Полевые транзисторы

Тема:

Полевые транзисторы

После изучения темы студент должен знать :

• устройство и принцип действия полевого транзистора с управляющим p-n- переходом и с изолированным затвором;
• их статические характеристики и параметры;
• достоинства и недостатки по сравнению с биполярными;

После изучения темы студент должен уметь :

• определять параметры полевых транзисторов по характеристикам в заданном режиме;

• строить схемы включения в заданном режиме;

• расшифровывать маркировку.

Учебные вопросы:

• Определение, назначение, классификация, УГО полевых транзисторов.

2. Устройство и принцип работы полевых

транзисторов с управляющим

p-n -переходом.

3. Основные характеристики и параметры полевых транзисторов.

4. Устройство и принцип работы полевых транзисторов с изолированным затвором:

- с индуцированным каналом;

- со встроенным (собственным) каналом.

Особенности статических характеристик.

Параметры.

5. Схемы включения полевых транзисторов.

6. Маркировка (обозначение) полевых транзисторов.

Литература:

• Либерман Ф.Я. Электроника на железнодорожном транспорте. М.: Транспорт. 1987 г. Стр. 129 – 144.

2. Мизерная З.А. Электронная техника. - М.: Маршрут. 2006. Стр. 73 – 85.

3. Жеребцов И.П. Основы электроники. Ленинград. Энергоатомиздат. 1989. Стр. 114 – 123.

• Акимова Г.Н. Электронная техника. - М.:

Маршрут. 2003. Стр. 55 – 66.

• Бодиловский В.Г. Электронные приборы

на железнодорожном транспорте. - М.: Транспорт. 1995. Стр. 121 – 132.

6. Бодиловский В.Г. Полупроводниковые и электровакуумные приборы в устройствах автоматики, телемеханики и связи. -М.: Транспорт. 1986. Стр. 120 – 132.

7. Дунаев С.Д. Электроника,

микроэлектроника и автоматика. - М.:

Маршрут. 2003. Стр. 31 – 39.

8. Москатов Е.А. Электронная техника.

Таганрог. 2004. Стр. 49 – 54.

9. Федотов В.И. Основы электроники. - М.:

Высшая школа. 1990. Стр. 66 – 73.

Недостатки биполярных транзисторов:

1. Небольшое входное сопротивление

(наличие значительных токов во входных цепях, что свидетельствует о потреблении значительной мощности от источника усиливаемого сигнала).

2. Инерционность, что ограничивает частотный диапазон применения БПТ.

3. Наличие неуправляемого обратного тока через коллекторный переход, который сильно зависит от температуры.

Идею создания полевого транзистора предложил в 1952 году американский ученый, один из создателей биполярного транзистора, У. Шокли.

Уильям Шокли родился в Лондоне (Англия).

В 1932 он окончил Калифорнийский технологический институт. В течение ряда лет (1936-55) работал в лабораториях фирмы «Bell Labs». Затем он руководил лабораторией полупроводников фирмы «Бекман Инструментс Инкорпорейшн» (1955-58), являлся президентом «Шокли Транзистор Корпорейшн» (1958-60) и директором «Шокли Транзистор» (1960-63). Позже Шокли являлся профессором Стэнфордского университета (1963-75).

1

Определение, назначение , классификация, УГО полевых транзисторов

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток создается только основными носителями зарядов под действием продольного электрического поля, а управление величиной этого тока осуществляется поперечным электрическим полем, которое создается напряжением, приложенным к управляющему электроду – затвору .

Назначение полевых транзисторов:

• усиление электрических сигналов за счет энергии источника постоянного тока;

• генерирование электрических колебаний (импульсов) различной формы, частоты, амплитуды и длительности;

• преобразование электрических сигналов;

• работает в качестве электронного ключа.

2

Устройство и принцип работы полевых транзисторов с управляющим

p-n -переходом

3

Основные характеристики и параметры полевых транзисторов

Статические характеристики полевого транзистора

• Выходная ( Стоковая )

это зависимость тока в выходной цепи от напряжения, приложенного к выходной цепи при постоянном (неизменном) напряжении, приложенном ко входной цепи.

В общем случае эту зависимость можно записать так:

I вых = f ( U вых ) при U вх = Const

В конкретном случае для схемы с общим истоком эта зависимость записывается так:

I с = f ( U си ) при U зи = Const

2. Управления

( переходная, прямой передачи,

стокозатворная, сток-затворная )

это зависимость тока в выходной цепи от напряжения, приложенного ко входной цепи при постоянном (неизменном) напряжении, приложенном к выходной цепи.

