Характеристики полевого транзистора: Полевые транзисторы. For dummies / Хабр

Исследование полевого транзистора | Лаборатория Электронных Средств Обучения (ЛЭСО) СибГУТИ

Лабораторная работа выполняется с помощью учебного лабораторного стенда LESO3.

• Исследование передаточной характеристики полевого транзистора.
• Исследование выходных характеристик ПТ.
• Исследование усилителя на полевом транзисторе в схеме с общим истоком.

1 Цель работы

С помощью учебного лабораторного стенда LESO3 ознакомиться с принципом действия полевого транзистора (ПТ). Изучить его характеристики. Изучить простейший усилитель на ПТ

2. Задание к работе

2.1 Исследовать передаточную характеристику полевого транзистора

Для исследования следует выбирать транзистор с начальным током стока I_c0 не более 10 мА, напряжение отсечки не должно превышать 10 В.

2.1.1 Собрать схему исследования выходных характеристик ПТ. На рисунке 1 приведена схема исследования. В дальнейшей работе предполагается, что исследуется полевой транзистор с затвором на основе p-n перехода и каналом n-типа. При исследовании транзистора с каналом p типа следует изменить полярности источников напряжения и знак предела шкалы графопостроителя.

Рисунок 1 – Схема исследования передаточной характеристик ПТ Рисунок 2 – Вид собранной на стенде схемы

2.1.2 Экспериментальным путем определить напряжение отсечки U_з0 и начальный ток стока I_c0. Для этого следует установить с помощью источника E1 напряжение на затворе 0 В и напряжение на стоке 10 В. Напряжение на стоке устанавливается регулятором E2. Напряжение на затворе контролируется вольтметром V1, напряжение на стоке вольтметром V2. По миллиамперметру mA1 определить начальный ток стока I_c0.

Плавно увеличивая отрицательное напряжение на затворе с помощью регулятора E1 добиться падения тока стока (контролируется по mA1) до ~10 мкА. При необходимости можно переключить шунт амперметра для измерения микротоков, для этого следует нажать кнопку .

Показание вольтметра V1, при котором ток стока уменьшится до ~10 мкА, будет соответствовать напряжению отсечки.

2.1.3 Построение передаточной характеристики I_c = f(U_зи). Установить по вертикальной оси графопостроителя mA1, по горизонтальной V1. По вертикальной оси установить диапазон: нижняя граница 0, верхняя +10мА; по горизонтальной оси левый предел следует выбрать исходя из напряжение отсечки, рекомендуется округлить U_з0 в большую сторону; правый предел 1В. Изменяя напряжение на затворе с помощью регулятора E1 в диапазоне от U_з0 до 0,5 В получить график передаточной характеристики полевого транзистора.

2.1.4 Сохранить результат.
Образец характеристики показан на рисунке ниже:

Рисунок 3 – Передаточная характеристика ПТ. Образец.

2.2 Исследовать выходные характеристики ПТ

2.2.1 Собрать схему исследования выходных характеристик аналогичную предыдущей схеме (см. рисунок 1).

2.2.2 Установить диапазон регулирования источника E1 U_з0..+1 В, источника E2 0..+10 В. По вертикальной оси графопостроителя выбрать миллиамперметр mA1, диапазон: нижняя граница 0, верхняя +10 мА, по горизонтальной оси графопостроителя выбрать V2, диапазон: левая граница 0, правая граница +10 В. Пределы вертикальной шкалы можно скорректировать после измерения характеристик.

2.2.3 Снять семейство выходных характеристик полевого транзистора I_с = f(U_СИ) в пологой области для различных фиксированных напряжений затвора U_зи. Рекомендуется выбрать: U_зи1 = 0, U_зи2 =  0,2•U_з0 и U_з3 = 0,4•U_з0, U_зи4 = 0,6•U_зи, U_зи5 =  0,8•U_зи, U_зи6 = U_зи, U_зи7 = -0,2•U_зи и U_зи8 = -0,4•U_зи. Последние две характеристики допустимо снимать, только если U_зи< 0,5 В. Выходная характеристика получается путем регулирования E2 от 0 до 10 В.

2.2.4 Сохранить результат. Пример выходных характеристик полевого транзистора показан на рисунке ниже:

Рисунок 4 – Выходные характеристики ПТ. Образец

2.2.5 Исследовать выходные характеристики полевого транзистора в крутой области. Здесь транзистор ведет себя как сопротивление, управляемое напряжением U_зи.

Не очищая результат предыдущего исследования изменить масштаб графика таким образом, что бы выходные характеристики были представлены в крутой области. При необходимости повторить измерение для тех же значений Uзи, что и в предыдущем пункте, но более точно выставить диапазон регулирования E2, например, от 0 В до 1 В.

2.2.6 Сохранить результат исследования. Пример выходных характеристик в крутой области показан на рисунке ниже:

Рисунок 5 – Семейство выходных характеристик ПТ в крутой области. Образец

2.2.5 Для каждой характеристики определить сопротивление канала.

2.3 Исследовать усилитель на полевом транзисторе в схеме с общим истоком

2.3.1 Собрать схему, показанную на рисунке 6. В этой схеме генератор E2 задает напряжение питание, переменная компонента его должна быть уменьшена до нуля. Генератор E1 задает входной сигнал и постоянное напряжение для формирования рабочей точки схемы.

Рисунок 6 – Схема исследования усилителя на полевом транзисторе Рисунок 7 – Вид собранной на стенде схемы

2.3.2 Перевести графопостроитель в режим временных характеристик.

