 
, мА 
, В 
, мА 
, В 
, мА 
, В 
, мА   Зняття стоко-эатворної характеристики польового транзистора
при
Перед зняттям характеристики заготовлюють таблицю спостережень (табл. 3). Таблиця 3
при
Транзистор типу...
, В          
, мА          Стоко-затворную характеристику знімають для одного значення напруги стоку, наприклад
=-5 В. При цьому змінюють напругу затвора від 0 (при максимальному значенні струму стоку) до напруги відсічення (при якій струм стоку дорівнює нулю) через 0,1—0,2 В. Побудова стокових і стоко-затворних характеристик польового транзистора На підставі табл. 2 і 3 у прямокутній системі координат будують сімейство стокових характеристик і стоко-затворну характеристику. Зразковий вид цих характеристик показаний на рис. 6 і 7.
Рис. 6. Сімейство стокових характеристик польового транзистора Визначення параметрів польового транзистора по стоковій характеристиці На цій характеристиці для напруги затвора
=0 (див. рис. 6) визначають значення напруги насичення і струму насичення
та
. Для визначення вихідного диференціального опору на одній із стокових характеристик будують характеристичний трикутник, з якого находять
, Ом (1)
Рис. 7. Стоко-затворна характеристика польового транзистора Визначення параметрів польового транзистора по стоко-затворній характеристиці На цій характеристиці (рис. 7) визначають значення напруги відсічення . Для визначення крутості характеристики будують характеристичний трикутник, з якого знаходять
, мА/В (2) III. ВКАЗІВКИ ДО ЗВІТУ Звіт повинний містити: точну назву та мету роботи; таблицю основних даних досліджуваного польового транзистора; схему для зняття характеристик транзистора з короткою характеристикою елементів, які входять у неї; таблиці спостережень; стокові характеристики транзистора
при
; стоко-затворну характеристику транзистора
при
; таблицю значень параметрів транзистора, які визначені за характеристиками; короткі висновки про роботу. Контрольні питання 1. Розповісти про пристрій і принцип роботи польового транзистора з затвором у виді р-п-переходу. 2. Накреслите схему включення польового транзистора з указівкою полярності джерел напруги в ланцюзі затвора і стоку. 3. Приведіть умовні позначення і приклади маркування польових транзисторів.; 4. Чим пояснити високо вхідний опір польового транзистора в порівнянні з біполярними транзисторами? 5. Які носії заряду (основні чи не основні) беруть участь у створенні струму стоку? 6. Побудуєте сімейство стокових характеристик польового транзистора і пояснить вплив на струм стоку напруг стоку і затвору. 7. Укажіть на стоковій характеристиці, знятої при нулівій напрузі затвору значення напруги насичення і робочу область характеристики. 8. Побудуйте стоко-затворну характеристику польового транзистора і поясніть принцип керування струмом стоку. 9. Перелічіть основні параметри польового транзистора і способи їх визначення по характеристиках. 10. Порівняєте властивості польового (уніполярного) транзистора з біполярним транзистором і електронною лампою (пентодом). 11. Розкажіть про можливості практичного використання польових транзистора в електронній апаратурі. Література Скаржепа И. А., Луценко А. Н. Электроника и микросхемотехника: Учебник: В 2х ч./ Под общ. ред. А.А. Краснопрошиной. К.: Вища шк. 1989. - Ч.1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учеб. пособие для приборостроит. спец. вузов – 2-е изд., перераб. и доп. М. : Высш. шк., 1991. Захаров В.К., Лыпарь Ю.М. Электронные устройства автоматики и телемеханики.  Л.: Энергоатомиздат, 1984. Р.М. Терещук, К.М. Терещук, С.А. Седов. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. –К.: Наукова думка, 1982. Дыкин А. В., Овечкин Ю. А. Электронные и полупроводниковые приборы. Изд-во «Энергия», М., 1971. Гершунский Б. С. и др. Справочник по основам электронной техники. Изд-во Киевского университета, 1972.