Программа работы и методические указания по ее выполнению

Для полевого транзистора с управляющим p–n-переходом производят измерение передаточных и выходных характеристик с помощью характериографа. Для этого следует:

1. Ознакомиться с основными положениями теории полевых транзисторов.

2. Подготовить ответы на поставленные вопросы.

Рис. 6.4

3. Установив органы управления характериографа в исходные положения, собрать схему (рис. 6.4) для снятия статических выходных характеристик полевого транзистора с управляющим p – n -переходом. В ней, в отличие от схемы для исследования биполярного транзистора, управляемого током (базы или эмиттера), используется генератор ступенчатого напряжения (ГСН), задающий фиксированные значения потенциала затвора: 

3.1. Соединить проводниками гнёзда C, B и E коммутационной панели левого набора гнёзд с гнёздами C, B и E, предназначенными для подачи напряжений на полупроводниковые приборы.

3.2. Установить исследуемый полевой транзистор на внешний коммутационный блок используя гнёзда на поле Полевой транзистор.

4. Произвести измерения статических выходных вольт-амперных характеристик:

4.1. Нажать кнопку INV на поле COLLECTOR SUPPLY для подачи отрицательных потенциалов на сток исследуемого полевого транзистора с каналом p-типа (в качестве объекта исследования предлагается полевой транзистор КП103 с каналом p-типа; в случае исследования n-канального транзистора кнопка отжата). Включить характериограф.

4.2. Ручками POSITION на полях VERTICAL и HORIZ совместить точку на экране характериографа с правым верхним углом основной координатной сетки. При этом точка соответствует нулевым значениям стоковых токов и напряжений. Влево от неё по горизонтали располагаются отрицательные значения стокового потенциала, вниз по вертикали – отрицательные значения стокового тока.

4.3. Установить цену деления по горизонтальной оси стоковых напряжений с помощью переключателя VOLS/DIV на поле HORIZ V_CE = 1 В.

4.4. Установить цену деления по вертикальной оси стоковых токов с помощью переключателя CURRENT/DIV на поле VERTICAL I_C = 1 мА.

4.5. Напряжение на затворе при характериографическом исследовании ПТ изменяется дискретно, пошагово, а количество дискретных значений потенциалов затвора соответствует количеству выходных характеристик. Предполагается, что выходных характеристик пять, для чего ручка NUMBER OF STEPS на поле STEP GENERATOR устанавливается в крайнее положение против часовой стрелки. При необходимости количество характеристик и, соответственно, количество затворных потенциалов, может быть изменено с помощью ручки NUMBER OF STEPS. Чтобы задать значения потенциалов затвора, при которых будут измеряться выходные характеристики, прежде всего необходимо установить шаг потенциала затвора с помощью переключателя STEP/OFFSET AMPL на поле STEP GENERATOR V = 0,5 В. При этом потенциал затвора для каждой из выходных характеристик отличается от потенциалов затвора для двух соседних с ней на 0,5 В. Кроме этого, необходимо задать абсолютные значения потенциалов. Для этого, отжав кнопку 25 на поле STEP GENERATOR, установить переключатель VOLTS/DIV на поле HORIZ в положение  и совместить крайнюю левую на экране точку, которая должна соответствовать нулевому потенциалу затвора, ручкой OFFSET на поле STEP GENERATOR с правым верхним углом основной координатной сетки. Теперь пяти выходным характеристикам соответствуют потенциалы затвора 0 (соответствует максимальному по модулю току стока), 0,5; 1; 1,5; 2 В (соответствует минимальному по модулю току стока; при необходимости можно установить шаг потенциала затвора 0,2 В). После этого следует вернуть переключатель VOLTS/DIV на поле HORIZ в положение V_CE = 1 В.

4.6. Установить переключатель MAX PEAK VOLTS на поле COLLECTOR SUPPLY в положение 20 В.

4.7.