2.3.3 Установить диапазон регулирования E2 от U_з0 до 1 В. Выбрать по вертикальной оси верхнего экрана графопостроителя V1, здесь будет отображаться входной сигнал. Выбрать по вертикальной оси нижнего экрана графопостроителя V2, здесь будет отображаться выходной сигнал, диапазон следует установить 0. .+10 В.

2.3.4 Задать рабочий режим. Для этого установить напряжение источника питания усилителя E2 = 10 В. Переменную компоненту генератора E1 установить в ноль. Вращая ручку регулятора постоянной компоненты источника E1 установить напряжение на стоке транзистора равным половине напряжения питания, напряжение контролируется по вольтметру V2.

2.3.5 Регулируя амплитуду источник E1 подобрать такие параметры синусоидального входного сигнала, что бы на выходе был неискаженный синусоидальный сигнал с максимально возможной амплитудой. При этом следует следить, чтобы входной сигнал не превышал напряжение 0,5 В. Скорректировать масштаб верхнего графика. Затем можно сохранить полученные графики.

Рисунок 8 – Осциллограмма входного и выходного сигнала усилителя на ПТ. Образец

2.3.6 Изменяя постоянную составляющую входного сигнала, анализируя искажения синусоиды по осциллограмме выходного сигнала установить режим работы транзистора вблизи отсечки и вблизи насыщения. Установить рабочую точку транзистора посередине рабочего участка подать на вход усилителя такой сигнал, что бы были видны ограничения сигнала на выходе снизу и сверху. Для каждого случая сохранить полученные графики.

Рисунок 9 – Осциллограмма входного и выходного сигнала при искажениях «сверху». Образец Рисунок 10 – Осциллограмма входного и выходного сигнала при искажениях «снизу». Образец Рисунок 10 – Осциллограмма входного и выходного сигнала при искажениях. Образец

3 Содержание отчета

1. Схемы исследования.
2. Передаточная характеристика полевого транзистора.
3. По передаточной характеристике определить крутизну S для различных напряжений U_зи.
4. Семейство выходных характеристик. Каждая характеристика должна быть подписана.
5. На выходных характеристиках выделить крутую и пологую области.
6. Семейство выходных характеристик ПТ в крутой области. Для каждой характеристики определить сопротивление канала.
7. Построить график зависимости сопротивления канала в пологой области от напряжения на затворе Uзи.
8. Результаты исследования усилителя.
9. По осциллограммам усилителя определить коэффициент усиления усилителя по напряжению.

Полевые транзисторы

История создания и реализации полевых транзисторов

Первый полевой транзистор был изобретен Юлий Эдгаром Лилиенфельдом – австро-венгерским ученым-физиком, посвятившим большую часть жизни изучению транзисторного эффекта. Случилось это в 1928 году, однако первая технология изготовления транзисторов не позволяла физически реализовать этот радиоэлемент в промышленности. Первый работающий полевой транзистор с изолированным затвором, согласно трудам Лилиенфельда, произвели в США лишь в 1960 году. За 7 лет до этого была предложена другая технология изготовления полевого транзистора на базе управляющего p-n перехода (МОП транзистор). На основе трудов Вальтера Шоттки в 1966 году американский инженер Карвер Андресс Мид предложил новый тип транзисторов с использованием барьера Шоттки. В 1977 году было установлено, что применение полевых транзисторов в вычислительной технике значительно повышает расчетные мощности электронных устройств, что положило начало разработок компьютерных процессоров и логических микросхем на основе полевого транзистора. Более корректным названием полевого транзистора является униполярный транзистор (управляемый одним электрическим полем), однако в народе это название не прижилось.

Физические основы работы полевого транзистора

Полевым (униполярным) транзистором называют электронное устройство, в основе которого лежит принцип использования зарядов только одного знака, т.е. электронов или дырок. Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала под действием электрического поля, а не потенциала напряжения, что является основным отличием полевого транзистора от биполярного. По способу создания канала различают полевые транзисторы с p-n переходом, встроенным каналом и индуцированным каналом. Транзисторы с встроенным и индуцированным каналом так же относятся к разновидности МДП транзисторов.

Устройство полевого транзистораа – с p-n переходом; б – с изолированным затвором и встроенным каналом; в – с изолированным затвором и индуцированным каналом.

Работа полевых транзисторов основана на движении основных носителей в полупроводнике.

Полевой транзистор с p-n переходом.

Данный транзистор состоит из основного канала полупроводника n-типа, изготовленного из пластины кремния с омическими выводами с каждого конца. Канал образован методом диффузии (введением легированного материала) и образует тончайший слой с дырочной проводимостью. Канал заключен между двумя электродами p-типа, соединенными между собой. Таким образом, n-канал образует два p-n перехода, расположенных параллельно направлению тока. Вывод, через который поступают носителя заряда, называют истоком (И), а электрод, откуда заряд вытекает – стоком (С). Оба p-слоя электрически связаны между собой и имеют внешний электрод, называемый затвором (З). Существуют два типа канала. Положительный заряд протекает через канал с p проводимостью, а отрицательный заряд проходит через канал с n проводимостью. На рисунке ниже представлен полевой канал с отрицательной проводимостью, управляемый полем положительной полярности. В данном случае через канал от истока к стоку передвигаются электроны. Подобную конструкцию имеют и полевые транзисторы с каналом p типа.

Управляющее или входное напряжение (Uзи) подается между затвором и истоком. Это напряжение для обоих p-n переходов является обратным. В выходную цепь, в которую так же входит канал транзистора, подключается напряжение Uси положительным полюсом к стоку.

