Лабораторные работы по электротехнике и электронике

 
Лабораторные работы по электротехнике
Электрические цепи постоянного тока
ТРЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ
СОЕДИНЕНИЕ НАГРУЗКИ ТРЕУГОЛЬНИКОМ
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ КАТУШКИ
ИССЛЕДОВАНИЕ УТРОИТЕЛЯ ЧАСТОТЫ
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ
ЧАСТИЧНЫЕ ЕМКОСТИ В СИСТЕМЕ ПРОВОДНИКОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Исследование характеристик источника
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСА
Исследование однофазного трансформатора
Исследование трехфазного асинхронного двигателя
Исследование синхронных микродвигателей
Исследование исполнительного двигателя постоянного тока
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ
Резонанс токов
ПОВЫШЕНИЕ  КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕНЕРАТОРАХ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ХОЛОСТОГО ХОДА
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
RLC элементы
Трансформатор
Катушка индуктивности
Квазистационарные процессы
Биполярные транзисторы
Каскады на биполярных транзисторах
Дифференциальный усилитель
Полевые транзисторы
Операционные усилители
Практические задания
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СДВИГА ФАЗ

Лабораторная работа № 3
Полевые транзисторы

Лабораторная работа посвящена изучению устройства и основных свойств полевых транзисторов. В методическом пособии показаны схемы включения транзисторов, приводятся их основные параметры.

В задачу студента входит изучение работы электронных схем, макетиро­вание и наладка усилительных каскадов на полевых транзисторах, измерение их параметров.

Оборудование. Осциллограф, стрелочный или цифровой вольтметр.

Материалы и комплектующие.

Резисторы: 1к, 5к, 100к, 1М.

Конденсаторы: 100мкФ.

Полупроводники: КП307.

1. Устройство и работа полевого транзистора

Дополнительная теоретическая информация о том, зачем нужны транзисторы, история их создания, описание p-n перехода и полупроводниковых диодов содержится в описании к лабораторной работе № 2 «Биполярные транзисторы». Тем студентам, которые не уверены в своих знаниях по этим темам, настоятельно рекомендуется прочитать это описание.

1.1. Классификация и устройство полевых транзисторов

Семейство полевых транзисторов (ПТ) довольно обширно (рис. 3.1).

3 1

Рис. 3.1. Семейство полевых транзисторов

Они отличается технологией изготовления, характеристиками и способами включения. Общим для всех типов ПТ является наличие полупроводникового канала, проводимостью которого управляет электрическое поле, направленное поперек тока канала (проводимость меняется из-за обеднения канала основными носителями заряда). Канал с двух сторон оканчивается электродами – <сток>, <исток>. Электрическое поле задается боковым третьим электродом <затвор>. При правильном включении ток через этот электрод транзистора исключительно мал, что является важнейшим отличительным свойством полевого транзистора. Значения тока затвора лежат в области десятков наноампер и меньше. При промышленном изготовлении используется два способа изоляции <затвора> – изоляция обратно смещенным p-n переходом (ПТ с затвором на p-n переходе) и слоем диэлектрика (МОП или ПТ с изолированным затвором). Каждое из этих семейств имеет две разновидности по типу полупроводника канала – n-типа и p-типа.

Graphic1

Рис. 3.2. Внутренне устройство полевого транзистора с затвором на p-n переходе.

В заданиях к этой рабо­те используются транзис­торы с каналом n-типа и с затвором, изолированным от канала p-n переходом, смещенным в обрат­ном нап­рав­лении (рис. 3.2). Поз­на­комившись с тран­зис­торами с затвором на p-n переходе, Вы без труда разбе­ре­тесь с помощью спра­вочника с МОП-транзис­торами.

