Студопедия — Лабораторна робота 6
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Лабораторна робота 6






 

ДОСЛІДЖЕННЯ СТАТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК, ДИФЕРЕНЦІАЛЬНИХ І ЧАСОВИХ ПАРАМЕТРІВ ПОЛЬОВИХ ТРАНЗИСТОРІВ

 

Мета роботи: поглиблення та закріплення знань про польові транзистори, надбання навичок експериментального зняття – статичних вихідних та керувальних (стокзатворних) характеристик, побудови лінії навантаження та формування електричних моделей. Визначення диференціальних та часових параметрів МДН - тетрода КП350А.

 

1. Стислі теоретичні відомості

Польові транзистори (ПТ) є уніполярними. Їх робота ґрунтується на використанні тільки одного типу носіїв – основних (електронів або дірок). Процеси інжекції або дифузії в таких приладах практично відсутні (не відіграють принципової ролі). Основним видом руху носіїв є дрейф в електричному полі.

Як і біполярні транзистори та електронні лампи ПТ дозволяють регулювати потужність, що поступає від джерела енергії в навантаження. Це досягається шляхом керування струмом через прилад за рахунок зміни його опору. Для того, щоб керувати струмом в напівпровіднику при сталому електричному полі, потрібно змінювати або питому провідність напівпровідникового шару, або його переріз. Для побудови ПТ використовують ці обидва способи. В основі цих способів лежить ефект поля. Провідний шар, по якому прямує робочий струм, називають каналом. Канали бувають поверхневі та об'ємні.

Транзистори з поверхневим каналом складають групу ПТ з ізольованим затвором та мають структуру: метал–діелектрик–напівпровідник. Їх називають МДН-транзисторами або МОН-транзисторами, якщо в ролі діелектрика під затвором використовують окис (двоокис кремнію).

Транзистор з об'ємним каналом називають польовими транзисторами з керувальним р-n переходом.

Не дивлячись на несхожість в структурі, обидва класи транзисторів мають наступні основні властивості:

– керуюче коло повністю відокремлено від керованого (вихідного кола) і практично не споживає струму, тобто відбувається польове керування, а не керування вхідним струмом. Це зумовлює великий вхідний опір;

– переніс струму здійснюється носіями одного знаку, що виключає генераційно-рекомбінаційні шуми.

У даній лабораторній роботі досліджується ПТ з ізольованим затвором. Виділяють два типи таких приладів: з індукованим каналом та з вбудованим каналом. Транзистор, що досліджується типу КП350А, є ПТ з вбудованим каналом та двома затворами. За аналогією з ламповими вакуумними приладами їх називають МДН-тетродами (чотири електроди).

Розглянемо МДН-транзистор з індукованим каналом n- типу. Якщо в такому приладі затвор (G) з'єднати з витоком (S), тобто коли UGS = 0 – канал відсутній, і на шляху між стоком (D) та витоком опиняються два ввімкнені назустріч p-n переходи (рис.6.1, а). При подачі напруги на стік, струм в його колі буде дуже малим.

При подачі на затвор напруги негативної полярності UGS < 0 приповерхневий шар збагатиться дірками. Струм в робочому колі мало змінюється. Якщо на затвор подавати все більшу напругу зміщення UGS > 0, то основні носії підкладки (дірки) будуть відштовхуватися із приповерхневого шару (збіднений шар розширюється). Одночасно до поверхні притягуються неосновні носії (в даному випадку електрони). Коли зростаючий заряд неосновних носіїв перевищить заряд основних, зміниться тип провідності шару.

Цей ефект називають інверсією типу провідності. Після виникнення каналу струм стоку приймає кінцеве значення та залежить від напруги на затворі. Подальше збільшення напруги на затворі розширює канал і струм стоку збільшується. Це і є робочий режим МДН-транзистора. Оскільки струм у вхідному колі дуже малий, забезпечується значно більше підсилення потужності, ніж при використанні біполярних транзисторів.

 

а б

Рис. 6.1. МДН-транзистор:

а - cтруктура МДН-транзистора з індукованим каналом;

б - стокзатворна (керуюча) характеристика МДН – транзистора

 

Провідні канали, які відсутні в рівноважному стані та які утворюються під дією зовнішньої напруги, називають індукованими (наведеними полем затвору). Напругу на затворі, при якій утворюється канал, називають пороговою напругою (UGST, її значення коливається від 1,5 до 10 В). Польові транзистори з індукованим каналом називають транзисторами збагаченого типу. Стокзатворна характеристика таких приладів зображена на рис. 6.1, б.