Способность управления транзистором объясняется тем фактором, что при изменении напряжения Uзи будет изменяться ширина p-n переходов, которые представляют собой участки в полупроводнике, которые обеднены носителями заряда. Так как p-слой c меньшим сопротивлением имеет большую концентрацию примесей по сравнению с n-слоем, то управление изменением ширина канала происходит за счет более высокоомного n-слоя. При этом изменяется сечение, и проводимость токопроводящего канала (Ic – ток стока) от истока к стоку.

Особенность работы полевого транзистора заключается во влиянии напряжения Uзи и Uси на проводимость канала. Влияние подводимых напряжений отображает рисунок ниже.

На рисунке:

А) напряжение прикладывается только к входной управляющей цепи. Изменение Uзи управляет сечением канала по всей ширине, однако, выходной ток Ic=0 из-за отсутствия напряжения Uси.

Б) Присутствует только напряжение канала, управляющее напряжение отсутствует и начинает протекать ток Ic. Создается падение напряжения на стоковом электроде, в результате пропускная способность канала сужается и при некотором значении границы p-n переходов смыкаются. Повышается внутреннее сопротивление канала и ток Ic далее не способен проходить.

В) В этом варианте на рисунке показано суммарное значение напряжений, когда канал напряжения Uси заперт малым управляющим напряжением Uзи. При подаче этого напряжения происходит расширение n области и начинает протекать ток Ic.

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП и МОП)

В этих транзисторах затворный электрод отделен от канала тонким изолирующим слоем из окиси кремния. Отсюда другое название этих транзисторов – МОП-транзисторы (структура металл – окисел — полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов. Проникновения управляющего поля в канал не затруднено, но ток затвора сильно уменьшается и не зависит от полярности приложенного напряжения к затвору. МДП-транзисторы (структура металл – диэлектрик — полупроводник) выполняют из кремния. Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.

Каналы полевых МДП транзисторов могут быть обедненного (б — встроенный канал) и обогащенного типа (в — индуцированный канал), (см. рисунок устройства полевого транзистора).

— По встроенному каналу течет ток Iс при отсутствии напряжения Uзи. Его значением можно управлять в сторону уменьшения, подав положительное напряжение Uзи, если транзистор с p-каналом и отрицательное напряжение, если транзистор с n-каналом. Другими словами – закрыть транзистор управляющим обратным напряжением.

— В индуцированном канале, если отсутствует напряжение Uзи ток между стоком и истоком очень мал. При подаче управляющего напряжения ток Iси увеличивается.

Итак, управляющее напряжение при его подаче на затвор транзистора с встроенным каналом – закрывает транзистор, в индукционном канале — открывает транзистор.

Вольт — амперная и сток — затворная характеристики полевого транзистора

ВАХ полевого транзистора определяет его выходные (стоковые) характеристики, а так же содержит информацию о его свойствах в различных режимах работы. Кроме того ВАХ отображает связь параметров между собой. По графику можно определить некоторые параметры, не документированные в описании к транзистору, произвести расчеты уровня напряжения цепей смещения (Uзи), стабилизацию режима, а так же дать оценку работы полевого транзистора в широком диапазоне токов и напряжений.

На рисунке слева показан пример стоковой характеристики полевого транзистора с p-n переходом и каналом p-типа при различных фиксированных управляющих напряжениях Uзи. Графики отображают зависимость тока стока (Ic) от напряжения сток – исток (Uси). На каждой из этих кривых присутствуют 3 характерные области:

1. Сильная зависимость тока Ic от напряжения Uси (участок до штрих — пунктирной линии). Эта часть определяет период насыщения канала до напряжения Uси нас, при котором транзистор переходит в закрытое (открытое) состояние. Чем выше управляющее напряжение смещения Uзи, тем раньше закроется (откроется) полевой транзистор.

2. Слабая зависимость тока Ic, когда канал насыщается до своего максимального значения и переходит в постоянно закрытое (открытое) состояние.

3. В момент, когда напряжение Uси превышает предельно допустимое для полевого транзистора, наступает необратимый электрический пробой p-n перехода. Полевой транзистор при этом выходит из строя.

Сток-затворная характеристика показывает зависимость Ic от напряжения между затвором и истоком.

Напряжение на затворе, при котором ток стока стремится к нулю, является очень важной характеристикой полевого транзистора. Оно соответствует напряжению запирания прибора по цепи затвора и называется напряжением запирания или напряжением отсечки.

Условные графические изображения полевых транзисторов в электрических схемах выглядят следующим образом.

Где полевой транзистор:

а – с p-n переходом и p-каналом;

б — с p-n переходом и n-каналом;

в – со встроенным p-каналом обедненного типа;

г – со встроенным n-каналом обедненного типа;

д – с индуцированным p-каналом обогащенного типа;

е – с индуцированным n-каналом обогащенного типа;

ж – p-типа (в) и выводом от подложки;

з – p-типа (д) и выводом от подложки

Европейское обозначение контактов: gate – затвор, drain – сток, source – исток, tab – подложка (зачастую в неизолированных транзисторах является стоком).

Основные технические характеристики полевого транзистора

Современные полевые транзисторы характеризуются основными характеристиками, температурными характеристиками и электрическими характеристиками при температуре до +25 градусов на подложке (истоке). Кроме того, существуют статические и динамические характеристики полевых транзисторов, определяющие максимальные показатели при их применении в частотных сигналах. На частотные характеристики следует обращать особое внимание при использовании транзисторов в генераторах, модуляторах, импульсных блоках питания, современных цифровых усилителях класса D и выше. Частотные свойства определяются постоянной времени RC-цепи затвора, определяющей скорость запирания / отпирания канала. У полевых транзисторов с изолированным затвором (МОП и МДП) входная емкость значительно меньше полевых транзисторов с p-n переходом, что дает возможность применять их в высокочастотной аппаратуре.