1.2. Устройство полевого транзистора с p-n переходом

Внутреннее устройство n-канального полевого транзистора с p-n переходом приведено на рис. 3.2. К концам бруска легированного кремния n-типа прикреплены выводы. На боковой поверхности бруска помещается область кремния p-типа, вокруг которой образуется p-n переход. Контакт на нижнем конце бруска называется истоком, контакт на верхнем конце бруска – стоком, контакт на p-области – затвором. В альтернативной конструкции с каналом p-типа затвор выполнен из материала n-типа, что влияет на полярность его включения. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Как это следует из названий, электроны движутся от истока к стоку, встречая на своем пути обедненный слой p-n перехода. Чем шире обедненный слой, тем уже канал, по которому могут проходить электроны от истока к стоку, поскольку сам обедненный слой, лишенный свободных носителей, ведет себя как изолятор. На затвор подается отрицательное напряжение смещения относительно истока, величина которого определяет ширину этого слоя и, соответственно, ток от истока к стоку. Естественно, в затвор при этом течет только очень малый ток обратно смещенного диода. Если увеличивать запирающее напряжение, что в какой-то момент обедненный слой полностью перекроет канал, и транзистор будет заперт. Это напряжение называют напряжением отсечки.

Основными характерис­ти­ка­ми полевого транзистора явля­ются:

Uзи отс – напряжение отсечки, при котором Iс £ 10 мкА, при Uси = 10 В;

Iсо – начальный ток стока, при Uзи = 0 В, Uси = 10 В;

 – крутизна, при Uзи = 0 В, Uси = 10 В;

rс – дифференциальное сопротивление стока при Uзи = 0 В, Uси = 10 В.

Вольтамперные характеристики полевых транзисторов с p-n переходом приведены на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Вольтамперные характеристики полевого транзистора с p-n переходом

Очень малый ток затвора дает полевым транзисторам важное преимущество по сравнению с биполярными транзисторами, неотъемлемой чертой которых является наличие тока базы. Во-первых, это обеспечивает высокое входное сопротивление схем на их основе, что позволяет их применять даже в случае очень больших выходных сопротивлений источников сигнала. Во-вторых, схемы на полевых транзисторах обычно получаются проще схем на биполярных транзисторах – нет необходимости задавать смещение базы, учитывать ток базы. Однако у биполярных транзисторов есть очень важное достоинство – их крутизна (способность к усилению) существенно выше, чем у полевых транзисторов. На практике наилучшими параметрами обладают схемы, в которых входные (буферные) каскады построены на полевых транзисторах, а последующие (усилительные) – на биполярных.

Заметьте, что:

1) потенциал затвора должен при любых изменениях напряжений в схеме оставаться отрицательнее стока и истока для транзисторов с n‑каналом, а для транзисторов с p‑каналом – положительнее. Иначе через затвор потечет прямой ток p-n перехода и ПТ потеряет свое самое замечательное для схемотехники свойство;

2) в усилительных схемах желательно, чтобы Iс зависел только от Uзи и не зависел от Ucи, поэтому, разрабатывая новую схему, напряжение Ucи выбирают таким, чтобы эта зависимость была как можно более слабой, следовательно, Ucи сток должно всегда оставаться больше 3‑4 вольт для КП307, (проверьте по вольт-амперным характеристикам);

3) обратите внимание, что при Ucи < 2 В, наклон выходных характеристик на рис. 3.3 намного больше, чем при Ucи > 2 В и, что самое важное, проводимость канала зависит от Uзи. Это позволяет использовать ПТ в схемах в качестве регулируемого сопротивления;

4) в любых схемах включения транзистора, напряжения, токи транзистора и рассеиваемая на транзисторе мощность должны быть всегда меньше предельно допустимых параметров, указанных в справочнике, иначе Вы лишитесь транзистора.

1.3. Линейная модель полевого транзистора

Рис. 3.4. Эквивалентная схема полевого транзистора

Если напряжения и токи полевого транзистора удовлетворяют требованиям замечаний 1, 2, 4, то ПТ неплохо описывается эквивалентной схемой, изображенной на рис. 3.4.

Необходимо помнить, что ниже имеется в виду приращения токов и напряжений относительно состояния покоя:

1) Iз » 0 (следовательно, Iс » Iи);

2) DIс = S×DUзи;

3) rс и S определяются по спра­воч­нику (для маломощных полевых транзисторов эти величины равны при­мерно: > 10 кОм и 1¸10 мА/В).

Методика решения задач