Створені та широко застосовуються МДН-транзистори з вбудованим n- або р -каналом, який утворюється в процесі виробництва в приповерхневому шарі структури між областями стоку та витоку рис. 6.2.

 

Рис. 6.2. Структура транзистора з вбудованим каналом р -типу

 

Внаслідок цього в таких приладах канал існує при нульовій напрузі на затворах. Залежно від полярності напруги на затворі канал може або розширятися (режим збагачення), або звужуватися (режим збіднення). Напруга між затвором і витоком, при якій заряди рівноважного інверсного шару відштовхуються від поверхні і вбудований канал зникає, називають напругою відсікання (UGS(off)). Польові транзистори з вбудованим каналом називають транзисторами збідненого типу. Стокзатворні характеристики МДН-транзистора з вбудованим каналом n -типу показані на рис. 6.3.

Поширеним конструктивним варіантом польових транзисторів є МДН-тетрод. Структура такого приладу зображена на рис. 6.4. Канал приладу розділений на дві частини багатолегованою областю, яку називають з'єднувальною. МДН-тетрод можна зобразити у вигляді двох послідовно з'єднаних МДН-транзисторів. Керуючим є перший затвор, металізація якого розташована над каналом, що з'єднує витік та центральну область. Другий затвор називають екранним. Діючи як електростатичний екран, він зменшує значення прохідної ємності приладу (СDS).

 

Рис. 6.3. Характеристика управління МДН-транзистора

з вбудованим n -каналом

 

Рис. 6.4. Структура МДН-тетрода

 

Це розширює діапазон стійкого підсилення каскаду в області високих частот. Крім того, напруга на другому затворі впливає на загальний опір витік-стік, а тому і на положення керувальних характеристик приладу. Сім'ю таких характеристик зображено на рис.6.5. Двозатворні ПТ дозволяють значно спростити конструювання змішувальних схем. МДН-тетроди експери-ментально досліджуються в даній лабораторній роботі.

Найважливішими статичними характеристиками ПТ є: сім'я керувальних (стокзатворних) характеристик ID =ƒ(UGS) при UDS = const та сім'я вихідних (стокових) характеристик ID =ƒ(UDS) при UGS = const. Керувальні (стокзатворні або прохідні) характеристики розглядалися вище і зображені на рис. 6.1. б, 6.3 та 6.5.

 

Рис. 6.5. Керувальні (прохідні) характеристики МДН-тетрода

 

Вихідні характеристики показують, що з ростом UDS струм ID спочатку збільшується доволі швидко. Потім при напрузі насичення UDS.sat = UGS – UGS(off) відбувається зменшення каналу, і транзистор переходить в режим насичення. Це пояснюється тим, що з ростом напруги на стоці збільшується падіння напруги вздовж каналу. Це зумовлює зменшення товщини каналу при наближенні до стоку. Коли напруга стоку перевищує напругу насичення, подальше зростання струму стоку припиняється, що відповідає горизонтальній ділянці вихідної характеристики ПТ, яка називається ділянкою насичення (рис. 6.6).

За статичними характеристиками визначають статичні параметри польових транзисторів: крутість S ( мА/В), внутрішній опір (кОм), коефіцієнт підсилення μ. Крутість характеристики S (провідність прямої передачі) характеризує керуючу дію затвору і визначається відношенням зміни струму стоку до зміни напруги на затворі при короткому замиканні за змінним струмом на виході транзистора в схемі із загальним стоком

 

Внутрішній опір характеризує вплив напруги на струм стоку

Статичний коефіцієнт підсилення μ показує в скільки разів сильніше впливає на струм стоку напруга затвору порівняно з напругою стоку

Таким чином, коефіцієнт підсилення μ= SRί. Поруч з високим коефіцієнтом підсилення та вхідним опором перевагою польових транзисторів є низький рівень власних шумів, стійкість до радіації.

Для розрахунку та аналізу електронних кіл з ПТ, використовують еквівалентні схеми (електричні моделі) таких приладів. Слід підкреслити, що в режимі малих амплітуд, коли робоча ділянка розташована на малому відрізку характеристик транзистора, електронне коло з ПТ можна вважати лінійним. У даному випадку використовують лінійні моделі і лінійні методи аналізу та розрахунку електричних кіл. Польовий транзистор зображено моделлю, яка показана на рис. 6.7.