К основным характеристикам полевых транзисторов относятся:

Vds (Vdss) или Uси max – определяет максимально допустимое значение напряжения между истоком и стоком;

Id или Ic – максимально допустимый ток стока, проходящий через открытый канал транзистора;

Rdc(on) – сопротивление канала между затвором и истоком (обычно указывается совместно с управляющим напряжением Uзи или Vgs).

Iз ут или Igss – ток утечки затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой.

Pd или Pmax – максимальная рассеиваемая мощность транзистора при температуре, как правило, +25 градусов.

Тепловые параметры полевого транзистора определяют устойчивость его характеристик при работе в диапазоне температур, так как при изменении температуры свойства полупроводниковых материалов изменяются. От температуры сильно зависит значение Ic , крутизны и тока утечки затвора.

Tj или Тmax – температура разрушения кристалла подложки, соответствующая максимально допустимой рабочей температуре

Tstg или Тmin – минимальная отрицательная температура, при которой соблюдаются основные паспортные параметры транзистора

Отличительной особенностью работы полевых транзисторов в сравнении с биполярными является очень низкий коэффициент шума или Кш. Данный коэффициент мало влияет от напряжений сток – исток, тока стока, а так же температуры работы транзистора (до +50 градусов).

Рекомендации по применению полевых транзисторов

1. Не рекомендуется снижать температуру полевых транзисторов во время их работы ниже -5 градусов, а так же выходи за пределы рабочей температуры +60 +70 градусов (в народе — температура удержания пальца).
2. Во время эксплуатации необходимо выбирать рабочие напряжения и токи, которые не будут превышать 70% от максимально допустимых параметров по паспорту (даташиту).
3. Нельзя использовать транзисторы в максимальных режимах по двум параметрам одновременно.
4. Не допускать работу транзистора с отключенным затвором.
5. На затвор полевых транзисторов с p-n переходом нельзя подавать напряжение, смещающее переход в прямом направлении. Для p-канальных это будет отрицательное напряжение, для n-канальных – положительное.
6. Хранение полевых МОП и МДП транзисторов желательно производить с закороченными выводами. Маломощные транзисторы частотные транзисторы этой структуры выходят из строя от статического напряжения.
7. Проверить исправность полевого транзистора электронным тестером можно по аналогии с этим видео http://www.youtube.com/watch?v=jQ6l6C8LMSw

10.2: Измерение основных транспортных свойств устройств на полевых транзисторах

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

55937

• Паван М. В. Раджа и Эндрю Р. Бэррон
• Университет Райса через OpenStax CNX

Полевые транзисторы

Пожалуй, самое важное изобретение современности. Транзистор был изобретен в 1947 году в Bell Labs Джоном Бардином, Уильямом Шокли и Уолтером Браттейном. Результат усилий по замене неэффективных и громоздких вакуумных ламп в функциях регулирования тока и переключения. Дальнейшие достижения в технологии транзисторов привели к созданию полевых транзисторов (FET), основы современной электроники. Полевые транзисторы работают, используя электрическое поле для управления потоком носителей заряда вдоль канала, аналогично водяному клапану для управления потоком воды в вашей кухонной раковине. Полевой транзистор состоит из трех выводов: истока (S), стока (D) и затвора (G). Область между истоком и стоком называется каналом. Проводимость в канале зависит от наличия носителей заряда, контролируемых напряжением на затворе. На рисунке показана типичная схема, а на рисунке \(\PageIndex{1}\) соответствующее поперечное сечение полевого транзистора с помеченными клеммами истока, стока и затвора. Полевые транзисторы бывают разных видов в зависимости от их легирования каналов (что приводит к режимам улучшения и истощения) и типов затворов, как показано на рисунке \(\PageIndex{2}\). Двумя типами полевых транзисторов являются полевые транзисторы с переходом (JFET) и полевые транзисторы на основе оксидов металлов и полупроводников (MOSFET).

Рисунок \(\PageIndex{1}\) Символ n-канального полевого МОП-транзистора с улучшенным режимом. 3}\) Генеалогическое древо полевых транзисторов. Адаптировано из P. Horowitz and W. Hill, in Art of Electronics , Cambridge University Press, New York, 2nd Edn., 1994. переход для управления потоком носителей заряда. PN-переход образуется при сведении противоположных схем легирования по обеим сторонам канала. Схемы легирования могут быть либо n-типа (электроны), либо p-типа (дырки) путем легирования бором/галлием или фосфором/мышьяком соответственно. N-канальные JFET состоят из p-n-p-переходов, в которых исток и сток имеют n-легирование, а затвор — p-легирование. На рисунке \(\PageIndex{4}\) показано поперечное сечение n-канального полевого транзистора в состоянии «ВКЛ», полученное при подаче положительного напряжения сток-исток при отсутствии напряжения затвор-исток. В качестве альтернативы p-канальный JFET состоит из npn-переходов, где исток и сток легированы p-типом, а затвор — легирован n-типом. Для p-канала при отсутствии напряжения на затворе подается отрицательное напряжение сток-исток, чтобы включить npn-устройство, как показано на рисунке \(\PageIndex{5}\). Поскольку полевые транзисторы JFET находятся во включенном состоянии, когда напряжение затвор-исток не подается, их называют устройствами с режимом истощения. Это означает, что для выключения устройства требуется область истощения. Здесь в игру вступает PN-переход. PN-переход работает, позволяя сформировать обедненную область, где электроны и дырки объединяются, оставляя после себя положительные и отрицательные ионы, которые препятствуют дальнейшему переносу заряда, а также истощают доступность носителей заряда на границе раздела. Эта обедненная область проталкивается дальше в канал за счет приложения напряжения затвор-исток. Если напряжение достаточное, область истощения по обеим сторонам канала «перекроет» поток через канал, и устройство будет «ВЫКЛЮЧЕНО». Это напряжение называется напряжением отсечки, В _Р . N-канальный V _P получается за счет увеличения напряжения затвор-исток в отрицательном направлении, а p-канальный V _P получается за счет увеличения напряжения затвор-исток в положительном направлении.

