Программа работы и методические указания по ее выполнению

 

Исследование полевых транзисторов с изолированным затвором включает в себя измерение следующих характеристик:

· выходных характеристик  (стоковых) при постоянных напряжениях на затворе и напряжении на подложке, равном нулю;

· передаточных  (сток-затворных) при постоянных напряжениях на стоке и напряжении на подложке, равном нулю;

· зависимостей тока стока от напряжения на подложке при постоянных напряжениях на затворе  и стоке ;

· зависимости  от напряжения на подложке.

Далее приведена последовательность действий, которые необходимо выполнить при проведении исследований:

1. Ознакомиться с основными теоретическими положениями и подготовить ответы к поставленным вопросам.

2. Выписать из справочных материалов основные параметры исследуемого транзистора.

3. Установив перед началом работы основные органы управления характериографа в исходные положения, собрать схему для проведения исследований полевого транзистора с изолированным затвором, представленную на рис. 7.11. В ней, в связи с тем, что МДП-транзистор является четырёхвыводным прибором, используется дополнительный источник питания. Для сборки схемы необходимо выполнить следующие действия:

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.

3.3. Используя соединительный проводник и дополнительное гнездо на диэлектрическом кожухе макета, подключить подложку П транзистора к гнезду Подложка коммутационного блока.

3.4. Так как передаточные и выходные характеристики снимаются при нулевом потенциале подложки, то для его обеспечения следует при отключённом от внешнего коммутационного блока источнике питания закоротить внешним проводником гнёзда U_ПИ. При этом вывод подложки П полевого транзистора соединяется с общей точкой схемы, имеющей нулевой потенциал.

Рис. 7.11

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.

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 наблюдаемых 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, могут быть изменены с помощью ручки NUMBER OF STEPS. Чтобы задать значения потенциалов затвора, при которых будут измеряться выходные характеристики, прежде всего необходимо установить шаг потенциала затвора равным 2 В. Делается это с помощью с помощью переключателя STEP/OFFSET AMPL на поле STEP GENERATOR. При этом потенциал затвора для каждой из выходных характеристик отличается от потенциалов затвора для двух соседних с ней на 2 В. Кроме этого, необходимо задать абсолютные значения потенциалов. Для этого переключатель VOLTS/DIV на поле HORIZ установить 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 следующие потенциалы затвора: 0, 2, 4, 6, 8 В (соответствует максимальному току стока). После этого следует вернуть переключатель VOLTS/DIV на поле HORIZ в положение V_CE = 1 В.

4.6. Так как проводящий канал в p-канальном МДП-транзисторе образуется при отрицательных потенциалах затвора, необходимо инвертировать полученные в результате выполнения п. 4.5 затворные потенциалы. Для этого следует нажать кнопку 25 (см. рис. 1.5). Теперь на затвор подаётся ступенчато изменяющееся напряжение с напряжениями ступеней 0, −2, −4, −6, −8 В.

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

4.8. Увеличивая стоковое напряжение ручкой VARIABLE COLLECTOR добиться, чтобы протяжённость по горизонтали нижней кривой из семейства стоковых характеристик, соответствующей нулевому затворному потенциалу, составила 10 В (от 0 в до −10 В).

4.9. 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. Снимаются три зависимости – для напряжений затвора −4, −6 и −8 В (остальные потенциалы затвора, более близкие к нулю, могут оказаться ниже порогового). При необходимости, вращая ручку OFFSET на поле STEP GENERATOR, можно добавить ещё одно значение потенциала затвора (−10 В) и, соответственно, ещё одну выходную характеристику.

5. Для проведения измерения зависимости стокового тока от напряжения на подложке  при постоянных напряжениях на затворе (рекомендованные значения −8 или −10 В) и стоке ( ) выполнить следующие действия:

5.1.

Рис. 7.12

Чтобы получить первую точку зависимости  можно воспользоваться полученным при выполнении пп. 4.1–4.8 семейством выходных характеристик на экране характериографа, представленным на рис. 7.12 сплошными линиями. Если взять точку на пересечении нижней выходной характеристики, соответствующей  (ориентировочное значение затворного потенциала для данной кривой; в реальных измерениях может быть другим), с вертикальной прямой координатной сетки, соответствующей , то она будет соответствовать точке на зависимости стокового тока от напряжения на подложке при напряжении на подложке, равном нулю.

5.2. Чтобы получить остальные точки зависимости тока стока от напряжения на подложке при потенциалах подложки, отличных от нуля, необходимо подключить к коммутационному блоку внешний источник напряжения. Убедившись, что он выключен, а органы регулировки его выходного напряжения установлены в положения, соответствующие минимальному выходному напряжению, подключить проводниками выход источника к гнёздам U_ПИ на коммутационном блоке, предварительно удалив соединявший эти гнёзда проводник. В случае p-канального транзистора «плюс» источника подключается к верхнему из двух гнезд для подачи положительного потенциала на подложку.

5.3. Включив источник, установить требуемое значение потенциала подложки, например −2 В. При этом на экране произойдёт смещение семейства выходных характеристик (пунктирные кривые). Точка на пересечении вертикальной прямой  с пунктирной выходной характеристикой для  (нижней) соответствует точке на зависимости  для .

5.4. Изменяя выходное напряжение источника ( ) от −2 до −12 В с шагом 2 В, снять оставшиеся точки зависимости.

6. Передаточные характеристики – зависимости выходного (стокового) тока от входного (затвор – исток) напряжения при фиксированных потенциалах стока – снимаются при напряжении на стоке, равном −5 В и . Для проведения измерений передаточных характеристик необходимо, предварительно установив органы управления характериографа в исходные положения, произвести его калибровку:

6.1. 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).