У цій схемі елементом, якій відображає підсилювальну здатність транзистора, є генератор струму SUGS, ввімкнений паралельно диференціальному опору каналу rί. Опори rD та rS являють собою об'ємні опори напівпровідника на ділянках між кінцями каналу та контактами стоку та витоку відповідно. На низьких частотах впливом rD можна знехтувати порівняно з великими опорами навантаження та rί. Загальний для вхідного та вихідного кіл опір rS є опором внутрішнього зворотного зв'язку ПТ, ввімкнутого за схемою із загальним витоком.

 

Рис. 6.6. Вихідні (стокові) характеристики МДН-транзистора

із вбудованим каналом n-типу

 

Рис. 6.7. Фізична еквівалентна схема ПТ

 

Крім розглянутої моделі, використовують також формальні еквівалентні схеми, наприклад з Y -параметрами (рис. 6.8).

 

Рис. 6.8. Формальна еквівалентна схема ПТ з Y-параметрами

 

Польові транзистори, головним чином з індукованим каналом, широко використовують як ключові елементи. Відомі три види МДН-транзисторних ключів: з резисторним навантаженням, з динамічним (транзисторним) навантаженням та комплементарні ключі. Останні виконані на комплементарних транзисторах, тобто транзисторах з каналами протилежного типу провідності.

Найбільше поширення отримала схема зі спільним витоком (рис. 6.9), в якій керуюча напруга U ВХ = UGS подається на затвор, а вихідна напруга U ВИХ знімається зі стоку. Підкладка зазвичай з'єднується з витоком. На рис. 6.9 зображено ключ з резистивно-ємнісним навантаженням на МДН-транзисторі з індукованим р -каналом, а тому до кола стоку вмикається джерело живлення - ЕD.

Ключ в робочому режимі знаходиться в одному з двох станів (відсікання або насичення). У стані відсікання ключ зачинений, через транзистор тече малий залишковий струм стоку IDSX. На лінії навантаження (рис. 6.10) зачиненому стану ключа відповідає точка А.

 

Рис. 6.9. Схема ключа на МДН-транзисторі

 

Рис. 6.10. Вихідна характеристика та лінія навантаження

ключа на МДН-транзисторі

 

В режимі відсікання на вході діє вхідна напруга, яка менша за порогову ‌ U вх‌ < ‌ U GST‌. Вихідна напруга близька до напруги джерела живлення U вих = - ED + IDSXRD ≈ -ED. У стані насичення ключ відкритий, через транзистор тече повний струм (струм насичення) ID.sat. Такому стану ПТ відповідає робоча точка В, що лежить на початковій ділянці вихідної характеристики ПТ. У цьому режимі вхідна напруга більша за порогову ‌ U вх‌ > ‌ U GST‌, а вихідна (залишкова) U вих= U зал= ED - RDIDsat зменшується внаслідок збільшення падіння напруги на навантаженні. Чим менша вихідна або залишкова напруга U зал в режимі насичення, тим кращі параметри ключа. Слід підкреслити, що принципових обмежень на зменшення значення U зал в МДН-транзисторних ключах немає. Залишкову напругу можна зробити гранично малою, збільшуючи опір RD та напругу затвору. Однак слід враховувати, що збільшення опору RD зумовлює збільшення часу перемикання транзистора із відкритого стану в закритий. Більш детально це розглядається нижче. Якщо питання швидкодії ключа не є визначальним, то залишкову напругу U зал можна значно зменшити. Це одна з важливих переваг МДН-транзисторних ключів перед біполярними, у яких значення залишкової напруги U зал принципово обмежене залишковою напругою UCEsat.

Необхідно звернути увагу на позначення і терміни. У біполярного транзистора залишкова напруга збігається з терміном “напруга насичення” і позначається UCEsat. В полярному транзисторі цим терміном позначається напруга стік-витік, за якої вихідна статична характеристика стає пологою, а струм ID залишається майже постійним при подальшому збільшенні напруги UDS. Це не вдалий термін, він не має відношення до режиму насичення, але широко використовується при аналізі ПТ.

Відкритий МДН-транзистор тим ближче до ідеального замкненого ключа, чим менше U зал. При цьому струм стоку, що протікає через відкритий МДН-транзистор, так само як і в ключі на БТ, практично задається зовнішнім колом (RD та ED) і його називають струмом насичення:

IDsat = (ED – U зал) RD ≈ ED / RD.

Статичний стан відкритого ключа графічно визначається по точці перетину ВАХ навантаження (лінії навантаження) та відповідної вихідної характеристики МДН-транзистора (точка В на рис.6.10).

