Файл: Методические указания по изучению дисциплины и выполнению контрольных работ Для студентов зф всех специализаций и направлений подготовки.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 16.03.2024
Просмотров: 71
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
1. ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
2.2. Краткие теоретические сведения.
Устройство и принцип действия полевых транзисторов
Полевой транзистор с управляющим p-n переходом.
Полевой транзистор с изолированным затвором.
Рис. 10 Полевой транзистор с изолированным затвором.
Статические вольт-амперные характеристики и параметры
2.2.3 Усилители электрических сигналов.
Основные характеристики усилителей.
Основные параметры усилителей.
Основные режимы работы усилителя.
Влияние обратных связей на работу усилителей.
2.2.3.1 Усилители постоянного тока.
Дрейф нуля и способы его компенсации
Дифференциальный усилительный каскад.
Rо возрастает, и ток стока iс становится меньше.
В полевых транзисторах с изолированным затвором электрод затвора изолирован от полупроводникового канала с помощью слоя диэлектрика или двуокиси кремния SiO2. Электроды стока и истока располагаются по обе стороны затвора и имеют контакт с полупроводниковым каналом. Так как затвор изолирован от канала, то ток утечки пренебрежительно мал даже при повышенных температурах. Иначе такие приборы называют МДП транзисторами (от слов металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП транзисторами (от слов металл-оксид-полупроводник).
Полупроводниковый канал может быть обеднен носителями или обогащен ими. При обедненном канале электрическое поле затвора повышает его проводимость, поэтому канал называется индуцированным. Если канал обогащен носителями зарядов, то он называется встроенным. Электрическое поле затвора в этом случае приводит к обеднению канала носителями зарядов.
Устройство и условное графическое обозначение транзистора с изолированным затвором, встроенным каналом приведено на рисунке 10.
Принцип работы такого транзистора состоит в следующем. Если при нулевом напряжении затвора uз-и приложить напряжение uс-и, то через канал потечет ток представляющий собой поток электронов. Через кристалл ток не пойдет, так как один из p-n переходов находится под обратным напряжением. При подаче на затвор напряжения, отрицательного относительно истока (uз-и< 0), а следовательно, и относительно кристалла, в канале создается поперечное электрическое поле, под влиянием которого электроны проводимости выталкиваются из канала в области стока, истока и в кристалл. Канал обедняется электронами, сопротивление его увеличивается, ток стока уменьшается. Чем больше отрицательное напряжение затвора, тем меньше этот ток. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.
Если же на затвор подать положительное напряжение, то под действием поля, создаваемого этим напряжением, из областей истока и стока, а также из кристалла в канал будут приходить электроны; проводимость канала при этом увеличится и ток стока возрастет. Этот режим называют режимом
обогащения.
Устройство полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом, а также его условное графическое обозначение приведены на рисунке (см.рис 11).
От предыдущего он отличается тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности. При отсутствии этого напряжения канала нет, между истоком и стоком расположен только кристалл р типа и на одном из p-n переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии напряжение между истоком и стоком очень велико, то есть транзистор заперт. В случае подачи на затвор положительного напряжения, то под влиянием поля затвора электроны проводимости будут перемещаться из области истока в область стока и из р области по направлению к затвору. Когда напряжение затвора превысит некоторое отпирающее, или пороговое значение, то в приповерхностном слое концентрация электронов настолько увеличится, что превысит концентрацию дырок, и в этом случае произойдет образование тонкого канала n типа и транзистор начнет проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока.
Рис. 11 Устройство полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом
Для анализа работы полевых транзисторов используют проходные и выходные статические характеристики. Проходная характеристика выражает зависимость тока стока iс (выходного тока) от напряжения затвор-исток uз-и (напряжения на входе) при постоянном напряжении uс-и (напряжении на выходе):
. (16)
В свою очередь выходная статическая характеристика выражает зависимость тока стока iс (выходного тока) от напряжения сток-исток uс-и (напряжении на выходе) при постоянном напряжении uз-и (напряжении на входе):
. (17)
Проходные характеристики полевых транзисторов, имеющих различную конструкцию представлены на рисунке 12. Из анализа характеристики видно, что в полевом транзисторе с управляющим p-n переходом (Рис. 12а) при отсутствии запирающего напряжения на затворе (uз-и=0) площадь поперечного сечения наибольшая. Сопротивление постоянному току минимальное, следовательно, ток стока – максимальный.