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

6.3. 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, при отжатом – крайняя левая. Расстояние между точками – шаг по оси напряжения «затвор – исток».

6.4. Чтобы задать изменяющиеся пошагово значения потенциалов затвора, при которых будут измеряться передаточные характеристики, прежде всего необходимо установить шаг потенциала с помощью переключателя STEP/OFFSET AMPL на поле STEP GENERATOR 2 В. Кроме этого необходимо задать абсолютные значения потенциалов. Для этого переключатель VOLTS/DIV на поле HORIZ установить в положение  и 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. После этого нажимают кнопку 25 (см. рис. 1.5). Теперь пяти выходным характеристикам соответствуют следующие потенциалы затвора: 0; −2; −4; −6; −8 В (соответствует максимальному по абсолютному значению току стока). 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 −10 В и в семействе выходных характеристик станет на одну кривую больше. 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 минимальный потенциал затвора (−8 В при пяти точках, −10 В при шести и т. д.), крайней правой – нулевой.

7. Для снятия передаточной характеристики при фиксированном потенциале стока −5 В необходимо отключить от коммутационного блока внешний источник питания и соединить гнёзда U_ПИ проводником. Затем необходимо выполнить следующие действия:

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

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

7.3. Ручкой VARIABLE COLLECTOR увеличивать напряжение на стоке, пока нижняя выходная характеристика, соответствующая минимальному напряжению на затворе (−8 В), не достигнет по горизонтали значения −5 В.

7.4. 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. Соединив эти точки, можно получить искомую передаточную характеристику. Однако только потенциалу затвора −8 В соответствует интересующее нас значение стокового потенциала −5 В. Поэтому в таблицу зависимости тока стока от напряжения «затвор – исток» можно занести значение тока для крайней левой вертикальной прямой U_ЗИ = −8 В.

7.5. 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. Затем отрегулировать протяжённость соответствующей кривой по горизонтали до −5 В (например, второй снизу, соответствующей ) с помощью ручки VARIABLE COLLECTOR и вновь вернуть переключатель VOLTS/DIV на поле HORIZ в положение .

7.6. Произвести измерение тока стока для второй слева вертикальной прямой, соответствующей , и так для всех значений потенциала затвора (и соответствующих им вертикальных прямых), устанавливая для каждого из них протяжённость соответствующей выходной характеристики от 0 до −5 В, как это описано в п. 7.5.

8. Для измерения зависимости порогового напряжения от напряжения на подложке  при потенциале стока  можно воспользоваться полученной в п. 7 на экране передаточной характеристикой:

8.1. Так как пороговому напряжению соответствует момент образования проводящего канала между стоком и истоком и, соответственно, минимальный, стремящийся к нулю стоковый ток, то для проведения измерений достаточно установить горизонтальную протяжённость выходной характеристики при  (верхней на рис. 7.12) до . Это можно сделать с помощью ручки VARIABLE COLLECTOR на поле COLLECTOR SUPPLY, предварительно установив переключатель VOLTS/DIV на поле HORIZ в положение V_CE = 1 В.

8.2. Вновь вернуть переключатель VOLTS/DIV на поле HORIZ в положение  и, экстраполировав кривую (пунктирная линия, изображённая на рис. 7.13), соединяющую вершины вертикальных линий, найти точку её пересечения с линией, соответствующей нулевому току стока – верхней горизонтальной прямой основной координатной сетки на экране. Зная ус

Рис. 7.13

тановленные в пп. 6.1–6.4 потенциалы затвора  можно определить значение порогового напряжения U_ЗИпор.

8.3. Определённое в п. 8.2 пороговое напряжение соответствует нулевому потенциалу подложки. Чтобы определить его при других потенциалах, необходимо подключить к выносному коммутационному блоку источник питания (рис. 7.11). Убедившись, что он выключен, а органы регулировки его выходного напряжения установлены в положения, соответствующие минимальному выходному напряжению, подключить проводниками выход источника к гнёздам U_ПИ на коммутационном блоке, предварительно удалив соединявший эти гнёзда проводник. В случае p-канального транзистора «плюс» источника подключается к верхнему из двух гнезд для подачи положительного потенциала на подложку.

8.4. Включив источник, установить требуемое значение потенциала подложки, например −2 В. Определить пороговое напряжение, как это было сделано в п. 8.2.

8.5. Изменяя выходное напряжение источника ( ) от −2 до −12 В с шагом 2 В, снять оставшиеся точки зависимости.

Содержание отчета

 

1. Основные справочные данные исследуемого транзистора.

2. Схемы измерений в статическом и динамическом режимах с необходимыми пояснениями.

3. Результаты измерений выходных и передаточных характеристик в виде таблиц и соответствующих графиков.

4. Расчетные значения крутизны по затвору  и по подложке   и внутреннего сопротивления . Сопротивление определяется для участков насыщения выходных характеристик.

5. Выводы по работе.

 

Контрольные вопросы

1. Объясните принцип работы полевых транзисторов с изолированным затвором и их назначение.

2. Перечислите разновидности полевых транзисторов с изолированным затвором.

3. Какие физические процессы влияют на характер зависимости тока стока от напряжения на стоке полевого транзистора с индуцированным каналом?

4. Объясните принцип двойного управления током стока в полевом транзисторе.

5. Объясните режимы работы исследуемого транзистора при усилении переменного сигнала.

6. Объясните динамические сток-затворные характеристики.

7. Укажите пути повышения крутизны полевого транзистора с изолированным затвором.

 

Исследование тиристора

Цель работы: исследование физических процессов, определяющих основные характеристики тиристора; ознакомление с методами измерения основных параметров, со способами включения и выключения тиристора.