Принципы радиоизмерений Исследование стабилизированного выпрямителя Исследование усилительных каскадов Расчет трехфазной цепи Исследование нелинейных цепей постоянного тока Исследование электрических фильтров

Лабораторные работы по электронике и электротехнике

Лабораторная работа №7

Исследование истокового повторителя

Цель работы

Изучение основных параметров и характеристик истокового повторителя.

Теоретические сведения

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы представляют собой  полупроводниковые приборы, в которых прохождение тока обусловлено дрейфом основных носителей заряда под действием продольного электрического поля. Управление током в полевых транзисторах осуществляется путем изменения электропроводности токопроводящего участка полупроводника поперечным электрическим полем, поэтому он называется полевым. Благодаря управлению электрическим полем входное сопротивление полевых транзисторов для постоянного тока и низкой частоты переменного тока может быть очень большим: 108-1015 Ом. В биполярном транзисторе управление выходным током осуществляется с помощью входного тока базы и эмиттера, что неизбежно связано со сравнительно малым входным сопротивлением. В ряде случаев это не является недостатком, а скорее преимуществом. Например, при малом входном сопротивлении всякого рода наводки посторонних напряжений оказываются значительно меньшими, чем при высоком входном сопротивлении. Однако иногда крайне важно иметь очень большое входное сопротивление.

Кроме того, в отличие от биполярных транзисторов, в которых существенную роль играют как основные, так и неосновные носители, в полевых транзисторах ток переносится носителями одного знака (основными), поэтому их часто называют униполярными.

Для того чтобы управлять током в полупроводнике с помощью электрического поля, нужно менять либо площадь проводящего полупроводникового слоя, либо его удельную проводимость. В полевых транзисторах используют оба способа и соответственно различают две разновидности: транзистор с управляющим p-n переходом и МДП – транзистор (структура металл-диэлектрик-полупроводник). МДП – транзисторы, в свою очередь, подразделяют на МДП – транзисторы с индуцированным и встроенным каналами.

.Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

Упрощенная структура кристалла полевого транзистора с управляющим p-n переходом, изготовленного на основе полупроводника n-типа, показана на рис.2.1 а.

 


 

 а) б) в)

Рис.2.1  Структура полевых транзисторов:

а) с управляющим p-n переходом;

б) с индуцированным каналом;

в) со встроенным каналом.

Транзистор состоит из области n-типа и двух областей p-типа, образованных на боковых гранях кристалла. Области p-типа соединяются вместе и образуют управляющий электрод, называемый затвором (З).

На границах раздела полупроводников p- и n- типа образуются запирающие слои, обладающие высоким сопротивлением. Объем, заключенный между p-n переходами, называется каналом (К). Если к каналу подсоединить внешний источник постоянного напряжения, в канале создается продольное электрическое поле, под действием которого электроны в канале перемещаются (дрейфуют) в сторону положительного полюса источника напряжения.

Полупроводниковая область, от которой движутся электроны, называют истоком (И), а область, к которой они движутся, называется стоком (С). На затвор относительно истока подается напряжение Uзи, смещающее p-n переходы затвор-канал в обратном направлении. В основе работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом лежит идея изменения площади поперечного сечения проводящего канала. При увеличении Uзи смещающее обратное напряжение на p-n переходах увеличивается, запирающие слои расширяются, уменьшая сечение канала. При этом электропроводимость канала и проходящий через него ток уменьшаются. Таким образом, изменяя напряжение на затворе можно управлять током, проходящим через канал полевого транзистора. При некотором напряжении на затворе может произойти смыкание областей объемного заряда, т.е. канал перекрывается. Напряжение на затворе (при Uси=0), при котором канал перекрывается, называется напряжением отсечки Uзи отс.. Очевидно, что эффективное управление сечением канала происходит в том случае, если запирающий слой p-n перехода расширяется в основном в сторону канала. Это достигается выбором концентрации доноров и акцепторов, таким образом, чтобы выполнялось условие Na>> ND. Т.е. область затвора должна иметь повышенную проводимость по отношению к исходной пластине, а p-n переход резко несимметричен.

При наличии напряжения Uси потенциалы канала у стокового и истокового концов оказываются разными. Напряжения на p-n переходе у истокового конца равно │Uзи│, а у стокового канала │Uзи│+│Uси│, поэтому запирающий слой у стокового конца будет шире, чем у истокового. Увеличение напряжения стока Uси вызовет увеличение тока стока Iс , которая создает падение напряжения вдоль канала, и напряжение p-n перехода у стокового конца может достигнуть Uзи отс., при котором в сечении около стока должно произойти перекрытие канала.

Правые точки канала имеют более положительный потенциал по отношению с левыми, и еще более положительный потенциал по отношению ко всем точкам затвора, находящимся при одинаковом отрицательном потенциале. Вследствие этого проводящий канал сильно сужен в правой части. Если разность потенциалов затвор-сток превышает напряжение отсечки, то канал в правой части на некотором протяжении имеет очень малое сечение. Но абсолютно полного перекрытия канала не будет. В действительности около стока остается узкая токопроводящая перемычка (так называемая «горловина» канала), в которой напряженность электрического поля достигает критического значения, а скорость дрейфа носителей – скорости насыщения,  определяющий постоянную плотность дрейфового тока. При дальнейшем увеличении напряжении стока «горловина» удлиняется и на ней падает все дополнительное напряжение стока, сверх того значения, при котором произошло условное перекрытие канала. Полного перекрытия канала путем увеличения напряжения Uси получить нельзя, поскольку само перекрытие является следствием прохождения тока стока. В результате автоматически устанавливается некоторая малая ширина канала. В итоге происходит не отсечка, а лишь ограничение тока канала, т.е. этот ток становится практически независимым от Uси. Такой процесс называется насыщением, а напряжение и ток соответственно напряжением насыщения Uси нас. и током насыщения Iс нас.. Таким образом, ширина канала, определяющая его сопротивление, и ток стока Iс зависят от напряжения Uзи и Uси. Пусть, например, напряжение отсечки Uзи отс=-5 В. если напряжение Uзи=-1В, то сужение канала в правой части начнется при напряжении Uси=+4 В. Если напряжение сток-исток повысить, то сужение канала продвинется влево.

Входное сопротивление полевого транзистора велико (сотни МОм), поскольку управляющий p-n переход включается в обратном направлении.

МДП-транзисторы Работа МДП-транзисторов основана на изменении удельного сопротивления канала.


Исследование выпрямителя однофазного и трехфазного токов