В полевых транзисторах с изолированным затвором и встроенным каналом (Рис. 13а) при отсутствии напряжения на затворе (uз-и=0) канал подзаперт и через него протекает начальный ток стока ic нач. Увеличение потенциала на затворе приводит к обогащению канала, повышению его проводимости и, соответственно, к увеличению выходного тока.
Выходной ток в полевых транзисторах с индуцированным каналам (Рис. 12в) появляется только при некотором Uпор, которое обеспечивает образование проводящего канала. Следует отметить, что для всех типов полевых транзисторов увеличение внешнего напряжения uс-и приложенного к каналу приводит к увеличению выходного тока.
Рис. 12 Проходные характеристики полевых транзисторов
Выходные характеристики полевых транзисторов приведены на рис. 13. Все они имеют один и тот же вид, но отличаются напряжениями на затворе и их полярностью.
Проанализируем выходную характеристику на примере полевого транзистора с управляющим p-n переходом. На характеристике можно выделить две области: линейную и насыщения.
Рис. 13 Выходные характеристики полевых транзисторов
В линейной области вольт-амперные характеристики вплоть до точки перегиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе. В области насыщения вольт-амперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет сделать вывод о независимости тока стока от напряжения на стоке. В линейной области полевой транзистор используется как сопротивление, управляемое напряжением на затворе, а в области насыщения – как усилительный элемент.
Рассмотрим линейную область. В линейной области ток стока полевого транзистора определяется уравнением:
(18)
где k – постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транзистора, Uп - пороговое напряжение (или напряжение отсечки).
На начальном участке линейной области (до перегиба) можно при малом значении напряжения на стоке воспользоваться упрощенным выражением, полагая в (18) uси 0:
(19)
Выражение (19) позволяет определить сопротивление канала в линейной области:
(20)
Анализ выражения (20) показывает, что сопротивление канала будет минимальным в случае, если напряжение на затворе uзи будет равно нулю. Если напряжение на затворе будет увеличиваться, то сопротивление соответственно будет тоже расти.
При приближении к точке перегиба характеристик сопротивление канала будет увеличиваться, так как начинает сказываться второй член
в выражении (18). В этом случае можно определить дифференциальную проводимость канала:
, (21)
откуда получаем значение дифференциального сопротивления канала:
. (22)
Зависимость сопротивления канала от напряжения на стоке ucи нарушает линейность сопротивления, однако при малом уровне сигнала этой зависимостью можно пренебречь. Таким образом, основное применение полевых транзисторов в линейной области определяется их способностью изменять сопротивление при изменении напряжения на затворе. Это свойство позволяет использовать транзисторы в качестве замкнутого ключа с весьма малым собственным сопротивлением канала.
В области насыщения ток стока полевого транзистора определяется уравнением:
, (23)
из которого следует его полная независимость от напряжения на стоке. Практически такая зависимость есть, но в большинстве случаев она слабо выражена. Из уравнения (23) можно найти начальный ток стока при условии, что uзи = 0:
. (24)
Выражение (24) показывает, что значение коэффициента k введенного в формуле (18), можно установить экспериментально, измерив, начальный ток стока и пороговое напряжение Uп (или напряжение отсечки), так как:
. (25)
Поскольку полевые транзисторы в области насыщения используются в основном как усилительные приборы, то для оценки их усилительных свойств найдем значение крутизны вольт-амперной характеристики:
. (26)
Из уравнения (26) следует, что максимальное значение крутизна имеет при uзи = 0. С увеличением напряжения на затворе крутизна уменьшается и при uзи=Uп становится равной нулю.