Рис. 6.5

Увеличивая стоковое напряжение ручкой VARIABLE COLLECTOR, добиться, чтобы протяжённость по горизонтали нижней кривой из семейства стоковых характеристик, соответствующей нулевому затворному потенциалу, составила 5 В (от 0 В до −5 В), как это показано на рис. 6.5 для p-канального транзистора.

4.8. Произвести измерения семейства выходных характеристик, занося результаты измерений в таблицу зависимости стокового тока I_C  от напряжения «сток-исток» U_СИ. Наиболее подробно снять области с наибольшей кривизной характеристик. Достаточно измерить 6–8 точек на кривую.

5. Передаточные характеристики – зависимости выходного (стокового) тока от входного (затвор – исток) напряжения при фиксированных потенциалах стока – снимаются в виде семейства из двух зависимостей при напряжении на стоке, равном напряжению насыщения, и при −5 В (для p-канального транзистора). Поэтому сначала определяют напряжение насыщения, построив выходную характеристику для нулевого потенциала затвора. После этого проводят касательные к начальному участку кривой и к участку насыщения. Для построения касательных предпочтительно брать две первые и две последние точки кривой. Проекция точки пересечения касательных на горизонтальную ось напряжений даёт значение напряжения насыщения. Для проведения измерений передаточных характеристик необходимо:

5.1.  Установить ручку VARIABLE COLLECTOR в положение 0 %.

5.2.  Нажать кнопку INV на поле COLLECTOR SUPPLY для подачи отрицательных потенциалов на сток полевого транзистора с каналом p-типа (для n-канального транзистора кнопка отжата).

5.3.  Установить переключатель CURRENT/DIV на поле VERTICAL в положение I_C = 1 мА.

5.4.  Установить переключатель VOLTS/DIV на поле HORIZ в положение . При этом на экране наблюдается ряд горизонтальных точек, каждая из которых соответствует фиксированному значению потенциала затвора. При нажатом переключателе INV на поле VERTICAL нулевому потенциалу соответствует крайняя правая точка (на экране не видна), при отжатом – крайняя левая. Расстояние между точками – шаг по оси напряжения «затвор – исток». Величина шага определяется положением переключателя STEP/OFFSET AMPL на поле STEP GENERATOR (сегмент V). Установить шаг равным шагу, использованному в п. 4.5, например 0,5 В.

5.5.  Чтобы задать изменяющиеся пошагово значения потенциалов затвора, при которых будут измеряться передаточные характеристики, необходимо не только установить шаг потенциала с помощью переключателя STEP/OFFSET AMPL на поле STEP GENERATOR , но и задать абсолютные значения потенциалов. Для этого, установив переключатель VOLTS/DIV на поле HORIZ в положение , при отжатом переключателе INV на поле VERTICAL совместить левую крайнюю на экране точку, которая должна соответствовать нулевому потенциалу затвора, ручкой OFFSET на поле STEP GENERATOR с правым верхним углом основной координатной сетки. Теперь пяти выходным характеристикам соответствуют следующие потенциалы затвора: 0 (соответствует максимальному по модулю току стока), 0,5; 1; 1,5; 2 В. При необходимости можно увеличить число значений затворных потенциалов, вращая ручку NUMBER OF STEPS на поле STEP GENERATOR по часовой стрелке. Например, если при этом добавляется одна точка, это означает, что приведённый выше ряд потенциалов затвора дополнился напряжением 2,5 В. Теперь, зная абсолютные значения потенциалов затвора, соответствующие точкам на экране, можно перемещать их для удобства измерений с помощью ручки POSITION на поле HORIZ. При этом крайней левой точке соответствует потенциал затвора, равный нулю, крайней правой +2 В.

6. Для снятия передаточной характеристики при фиксированном потенциале затвора, например при −5 В, необходимо, предварительно установив органы управления характериографа в исходные положения:

6.1. Установить переключатель VOLTS/DIV на поле HORIZ в положение V_CE = 1 В.