Значення залишкової напруги на транзисторі необхідно зменшувати, адже в режимі насичення через транзистор протікає значний струм, що зумовлює велике теплове навантаження на транзистор та значні втрати енергії. Залишкова напруга тим менша, чим більша крутість початкової ділянки вихідної характеристики транзистора і більший опір резистора RD. Крутість ВАХ транзистора зростає при збільшенні напруги на затворі. При цьому зменшується опір каналу. Типове значення опору каналу для інтегральних транзисторів – не менше 1 Ом, для потужних – десяті частки ома. Залишкова напруга складає 100 мВ і менше.

При оцінці можливості використання МДН-транзисторів в електронних ключах важливим є їх швидкодія, яка визначається тривалістю вмикання та вимикання, тобто тривалістю перехідних процесів. Такі процеси необхідно враховувати, коли тривалість вхідних інформаційних імпульсів сумірна з тривалістю перехідних процесів. При цьому проявляється інерційність ПТ, яка визначається двома факторами: перезарядом ємності затвора CG та перезарядом міжелектродних ємностей.

Вплив перезаряда ємності затвора враховують за допомогою сталої часу крутості τS, яка відображає інерційність ПТ, зумовлену поступовою зміною керувального електричного поля від витоку до стоку: τS = CGr КАН, де r КАН - опір каналу. Цей параметр визначається тільки властивостями самого ПТ і дає змогу встановити граничну швидкодію ключів при короткому замиканні кола стоку, коли впливом міжелектродних ємностей можна знехтувати.

За наявності опору в колі стоку RD швидкодію МДН-транзисторів зазвичай визначають міжелектродні ємності (рис. 6.9), а впливом τS через малу величину (близько 0,01нс) можна знехтувати. Крім того, на виході ключа завжди існує сумарна паразитна ємність:

C0 = CDS + C + C ПАР,

де C - ємність затвор-витік ПТ наступного ключа; C ПАР - паразитна ємність монтажу.

Розглянемо перехідні процеси в МДН-ключі з резистивно-ємнісним навантаженням. Вони зумовлені інерційністю ПТ при вмиканні, тобто при перемиканні ключа з закритого стану (режиму відсікання) в режим насичення. В початковому стані ключ вимкнутий, транзистор знаходиться в режимі відсікання (U < UGST). Ємність С0 заряджена до напруги джерела живлення, U ­вих ≈ ED.

Після подачі прямокутного імпульсу (вхідного інформаційного сигналу) амплітудою U > UGST (рис. 6.11, а) протягом тривалості затримки формується новий (провідний) стан каналу. Це час затримки ввімкнення td(on). Він визначається інтервалом часу між моментом, коли вхідний імпульс досягає 10% свого усталеного значення, та моментом, коли вихідний імпульс досягне 10% свого усталеного значення. Цей процес в основному визначається перезарядом ємності затвору із сталою часу крутості τS. В загальному випадку td(on) дуже короткочасний процес (десяті … соті частки нс).

Після того, як сформувався проводящий стан каналу, ПТ відкривається і через канал протікає струм у відповідності з амплітудою вхідного сигналу. В нашому випадку на затворі діє напруга U , а тому струм стоку встановлюється на рівні струму стоку I .

На рис.6.10 такий процес зображено стрілкою: робоча точка ключа переходить з точки А в точку А1. Але вихідна напруга UDS через наявність зарядженої ємності Co не може миттєво змінитись. Для розряду цієї ємності необхідний деякий час. Розряджається Сo через відкритий транзистор початковим струмом стоку I . Напруга на конденсаторі, а відтак і на виході ключа спадає до значення U . Робоча точка зміщується в положення А2. На кінцевому етапі процесу вмикання, коли напруга на конденсаторі стане менше U , робоча точка зміщується в положення В. Струм стоку зменшується до рівня струму насичення IDsat, а напруга на виході ключа до рівня U =ED - IDsatRD.

Рис.6.11. Перехідні процеси в ключі на МДН-транзисторі:

а – вхідний сигнал; б – осцилограма струму стоку;

в – осцилограма вихідної напруги

 

Тривалість ввімкнення ключів визначають за інтервалом часу, протягом якого ключ переходить із режиму відсікання (ID ≈ 0) в режим насичення (IDsat). Цей інтервал фіксується між рівнями 10% та 90% усталеного значення струму (див. рис.5.1). Враховуючи особливість осцилограми струму стоку на ділянці А1 – А2 – В (рис. 6.11, б), тривалість наростання струму tr визначимо через тривалість спадання напруги (рис. 6.11, в). Тривалість спадання напруги ПТ визначає інтервал часу, протягом якого напруга на виході ключа спадає від 90% до 10% свого усталеного значення.