В заключении хотелось бы отметить ряд достоинств, которые позволили полевым транзисторам практически повсеместно вытеснить биполярные транзисторы:
Выводы:
1. Полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом может работать в двух режимах: режиме обеднения и в режиме обогащения.
Полевой транзистор с изолированным затвором.
В полевых транзисторах с изолированным затвором электрод затвора изолирован от полупроводникового канала с помощью слоя диэлектрика или двуокиси кремния SiO2. Электроды стока и истока располагаются по обе стороны затвора и имеют контакт с полупроводниковым каналом. Так как затвор изолирован от канала, то ток утечки пренебрежительно мал даже при повышенных температурах. Иначе такие приборы называют МДП транзисторами (от слов металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП транзисторами (от слов металл-оксид-полупроводник).
Полупроводниковый канал может быть обеднен носителями или обогащен ими. При обедненном канале электрическое поле затвора повышает его проводимость, поэтому канал называется индуцированным. Если канал обогащен носителями зарядов, то он называется встроенным. Электрическое поле затвора в этом случае приводит к обеднению канала носителями зарядов.
Устройство и условное графическое обозначение транзистора с изолированным затвором, встроенным каналом приведено на рисунке 10.
Рис. 10 Полевой транзистор с изолированным затвором.
Принцип работы такого транзистора состоит в следующем. Если при нулевом напряжении затвора uз-и приложить напряжение uс-и, то через канал потечет ток представляющий собой поток электронов. Через кристалл ток не пойдет, так как один из p-n переходов находится под обратным напряжением. При подаче на затвор напряжения, отрицательного относительно истока (uз-и< 0), а следовательно, и относительно кристалла, в канале создается поперечное электрическое поле, под влиянием которого электроны проводимости выталкиваются из канала в области стока, истока и в кристалл. Канал обедняется электронами, сопротивление его увеличивается, ток стока уменьшается. Чем больше отрицательное напряжение затвора, тем меньше этот ток. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.
Если же на затвор подать положительное напряжение, то под действием поля, создаваемого этим напряжением, из областей истока и стока, а также из кристалла в канал будут приходить электроны; проводимость канала при этом увеличится и ток стока возрастет. Этот режим называют режимом
обогащения.
Устройство полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом, а также его условное графическое обозначение приведены на рисунке (см.рис 11).
От предыдущего он отличается тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности. При отсутствии этого напряжения канала нет, между истоком и стоком расположен только кристалл р типа и на одном из p-n переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии напряжение между истоком и стоком очень велико, то есть транзистор заперт. В случае подачи на затвор положительного напряжения, то под влиянием поля затвора электроны проводимости будут перемещаться из области истока в область стока и из р области по направлению к затвору. Когда напряжение затвора превысит некоторое отпирающее, или пороговое значение, то в приповерхностном слое концентрация электронов настолько увеличится, что превысит концентрацию дырок, и в этом случае произойдет образование тонкого канала n типа и транзистор начнет проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока.
Рис. 11 Устройство полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом
Статические вольт-амперные характеристики и параметры
полевых транзисторов.
Для анализа работы полевых транзисторов используют проходные и выходные статические характеристики. Проходная характеристика выражает зависимость тока стока iс (выходного тока) от напряжения затвор-исток uз-и (напряжения на входе) при постоянном напряжении uс-и (напряжении на выходе):
. (16)В свою очередь выходная статическая характеристика выражает зависимость тока стока iс (выходного тока) от напряжения сток-исток uс-и (напряжении на выходе) при постоянном напряжении uз-и (напряжении на входе):
. (17)Проходные характеристики полевых транзисторов, имеющих различную конструкцию представлены на рисунке 12. Из анализа характеристики видно, что в полевом транзисторе с управляющим p-n переходом (Рис. 12а) при отсутствии запирающего напряжения на затворе (uз-и=0) площадь поперечного сечения наибольшая. Сопротивление постоянному току минимальное, следовательно, ток стока – максимальный.