Рисунок \(\PageIndex{4}\) Сечение n-канального полевого транзистора в состоянии «ВКЛ». Рисунок \(\PageIndex{5}\) Сечение p-канального полевого транзистора в состоянии «ВКЛ. » состояние.

Основы МОП-транзистора

Полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника (МОП-транзистор) использует оксидный слой (обычно SiO2) для изоляции затвора от истока и стока. Тонкий слой оксида предотвращает протекание тока к затвору, но позволяет прикладывать к каналу электрическое поле, которое регулирует поток носителей заряда через канал. Состояние OFF при нулевом напряжении затвор-исток, VGS.

Для полевых МОП-транзисторов в режиме истощения устройство находится в состоянии «ВКЛ», когда VGS равен нулю в результате структуры устройства и схемы легирования. Полевой МОП-транзистор с n-канальным режимом обеднения состоит из выводов истока и стока, сильно легированных n, поверх подложки, легированной p. Под изолирующим оксидным слоем находится тонкий слой кремния n-типа, который позволяет носителям заряда течь в отсутствие напряжения на затворе. Когда на затвор подается отрицательное напряжение, внутри канала образуется обедненная область, как показано на рисунке. Если напряжение на затворе достаточно, обедненная область перекрывает поток электронов.

Рисунок \(\PageIndex{6}\) Поперечное сечение n-канального полевого МОП-транзистора с режимом истощения при приложении отрицательного напряжения затвора с образованием обедненного слоя.

Для полевых МОП-транзисторов с расширенным режимом состояние ВКЛ достигается приложением напряжения затвора в направлении напряжения стока; положительное напряжение для n-канальных полевых МОП-транзисторов и отрицательное напряжение для p-канальных полевых МОП-транзисторов. Термин «улучшение» происходит от увеличения проводимости, наблюдаемого при подаче напряжения на затвор. Это увеличение проводимости обеспечивается за счет инверсионного слоя, создаваемого приложенным к затвору электрическим полем, как показано на рисунке \(\PageIndex{7}\) для полевых МОП-транзисторов с n-канальным режимом улучшения и на рисунке \(\PageIndex{8}\) для полевых МОП-транзисторов с p-канальным режимом расширения соответственно.

Рисунок \(\PageIndex{7}\) Изображение индуцированного инверсионного слоя с носителями заряда n-типа в n-канальном режиме улучшения MOSFET.Рисунок \(\PageIndex{8}\) Изображение индуцированного инверсионного слоя с носителями заряда p-типа в полевом МОП-транзисторе с режимом улучшения p-канала.

Толщина этого инверсионного слоя регулируется величиной напряжения затвора. Минимальное напряжение, необходимое для формирования инверсионного слоя, называется пороговым напряжением затвор-исток, V _T . В случае n-канальных полевых МОП-транзисторов состояние «ВКЛ» достигается, когда V _GS > V _T и приложено положительное напряжение сток-исток, V _DS . Если значение V _GS слишком низкое, дальнейшее увеличение V _DS приводит только к увеличению области истощения вокруг стока. Полевые МОП-транзисторы с p-канальным режимом работают аналогично, за исключением того, что напряжения меняются местами. В частности, состояние «ВКЛ» возникает, когда V _GS < V _T и приложено отрицательное напряжение сток-исток.

Измерение основных параметров полевого транзистора

Как в академических, так и в промышленных условиях характеризация полевых транзисторов полезна для определения характеристик устройства. Определение качества и типа полевого транзистора можно легко решить путем измерения транспортных характеристик в различных экспериментальных условиях с использованием системы определения характеристик полупроводников (SCS). Путем анализа ВАХ с помощью так называемых разверток напряжения можно определить следующие ключевые параметры устройства:

Напряжение отсечки В

_p

Напряжение, необходимое для выключения JFET. При проектировании цепей важно определить напряжение отсечки, чтобы избежать утечки тока, которая может резко снизить производительность.

Пороговое напряжение В

_T

Напряжение, необходимое для включения МОП-транзистора. Это критический параметр для эффективной схемы.

Сопротивление канала R

_DS

Сопротивление между стоком и истоком в канале. Это влияет на величину тока, передаваемого между двумя терминалами.

Рассеиваемая мощность P

_D

Рассеиваемая мощность определяет количество тепла, выделяемого транзистором. Это становится реальной проблемой, так как транспортные свойства ухудшаются при нагреве канала.

Эффективная подвижность носителей заряда µ

_n

Подвижность носителей заряда определяет, насколько быстро носители заряда могут перемещаться по каналу. В большинстве случаев более высокая мобильность приводит к лучшей производительности устройства. Подвижность также можно использовать для измерения концентрации примесей, дефектов, температуры и носителей заряда.

Коэффициент усиления крутизны g

_m (адмиттанс передачи)

gm является мерой усиления или усиления тока при заданном изменении напряжения на затворе. Это критично для электроники усилительного типа.

Необходимое оборудование

ПК с программным обеспечением Keithley Interactive Test Environment (KITE).

Система определения характеристик полупроводников (Keithley 4200-SCS или аналогичный).

Зондовая станция.

Наконечники зондов.

Защитные перчатки.

