Лабораторные работы по электронике Исследование полевых транзисторов Исследование биполярных транзисторов Полупроводниковые выпрямители Электронный усилитель на транзисторах Исследование варикапов

Лабораторная работа № 1

Исследование полевых транзисторов

Цель работы: изучение принципов действия, измерение характеристик и определение основных параметров полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и полевого транзистора с изолированным затвором

Краткие сведения из теории

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. Это поле создается напряжением, приложенным к управляющему электроду.

Существуют два типа полевых транзисторов: с управляющим p-n-переходом и изолированным затвором структуры металл – диэлектрик - полупроводник, называемые кратко МДП–транзисторами. Вторым элементом в обозначении полевых транзисторов является буква «П», например, КП103, 2П301. Соединение фаз звездой Обмотки фаз генераторов можно было бы соединить с тремя приемниками электроэнергии шестью проводами (рис. 3.4а) и получить таким путем три независимые фазные цепи. Практически подобное соединение применяется лишь в редких случаях, но помощью такой схемы нагляднее представить условия, возникающие при объединении цепей трехфазную систему

Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом могут быть изготовлены на основе кристалла полупроводника n- или p-типа. Упрощенная структура кристалла полевого транзистора с управляющим p-n-переходом, изготовленного на основе полупроводника n-типа, показана на рис. 1.1.

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

На границах раздела полупроводников n- и p-типа образуются запирающие слои, которые обладают высоким сопротивлением. Область полупроводника n-типа, заключенная между p-n-переходами, называется каналом (К). Если к каналу подключить источник постоянного тока (рис. 1.1), то в канале создается продольное электрическое поле, под действием которого электроны перемещаются в канале в сторону положительного полюса подключенного источника.

Область полупроводника, от которой начинают движение основные носители заряда в канале, называется истоком (И), а область, к которой эти носители движутся, - стоком (С). Движение основных носителей заряда в канале за счет напряжения Uси приложенного к стоку относительно истока обусловливает прохождение тока стока Iс в канале и в цепи стока.

На затвор относительно истока подается напряжение Uзи, смещающее p-n-переходы затвор-канал в обратном направлении. При увеличении напряжения Uзи смещающее обратное напряжение на p-n-переходах увеличивается, запирающие слои расширяются, уменьшая при этом сечение канала. В результате этого электропроводность 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 напряжении ), приводящее к перекрытию канала называется напряжением отсечки и обозначается как Uзи отс.

Очевидно, что эффективное управление сечением канала происходит в том случае, если запирающий слой p-n-перехода располагается в основном в исходном полупроводнике. Это достигается выбором концентраций доноров и акцепторов таким образом, чтобы выполнялось условие Nа >> Nд, где Nа – концентрация акцепторов, а Nд – концентрация доноров. При выполнении этого условия глубину проникновения области объемного заряда в основной полупроводник (при напряжении ) можно определить по формуле

 

где Uк – контактная разность потенциалов; q – заряд электрона.

Поскольку в запирающем слое отсутствуют подвижные носители зарядов, ширина канала, определяющая его площадь сечения и сопротивление, находится из соотношения

  (1.1)

 

где d – расстояние между p-областями (рис. 1.1).

Когда напряжение на затворе (при напряжении ) становится равным Uзи отс, канал перекрывается,   и из уравнения (1.1) следует

   (1.2)

Равенство (1.2) позволяет оценить значение напряжения отсечки. Поскольку контактная разность потенциалов составляет десятые доли вольта, можно считать, что

  (1.3)

Используя равенства (1.1) и (1.3), можно определить ширину канала:

  (1.4)

Уравнение (1.4) связывает wк с Uзи, когда  и . При Uси > 0 в канале проходит ток стока Iс. Если рассмотреть сечение канала на расстоянии х от истока, то можно утверждать, что на участке канала от истока до сечения падает напряжение U(х), пропорциональное сопротивлению данного участка канала и току Iс. В сечении х напряжение на управляющем p-n-переходе складывается из напряжений Uзи и U(х). В этом случае вместо соотношения (1.4) для определения ширины канала следует пользоваться уравнением

  (1.5)

Напряжение U(x) при изменении x от 0 до l (l – длина канала) изменяется от 0 до Uси. Поэтому при Uси > 0 ширина запирающего слоя увеличивается, а сечение канала уменьшается при приближении к стоку (рис. 1.2). Согласно уравнения (1.5), на самом узком участке канала его ширина связана с напряжениями Uзи и Uси соотношением

   (1.6)

Таким образом, ширина канала, определяющая его сопротивление и ток стока Iс, зависит от напряжений Uзи и Uси.

Важнейшим фактором в развитии оптических систем и кабелей связи явилось появление оптического квантового генератора - лазера. Слово лазер составлено из первых букв фразы Light Amplification by Emission of Radiation - усиление света с помощью индуцированного излучения. Лазерные системы работают в оптическом диапазоне волн. Если при передачи по кабелям используются частоты - мегагерцы, а по волноводам - гигагерцы, то для лазерных систем используется видимый и инфракрасный спектр оптического диапазона волн (сотни гигагерц).
Методические указания к выполнению лабораторных работ по электронике