6.2. Переместить точку на экране с помощью ручек POSITION на поле HORIZ и VERTICAL в правый верхний угол координатной сетки на экране.

6.3. Увеличивать напряжение на стоке ПТ до тех пор, пока нижняя выходная характеристика, соответствующая нулевому напряжению на затворе, не достигнет по горизонтали значения −5 В (рис. 6.5).

6.4. Установить переключатель VOLTS/DIV на поле HORIZ в положение . При этом на экране представлена зависимость тока стока от стокового напряжения при дискретно изменяющемся потенциале затвора в виде вертикальных линий. Нижняя точка каждой из линий (для отрицательных токов, как в данном случае) соответствует значению тока стока для максимального напряжения, приложенного к стоку при известном потенциале затвора (рис. 6.6). Соединив эти точки, можно получить искомую передаточную  характеристику.  Однако,  как  видно  из  рис. 6.5, только потенциалу затвора, равному нулю, соответствует интересующее нас значение стокового потенциала −5 В (нижняя кривая на рис. 6.5). Поэтому в таблицу зависимости тока стока от напряжения «затвор – исток» можно занести значение тока для крайней левой вертикальной прямой (V_ЗИ = 0 В).

6.5.

Рис. 6.7

Чтобы произвести измерения тока стока для любого другого потенциала затвора, необходимо, чтобы соответствующая ему выходная характеристика простиралась по горизонтали до −5 В. Чтобы этого добиться, нужно установить переключатель VOLTS/DIV на поле HORIZ в положение V_CE = 1 В и отрегулировать протяжённость соответствующей кривой по горизонтали до −5 В (например, второй снизу, соответствующей V_ЗИ = 0,5 В) с помощью ручки VARIABLE COLLECTOR (рис. 6.7).

6.6. Произвести измерение тока стока для второй слева вертикальной прямой, соответствующей V_ЗИ = 0,5 В. Повторить измерения для других  потенциалов затвора, устанавливая для каждого из них протяжённость соответствующей выходной характеристики от 0 до −5 В (см. п.6.5).

6.7. Повторить измерения (пп. 6.1–6.5) при потенциале стока, равном потенциалу насыщения , отображённом на рис. 6.2.

7. Построить графики снятых зависимостей.

8. На основе начального участка зависимости  определить проводимость . Используя измерения при двух значениях , определить диффузионный потенциал   и напряжение отсечки канала . Считать  ( = 0 В).

9. Определить физико-топологические параметры кремниевого полевого транзистора  на основе результатов предыдущего пункта. При этом считать: n_i = 10^–3 см^–3, T = 300 K, f_T = 3∙10⁶ Гц, ε = 11,9, μ = 10³ см²/(В∙с), = 10¹⁹ см^–3.

Содержание отчета

1. Схема для исследования вольт-амперных характеристик полевого транзистора.

2. Таблицы проведенных измерений.

3. Графики стоковых и передаточных характеристик.

4. Рассчитанные по формулам (6.1)–(6.9) физико-топологические параметры транзистора .

5. Выводы по проделанной работе.

Контрольные вопросы

1. Объясните принцип действия полевого транзистора с p – n-переходом в качестве затвора.

2. Назовите основные отличия полевых транзисторов от биполярных.

3. Укажите, какие допущения положены в основу модели Шокли.

4. Изобразите и поясните выходные и передаточные вольт-амперные характеристики.

5. Назовите основные дифференциальные параметры полевого транзистора и объясните их связь с физико-топологическими параметрами.

6. Какое соотношение должно выполняться между длиной затвора L и высотой канала ?

7. Чем объясняется наклон стоковой экспериментальной вольт-амперной характеристики в области насыщении?

8. Как изменится напряжение отсечки  при увеличении концентрации в канале  в два раза? Что при этом нужно изменить, чтобы оно осталось прежним?

9. На какие параметры транзистора влияет длина затвора L?