Характеристики измерения (V-I)

Система определения характеристик полупроводников — это автоматизированная система, обеспечивающая определение характеристик полупроводниковых устройств и испытательных структур как (V-I), так и (V-C). Усовершенствованный цифровой анализатор параметров развертки обеспечивает точность и скорость субмикронной характеристики. В этой системе используется программное обеспечение Keithley Interactive Test Environment (KITE), разработанное специально для характеризации полупроводников.

Процедура

1. Подсоедините наконечники датчиков к станции датчиков. Затем подключите банановые штекеры от станции датчика к разъему BNC, убедившись, что они не соединены с землей.
2. Выберите подходящие соединения для теста из таблицы \(\PageIndex{1}\)
3. Поместите образец транзистора на станцию ​​зонда, но не позволяйте кончикам зонда касаться образца, чтобы предотвратить возможное поражение электрическим током (при включении питания SMU может кратковременно выдавать высокое напряжение).
4. Включите питание, расположенное в правом нижнем углу передней панели. Последовательность включения питания может занять до 2 минут.
5. Запустите программное обеспечение KITE. На рисунке \(\PageIndex{9}\) показано окно интерфейса.
6. Выберите соответствующую настройку в раскрывающемся списке «Дерево проекта» (вверху слева).
7. Сопоставьте клеммные соединения на вкладке «Определение» с физическими соединениями наконечников датчиков. Если соединение еще не согласовано, вы можете назначить/переназначить клеммные соединения, используя клавишу со стрелкой рядом с полем выбора прибора, в котором отображается список возможных соединений. Выберите соединение в поле выбора прибора, которое соответствует физическому соединению терминала устройства.
8. Установите параметры Force Measure для каждого терминала. Заполните необходимые параметры функции, такие как запуск, остановка, размер шага, диапазон и соответствие. Для типичных разверток напряжения вам потребуется форсировать напряжение между стоком и истоком при измерении тока на стоке. Не забудьте провести несколько разверток напряжения при различных принудительных напряжениях затвора, чтобы помочь в анализе.
9. Отметьте поле тока/напряжения, если вы хотите, чтобы ток/напряжение записывались на листе данных вкладки «Лист» и были доступны для построения на вкладке «График».
10. Теперь установите контакт с образцом с помощью наконечников зонда
11. Запустите настройку измерения, щелкнув зеленую стрелку «Выполнить» на панели инструментов, расположенной над вкладкой «Определение».
    Убедитесь, что индикатор измерения в правом нижнем углу передней панели горит.
12. Сохраните данные, щелкнув вкладку «Лист», а затем выбрав вкладку «Сохранить как». Выберите формат файла и местоположение.

Таблица \(\PageIndex{1}\) Выбор подключения.

Соединение	Описание
СМУ1	Средняя мощность с малошумящим предусилителем
СМУ2	Источник средней мощности без предусилителя
СМУ3	Высокая мощность
Земля	Для больших токов

Рисунок \(\PageIndex{9}\) Окно интерфейса Keithley Interactive Test Environment (KITE).

Анализ измерений

Типовые вольт-амперные характеристики JFET

Развертка напряжения — отличный способ узнать об устройстве. На рисунке \(\PageIndex{10}\) показан типичный график развертки напряжения сток-исток при различных напряжениях затвор-исток при измерении тока стока ID для n-канального JFET. Характеристики VI имеют четыре различных области. Анализ этих областей может предоставить критическую информацию о характеристиках устройства, таких как напряжение отсечки, VP, усиление транскондуктивности, gm, сопротивление канала сток-исток, RDS и рассеиваемая мощность, PD.

Рисунок взят из Electronic Tutorials (www.electronic-tutorials.ws).

Омическая область (линейная область)

Эта область ограничена VDS < VP. Здесь JFET начинает течь ток стока с линейной реакцией на напряжение, ведя себя как переменный резистор. В этой области сопротивление канала сток-исток, RDS, моделируется \ref{1}, где ΔVDS — изменение напряжения сток-исток, ΔID — изменение тока стока, а gm — усиление крутизны. Решение для gm приводит к \ref{2}.

\[ R_{DS}\ =\ \\frac{\Delta V_{DS}}{\Delta I_{D}}\ =\ \frac{1}{g_{m}} \label{1} \]

\[ g_m\ =\ \frac{\Delta I_{D}}{\Delta V_{DS}}\ =\ \\frac{1}{R_{DS}} \label{2} \]

Насыщенность Область

Это область, в которой JFET полностью включен. Максимальное количество тока протекает для данного напряжения затвор-исток. В этой области ток стока можно смоделировать с помощью \ref{3}, где ID — ток стока, IDSS — максимальный ток, VGS — напряжение затвор-исток, а VP — напряжение отсечки. Нахождение напряжения отсечки дает \ref{4}.

\[ I_{D}\ =\ I_{DSS}(1\ -\ \frac{V_{GS}}{V_{P}}) \label{3} \]

\[ V_{P} \ =\ 1\ -\ \frac{V_{GS}}{\sqrt{\frac{I_D}{I_{DSS}}}} \label{4} \]

Область пробоя

Эта область характеризуется резкое увеличение тока. Подаваемое напряжение сток-исток превышает предел сопротивления полупроводникового канала, что приводит к пробою транзистора и протеканию неконтролируемого тока.

Область отсечки (область отсечки)

В этой области напряжения затвор-исток достаточно для ограничения потока через канал, фактически отключая ток стока. Рассеиваемая мощность, PD, может быть решена с использованием закона Ома (I = V/R) для любого региона с помощью \ref{5}. 9{2}/R_{DS} \label{5} \]

V-I характеристики p-канального полевого транзистора ведут себя аналогично, за исключением того, что напряжения меняются местами. В частности, точка отсечки достигается, когда напряжение затвор-исток увеличивается в положительном направлении, а область насыщения достигается, когда напряжение сток-исток увеличивается в отрицательном направлении.