В общем случае эту зависимость можно записать так:

I вых = f ( U вх ) при U вых = Const

В конкретном случае для схемы с общим истоком эта зависимость записывается так:

I с = f ( U зи ) при U си = Const

Основные параметры полевых транзисторов с управляющим

p-n -переходом

• Напряжение отсечки U отс – это обратное напряжение между затвором и истоком, при котором токопроводящий канал перекрывается практически полностью и ток стока равен нулю.
• Крутизна стокозатворной характеристики.

Она показывает, на сколько миллиампер изменится ток стока при изменении напряжения на затворе на один Вольт

S=

∆ I с

∆ U зи

при U cи = Cоnst

3. Входное сопротивление транзистора

R вх =

∆ U вх

∆ I вх

Так, как на затвор подается только запирающее напряжение, то ток затвора будет представлять собой обратный ток закрытого p-n -перехода и будет очень мал. Величина входного сопротивления R вх будет очень велика и может достигать 10 9 - 10 15 Ом .

• Выходное (внутреннее)

сопротивление транзистора

R вых = R i =

∆ U вых

∆ I вых

при U вх = Cоnst

5. Коэффициент усиления транзистора по напряжению.

4

Устройство и принцип работы полевых транзисторов с изолированным затвором:

- с индуцированным каналом;

- со встроенным (собственным)

каналом.

Особенности статических характеристик. Параметры.

5

Схемы включения полевых транзисторов

Полевой транзистор при включении имеет две цепи:

- входную;

- выходную.

В зависимости от того, какой вывод транзистора (исток, затвор или сток) является общим для входной и выходной цепи, различают три схемы включения полевого транзистора:

- с общим истоком;

- с общим затвором;

- с общим стоком (истоковый повторитель);

Схема с общим истоком

Схема с общим затвором

Схема с общим стоком

( истоковый повторитель )

• Схема с ОИ наиболее часто применяемая, она обладает самым большим коэффициентом усиления по мощности, средние входное и выходное сопротивления (по сравнению с другими схемами); изменяет фазу входного сигнала на 180 градусов.
• Схема с ОЗ имеет меньшее входное, но большее выходное сопротивление, чем предыдущая схема, фазу сигнала не меняет.
• Схема с ОС имеет большое входное и малое выходное сопротивление.

6

Маркировка (обозначение) полевых транзисторов

Маркировка (система обозначений) полевых транзисторов аналогична маркировке биполярных. В РФ ГОСТы действуют в трех вариантах (до 1964 г., 1964 г., (ОСТ 1997 г.)).

Первый элемент – буква или цифра, обозначающая исходный материал: Г или 1 – германий; К или 2 – кремний; А или 3 – арсенид галлия; И или 4 – индий.

Второй элемент – буква: Т- биполярный; П – полевой.

Третий элемент – цифра от 1 до 9 (подкласс транзистора, указывающий частотный диапазон и мощность):

Граничная частота fгр , МГц

Мощность, Вт

НЧ (до 3 МГц )

малая

СЧ (от 3 до 30 МГц )

средняя

1

(менее 0,3)

ВЧ (от 30 до 300 МГц )

Большая

4

2

(от 0,3 до 1,5)

7

5

СВЧ (более 300 МГц )

3

(более 1,5)

8

6

9

Четвертый элемент – числа от 01 до 99 – порядковый номер разработки.

Пятый элемент – буква – разновидность по параметрам в данной группе.

Пример: КТ315А – для устройств широкого применения, кремниевый, высокочастотный малой мощности.

Подробно система обозначений описывается в справочниках.

Существует три основных зарубежных системы обозначений: американская, западноевропейская, японская (смотри видеофильм).

Домашнее задание

• Подготовиться к лабораторной работе, с этой целью изучить задание и выполнить все требования по предварительной подготовке ( накануне занятия ).

Лабораторное занятие № 5

Тема: Исследование работы полевого транзистора

Накануне: Изучить устройство, работу полевого транзистора, его параметры, статические характеристики, схемы включения, систему обозначений и маркировку.

Цель работы: Изучить выходные характеристики и характеристики прямой передачи полевого транзистора, включенного по схеме с общим истоком.