В полевых транзисторах с изолированным затвором и встроенным каналом (Рис. 13а) при отсутствии напряжения на затворе (uз-и=0) канал подзаперт и через него протекает начальный ток стока ic нач. Увеличение потенциала на затворе приводит к обогащению канала, повышению его проводимости и, соответственно, к увеличению выходного тока.
Выходной ток в полевых транзисторах с индуцированным каналам (Рис. 12в) появляется только при некотором Uпор, которое обеспечивает образование проводящего канала. Следует отметить, что для всех типов полевых транзисторов увеличение внешнего напряжения uс-и приложенного к каналу приводит к увеличению выходного тока.
Рис. 12 Проходные характеристики полевых транзисторов
Выходные характеристики полевых транзисторов приведены на рис. 13. Все они имеют один и тот же вид, но отличаются напряжениями на затворе и их полярностью.
Проанализируем выходную характеристику на примере полевого транзистора с управляющим p-n переходом. На характеристике можно выделить две области: линейную и насыщения.
Рис. 13 Выходные характеристики полевых транзисторов
В линейной области вольт-амперные характеристики вплоть до точки перегиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе. В области насыщения вольт-амперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет сделать вывод о независимости тока стока от напряжения на стоке. В линейной области полевой транзистор используется как сопротивление, управляемое напряжением на затворе, а в области насыщения – как усилительный элемент.
Рассмотрим линейную область. В линейной области ток стока полевого транзистора определяется уравнением:
(18)где k – постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транзистора, Uп - пороговое напряжение (или напряжение отсечки).
На начальном участке линейной области (до перегиба) можно при малом значении напряжения на стоке воспользоваться упрощенным выражением, полагая в (18) uси 0:
(19)Выражение (19) позволяет определить сопротивление канала в линейной области:
(20)Анализ выражения (20) показывает, что сопротивление канала будет минимальным в случае, если напряжение на затворе uзи будет равно нулю. Если напряжение на затворе будет увеличиваться, то сопротивление соответственно будет тоже расти.
При приближении к точке перегиба характеристик сопротивление канала будет увеличиваться, так как начинает сказываться второй член
в выражении (18). В этом случае можно определить дифференциальную проводимость канала: , (21)откуда получаем значение дифференциального сопротивления канала:
. (22)Зависимость сопротивления канала от напряжения на стоке ucи нарушает линейность сопротивления, однако при малом уровне сигнала этой зависимостью можно пренебречь. Таким образом, основное применение полевых транзисторов в линейной области определяется их способностью изменять сопротивление при изменении напряжения на затворе. Это свойство позволяет использовать транзисторы в качестве замкнутого ключа с весьма малым собственным сопротивлением канала.
В области насыщения ток стока полевого транзистора определяется уравнением:
, (23)из которого следует его полная независимость от напряжения на стоке. Практически такая зависимость есть, но в большинстве случаев она слабо выражена. Из уравнения (23) можно найти начальный ток стока при условии, что uзи = 0:
. (24)Выражение (24) показывает, что значение коэффициента k введенного в формуле (18), можно установить экспериментально, измерив, начальный ток стока и пороговое напряжение Uп (или напряжение отсечки), так как:
. (25)Поскольку полевые транзисторы в области насыщения используются в основном как усилительные приборы, то для оценки их усилительных свойств найдем значение крутизны вольт-амперной характеристики:
. (26)Из уравнения (26) следует, что максимальное значение крутизна имеет при uзи = 0. С увеличением напряжения на затворе крутизна уменьшается и при uзи=Uп становится равной нулю.
В заключении хотелось бы отметить ряд достоинств, которые позволили полевым транзисторам практически повсеместно вытеснить биполярные транзисторы:
-
высокое входное сопротивление, достигающее значения 1012…1015 Ом, и, соответственно, малый входной ток, достигающий 10-15А; -
более низкий уровень собственных шумов; -
высокая радиационная стойкость; -
хорошая реализация в интегральных микросхемах
Выводы:
1. Полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом может работать в двух режимах: режиме обеднения и в режиме обогащения.