Типовые ВАХ полевых МОП-транзисторов

На рисунке \(\PageIndex{11}\) показан типичный график развертки напряжения сток-исток при различных напряжениях затвор-исток при измерении тока стока, I _D для идеального n-канального полевого МОП-транзистора. Как и JFET, V-I характеристики MOSFET имеют отдельные области, которые предоставляют ценную информацию о транспортных свойствах устройства.

Рисунок взят из Electronic Tutorials (www.electronic-tutorials.ws).

Омическая область (линейная область)

Улучшенный n-канальный МОП-транзистор ведет себя линейно, действуя как переменный резистор, когда напряжение затвор-исток больше порогового напряжения, а напряжение сток-исток больше, чем напряжение затвор-исток . В этой области ток стока можно смоделировать с помощью \ref{6}, где ID — ток стока, VGS — напряжение затвор-исток, VT — пороговое напряжение, VDS — напряжение сток-исток, а k — геометрическое коэффициент, описываемый \ref{7}, где µ 9{2} \label{8} \]

Нахождение порогового напряжения VT дает \ref{9}.

\[ V_{T}\ =\ V_{GS}\ -\ \sqrt{\frac{I_{D}}{k}} \label{9} \]

Область отсечки (область отсечки)

Когда напряжение затвор-исток, VGS, ниже порогового напряжения VT, носители заряда в канале недоступны, «перекрывая» поток заряда. Рассеиваемая мощность для полевых МОП-транзисторов также может быть решена с помощью уравнения 6 в любой области, как и в случае JFET.

FET V-I Резюме

Типичные ВАХ для всего семейства полевых транзисторов, показанные на рисунке \(\PageIndex{11}\), представлены на рисунке \(\PageIndex{12}\).

Рисунок \(\PageIndex{12}\) График ВАХ для различных типов полевых транзисторов. Адаптировано из P. Horowitz and W. Hill, in Art of Electronics, Cambridge University Press, New York, 2 ^nd Edn., 1994.

Из рисунка \(\PageIndex{12}\) мы можем видеть, как схемы легирования, приводящие к усилению и обеднению, смещаются вдоль оси ВГС. Кроме того, по графику можно определить состояние ВКЛ или ВЫКЛ для заданного напряжения затвор-исток, где (+) — положительное значение, (0) — ноль, а (-) — отрицательное значение, как показано в таблице \(\PageIndex {1}\).

Таблица \(\PageIndex{1}\): Состояние ВКЛ/ВЫКЛ для различных полевых транзисторов при заданном напряжении затвор-исток, где (-) — отрицательное напряжение, а (+) — положительное напряжение.

Тип полевого транзистора	В ГС = (-)	В ГС = 0	В ГС = (+)
n-канальный JFET	ВЫКЛ	ПО	ПО
p-канальный JFET	НА	ПО	ВЫКЛ
n-канальный МОП-транзистор с обеднением	ВЫКЛ	ПО	НА
МОП-транзистор с истощением p-канала	НА	ПО	ВЫКЛ
n-канальный улучшенный МОП-транзистор	ВЫКЛ	ВЫКЛ	НА
Полевой МОП-транзистор с p-каналом	НА	ПО	ВЫКЛ

---

Эта страница под названием 10. 2: Измерение ключевых транспортных свойств устройств на полевых транзисторах распространяется под лицензией CC BY 4.0, автором, ремиксом и/или куратором являются Паван М. В. Раджа и Эндрю Р. Бэррон (OpenStax CNX) посредством исходного контента, который был отредактировано в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   Паван М. В. Раджа и Эндрю Р. Бэррон

   Лицензия

   СС BY

   Версия лицензии

   4,0

   Показать страницу TOC

   № на стр.

2. Теги

   1. Полевые транзисторы
   2. источник@http://cnx.org/contents/[email protected]

Определение, символ, конструкция, характеристики [Примечания GATE]

Test Series

Автор: Mohit Unyal|Обновлено: 30 сентября 2022 г. Ток проводимости осуществляется одним типом носителей, либо электронами, либо дырками. Только большинство носителей заряда отвечает за протекание тока. Следовательно, JFET является однонаправленным.

В этой статье вы получите обзор того, что такое полевой транзистор (FET), его краткое описание и его тип, JFET. Вы узнаете подробное описание конструкции JFET, его типов N-типа и P-типа, его режимов работы, его характеристику VI, его применения, а также некоторые относительные преимущества и недостатки.

Загрузить формулы для электроники и средств связи GATE — система управления

Содержание

• 1. Что такое полевой транзистор?
• 2. Что такое JFET?
• 3. Конструкция JFET
• 4. Работа JFET
• 5. Характеристики JFET
• 6. Применение JFET

Прочитать статью полностью

Что такое полевой транзистор?

Полевой транзистор (FET) — это транзистор, который использует электрическое поле для управления протеканием тока. Это устройства с тремя выводами: исток, затвор и сток. Поток тока можно контролировать, подавая напряжение на затвор, что изменяет проводимость между стоком и истоком.

Они также известны как униполярные транзисторы, так как они работают с одним носителем, что означает, что они используют в качестве носителей заряда либо электроны, либо дырки, но не оба одновременно. Существует два типа полевых транзисторов: один представляет собой полевой транзистор с переходом (JFET), а другой представляет собой полевой транзистор «металл-оксид-полупроводник» (MOSFET) или полевой транзистор с изолированным затвором (IGFET).