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему для снятия выходных статических характеристик и характеристик прямой передачи полевого транзистора с помощью программы Electronics Workbench, выбрать тип транзистора (например, BF244A), записать основные паспортные данные исследуемого транзистора в Таблицу № 1:

Таблица № 1

Паспортные данные транзистора (например, BF244A)

Обозначения в программе

Перевод на

Gate-junction saturation current,

русский язык

Эксплуата-ционные

IS , ( A )

Ток насыщения, I с нас , ( А )

Threshold voltage, VTO , ( В )

параметры

Напряжение отсечки, ( В )

Zero-bias gate-drain

5.3389e-11

junction capacitance, CGD , ( F )

Емкость между затвором и стоком, С зс , ( Ф )

Zero-bias gate-source

-1.7

junction capacitance, CGS , ( F )

Емкость между затвором и истоком, С зи , ( Ф )

3.2833e-12

3.2527e-12

2. Включить схему, изменяя значения напряжений источников питания во входной и выходной цепях, контролируя при помощи вольтметров и амперметров:

а) снять выходные ( стоковые ) характеристики транзистора I с = f ( U си ) при U зи = const , данные занести в Таблицу № 2:

Таблица № 2

U зи = 0 (мВ)

U си (В)

0

U зи = 500 (мВ)

I с

U си (В)

2

I с

U зи = 1 (В)

4

0

6

U си (В)

2

0

8

4

I с

U зи = 1,5 (В)

2

U си (В)

10

6

0

8

I с

4

и т. д. до 24 В

U зи = 2 (В)

6

U си (В)

10

2

0

8

4

I с

и т. д. до 24 В

10

2

6

8

5

и т. д. до 24 В

6

10

8

и т. д. до 24 В

10

и т. д. до 24 В

б) снять характеристики прямой передачи ( стоково-затворные характеристики) транзистора I с = f(U зи ) при U си = const , данные занести в Таблицу № 3 :

Таблица № 3

U си = 0 (В)

U зи

(В)

I с

U си = 6 (В)

0

U зи

0,5

I с

(В)

U си = 12 (В)

1

0

0,5

U зи

1,5

(В)

I с

0

1

U си = 18 (В)

2

2,5

1,5

0,5

U зи

I с

(В)

3

1

2

U си = 24 (В)

0

3,5

2,5

0,5

1,5

U зи

I с

(В)

1

0

3

2

4

2,5

0,5

3,5

1,5

4,5

4

5

3

1

2

3,5

2,5

1,5

5,5

4,5

3

5

6

2

4

3,5

2,5

4,5

5,5

3

4

5

6

3,5

5,5

4,5

6

4

5

5,5

4,5

5

6

5,5

6

3. По данным таблиц построить графики семейства выходных статических характеристик и характеристик прямой передачи исследуемого транзистора в масштабе, удобном для определения параметров транзистора, например:

4. Пользуясь полученными характеристиками, определить основные параметры полевого транзистора:

- крутизну передаточной характеристики S = ∆I с /∆U зи ;

- напряжение отсечки, при котором ток стока становится равным нулю U зо ;

- внутреннее (выходное) сопротивление транзистора

R i = ∆U си / ∆I с , Ом ;

- ток насыщения I с нас ;

- напряжение насыщения U с нас.

5. С помощью графиков статических характеристик сделать вывод о влиянии затворного напряжения транзистора ( U зи ) на ток в канале стока ( I с ), например:

Вывод: В результате исследования графиков семейства выходных характеристик видно, что при увеличении затворного напряжения (Uзи) ток стока …, так как (описать причину, вызвавшую это изменение), и так далее.

6. Оформить отчет и представить его для защиты.

Содержание отчета: 1. Тема, цель работы.

2. Исследуемые схемы.

3. Результаты измерений (таблицы), расчеты,

графики ВАХ.

4. Выводы.

Основные вопросы к защите: 1. По выполненной работе.

2. Классификация полевых транзисторов, их УГО.

3. Устройство и принцип работы полевых транзисторов.

4. Характеристики, параметры, предельные параметры полевых транзисторов.

5. Схемы включения полевых транзисторов.

6. Маркировка полевых транзисторов.

7. Преимущества и недостатки полевых транзисторов по сравнению с биполярными.

8. Эквивалентная схема полевого транзистора.

9. Шумы полевого транзистора.

10. Эксплуатация полевых транзисторов.

Если нет вопросов:

- спасибо за внимание;

- приятного аппетита;

- спокойной ночи;

До свидания