Тривалість спадання напруги на виході ключа можна визначити поділивши нагромаджений на ємності Сo заряд EDСo на струм розряду I . Нагадаємо, що тривалість зміни напруги на конденсаторі в межах 0,9…0,1 дорівнює 2,3 τ;. Тривалість спадання напруги на виході:

tr = 2,3EDСo / I .

Повний час увімкнення ключа складає:

ton = td(on) + trtr, оскільки td(on) << tr.

Проаналізуємо перехідні процеси в ключі на МДН-транзисторі з резистивно-ємнісним навантаженням при вимиканні. В початковому стані транзистор відкритий і на ньому падає невелика залишкова напруга U . Після закінчення дії вхідного інформаційного сигналу U < UGST струм транзистора спаде практично до нуля зі сталою часу τS, а відтак на стік подається напруга UDS = ED – I RDED. Тривалість цього процесу td(off) обумовлена сталою часу τS і визначається як затримка вимикання. За цей час канал зникає. Через наявність ємності Co напруга U вих не може миттєво змінитись, тому робоча точка зміщується в точку В1. Напруга на виході залишається на рівні U . Починається заряд ємності Co від джерела живлення ED через резистор RD зі сталою часу τ = RDCo. Вихідна напруга наростає за експоненціальним законом:

UDS(t)= ED (1 - e 1/ ).

Звідси можна визначити тривалість формування заднього фронту вихідного імпульсу:

tf = 2,3 RDCo.

Тривалість вимикання ключа:

toff = td(off) + tftf.

Таким чином розряд ємності Co відбувається через відкритий транзистор значним струмом I , а заряд – через резистор RD (одиниці кілоом), тому toff >> ton. Розрізнювальний час визначається:

t = ton + tofftoff.

Такий висновок має якісний характер, оскільки вище не враховувались нелінійність вихідної ВАХ та значна зміна еквівалентної ємності Co при зміні напруги.

Для побудови ключів розроблені спеціальні ключові ПТ. До переваг ключових МДН-транзисторів порівняно з БТ відносяться: високоомний вхід, що дає можливість використовувати безпосередній (гальванічний) зв’язок між ключами, висока швидкодія (тривалість перемикання 1…0,4 нс), сполучення високої швидкодії з високими напругами та струмами перемикання (до 10 А за 15 нс), малий опір відкритого каналу, можливість паралельного вмикання транзисторів для збільшення потужності перемикання.

Література: [1, с.111-120]; [2, c.30-35]; [3, c.114-123]; [5]; [9]; [14].







Дата добавления: 2015-09-19; просмотров: 1651. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Практические расчеты на срез и смятие При изучении темы обратите внимание на основные расчетные предпосылки и условности расчета...

Функция спроса населения на данный товар Функция спроса населения на данный товар: Qd=7-Р. Функция предложения: Qs= -5+2Р,где...

Аальтернативная стоимость. Кривая производственных возможностей В экономике Буридании есть 100 ед. труда с производительностью 4 м ткани или 2 кг мяса...

Вычисление основной дактилоскопической формулы Вычислением основной дактоформулы обычно занимается следователь. Для этого все десять пальцев разбиваются на пять пар...

Трамадол (Маброн, Плазадол, Трамал, Трамалин) Групповая принадлежность · Наркотический анальгетик со смешанным механизмом действия, агонист опиоидных рецепторов...

Мелоксикам (Мовалис) Групповая принадлежность · Нестероидное противовоспалительное средство, преимущественно селективный обратимый ингибитор циклооксигеназы (ЦОГ-2)...

Менадиона натрия бисульфит (Викасол) Групповая принадлежность •Синтетический аналог витамина K, жирорастворимый, коагулянт...

Виды и жанры театрализованных представлений   Проживание бронируется и оплачивается слушателями самостоятельно...

Что происходит при встрече с близнецовым пламенем   Если встреча с родственной душой может произойти достаточно спокойно – то встреча с близнецовым пламенем всегда подобна вспышке...

Реостаты и резисторы силовой цепи. Реостаты и резисторы силовой цепи. Резисторы и реостаты предназначены для ограничения тока в электрических цепях. В зависимости от назначения различают пусковые...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.013 сек.) русская версия | украинская версия