Загрузить формулы для электроники и средств связи GATE — цифровые схемы

Что такое JFET?

JFET представляет собой однонаправленную электрическую цепь. JFET — это, по сути, устройство, управляемое напряжением. Полевой транзистор с переходом представляет собой трехконтактную схему с выходным током, регулируемым подачей напряжения на один из выводов.

Полная форма JFET

Полная форма JFET — транзистор с полевым эффектом. JFET также называют транзистором.

Символ JFET

Символ JFET показан на изображении ниже:

Конструкция JFET

В N-канальном JFET корпус P-типа, а подложка N-типа; он легирован донорными примесями, что означает, что ток через канал отрицателен в виде электронов; с другой стороны, в P-канальном JFET корпус N-типа, а используемая подложка p-типа, она легирована акцепторными примесями, что означает, что ток через канал положительный в виде отверстий.

Загрузить формулы для GATE Electronics & Communication Engineering — Electronic Devices

Работа полевого транзистора JFET

Когда на исток и затвор не подается напряжение, канал представляет собой открытый путь для прохождения через него носителей. Когда применяется обратное смещение, канал сужается за счет увеличения обедненного слоя и помещает JFET в область отсечки или отсечки.

Когда на затвор подается нулевое напряжение, а между стоком и истоком подается небольшое напряжение, максимальный ток насыщения (IDSS) будет протекать через канал и ограничиваться небольшой областью обеднения вокруг переходов.

Когда на вентиль подается небольшое отрицательное напряжение, размер области истощения увеличивается, уменьшая общую эффективную площадь канала, и поэтому ток, протекающий через канал, уменьшается. При подаче обратного напряжения смещения происходит увеличение ширины области обеднения, за счет чего уменьшается ток проводимости через канал.

Когда PN-переход смещен в обратном направлении, в соединение затвора протекает небольшой ток. Когда напряжение на затворе становится более отрицательным, ширина канала уменьшается до тех пор, пока через него не перестанет течь ток, и говорят, что полевой транзистор «защемлен». Напряжение, при котором канал почти закрывается, называется «напряжением отсечки».

Характеристики JFET

Кривая VI полевых транзисторов P-типа и N-типа Junction показана ниже:

Напряжение VGS представляет собой напряжение между затвором и истоком, а напряжение VDS представляет собой напряжение между стоком и истоком.

JFET имеет различные этапы работы в зависимости от входного напряжения, и характеристики JFET в различных регионах поясняются ниже. Он работает в областях омического сопротивления, насыщения, отсечки и пробоя.

• Омическая область: Если напряжение на затворе и истоке равно нулю, то область истощения канала мала, и в этой области он действует как резистор, управляемый напряжением.
• Область отсечения : Это область отсечения. JFET входит в эту область, когда напряжение на затворе отрицательное; затем канал закрывается; следовательно, через канал не протекает ток.
• Насыщение или активная область: В этой области канал действует как хороший проводник, который контролируется напряжением затвора.
• Область пробоя: Если напряжение сток-исток очень велико, то канал полевого транзистора выходит из строя, и через устройство проходит неконтролируемый максимальный ток.

Применение JFET

JFET имеет высокий импеданс. Это устройства с низким энергопотреблением, они меньше по размеру, имеют больший ток затвора и низкие модуляционные искажения, поэтому с учетом этих преимуществ JFET можно использовать во многих областях. Некоторые приложения JFET приведены ниже:-

• JFET используется в качестве переключателя, усилителя JFET и буфера.
• JFET используется в качестве прерывателя.
• JFET используется в колебательных цепях из-за его низкой частоты, применяется в каскадных усилителях в усилителях ВЧ.
• Используется в цифровых схемах из-за их небольшого размера.
• Используется в коммуникационном оборудовании из-за низкого уровня модуляционных искажений.
• Используются в качестве управляемых напряжением резисторов в операционных усилителях.

Часто задаваемые вопросы о JFET

• Что такое JFET?

  JFET или полевой транзистор Junction представляет собой устройство с 3 выводами, в котором напряжение подается на 1 вывод для управления выходным током. Это устройства с тремя клеммами: исток, затвор и сток. За протекание тока отвечает только большинство носителей заряда, поэтому JFET являются однонаправленными.

• Каков принцип работы JFET?

  Когда к истоку и затвору не приложено напряжение, канал представляет собой гладкий путь для прохождения электронов, JFET находится в омической области, когда напряжение затвора отрицательное, он находится в области отсечки, а когда напряжение затвора превышает пороговое напряжение, оно находится в области насыщения, когда напряжение на затворе очень высокое, JFET выходит из строя.

• Какие существуют два основных типа полевых транзисторов?

  В основном существует два типа полевых транзисторов: полевой транзистор с соединением (JFET) и полевой транзистор «металл-оксид-полупроводник» (MOSFET). Принципы работы очень похожи. Основное различие заключается в том, какой элемент используется для изготовления этих транзисторов.

• Каковы характеристики переходных полевых транзисторов?

  Характеристики JFET, для которых он в основном используется, — это быстрое переключение, а для работы на низких частотах исток и сток могут быть заменены местами. В JFET напряжение затвора управляет током. У них есть один основной носитель, который отвечает за ток проводимости. JFET имеют небольшие размеры и высокое входное сопротивление.

• Что такое полная форма JFET?

  Полная форма JFET представляет собой полевой транзистор Junction. Это тип полевого транзистора.

ESE & GATE EC

Electronic & Comm.gategate Eceseese Ecother Series

ИСТОЧНИКА

Следуйте за США для последних обновлений

. Следуйте за США для последних обновлений

.