4.1.3. Вольтамперные характеристики птуп

Для полевых транзисторов представляют интерес два вида вольтамперных характеристик: стоковые и стоко-затворные.

Стоковые (выходные) характеристики

Семейство (серия) стоковых (выходных) характеристик полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа показано на рис. 4.3, а. Каждая из характеристик отражает зависимость I_с(U_си)|_Uзи=const тока стока от напряжения "сток – исток" при фиксированном напряжении "затвор – исток".

а) б)

Рис. 4.3. Семейства стоковых (выходных) (а) и стоко-затворных характеристик (б) ПТУП с каналом n-типа

Отличительной особенностью стоковых характеристик полевых транзисторов является практически линейная зависимость I_с(U_си)|_Uзи=const тока от напряжения на начальном участке характеристики (участок 0–1), соответствующей U_зи = 0. На этом участке наклон характеристики, определяемый как dI_с/dU_си, является постоянной величиной и физически характеризует дифференциальную проводимость открытого транзистора. Это отражает идентичность (сходcтво) данной характеристики с выходной характеристикой биполярного транзистора с ОЭ (рис. 3.5, б, область I).

При дальнейшем увеличении напряжения U_си (участок между точками 1–2) нарастание тока уже не пропорционально напряжению (наклон dI_с/dU_си уменьшается) из-за сужения токопроводящего канала.

При напряжениях U_си.нас, соответствующих переходу из области I в область II (рис. 4.3, точка 2) сечение  токопроводящего канала уменьшается до минимума в результате прорастания p-n-перехода в канал. Дальнейшее увеличение напряжения U_си приводит к прекращению роста тока I_с, так как одновременно с ростом напряжения U_си увеличивается сопротивление канала из-за его перекрывания. Некоторое увеличение тока I_с (на участке 2-3) объясняется наличием различного рода утечек и влиянием на проводимость (на концентрацию носителей) сильного электрического поля в p-n-переходах, прилегающих к каналу.

Заметим, что величина напряжения U_си.нас, при которой канал перекрывается, зависит от величины U_зи, так что геометрическое место точек, связанных с этим напряжением, описывается пунктирной кривой на рис. 4.3, а.

Резкое увеличение тока I_с (например, в точке 3, участок III) при больших напряжениях U_си связано с лавинным пробоем области p-n-переходов вблизи стока (между областями контактов стока и затвора).

Стоко-затворная характеристика

Стоко-затворная характеристика полевого транзистора описывает зависимость тока стока от напряжения "затвор – исток" I_с(U_зи)|_{Uси =const} при фиксированном напряжении "сток – исток". Примерный вид нескольких характеристик из серии I_с(U_зи)|_Uси показан на рис. 4.3, б.

Еще раз подчеркнем, что в режимах, когда U_зи > 0 (на затворе +) данный транзистор не может работать. Поэтому, при фиксированном напряжении на стоке, например, U_си = 10 В, можно, изменяя U_зи, управлять величиной тока стока от максимального значения тока I_сmax (при U_зи = 0) вплоть до I_с = 0 (при U_зи = U_зи.отс < 0). Напряжение U_зи, при котором ток стока становится равным нулю, называют напряжением отсечки U_зи.отс.

Важным параметром полевого транзистора, определяемым по стоко-затворной характеристике, является крутизна характеристики S:

S = dI_c/dU_зи|_Uси=const, мА/В, (4.1)

которая отражает связь выходного тока I_с полевого транзистора с входным напряжением U_зи; обычно значение S определяется при U_си = 0. Крутизна характеристики S – это параметр, характеризующий чувствительность ПТУП, подобный коэффициентам  или   параметрам биполярных транзисторов.

К другим основным параметрам полевого транзистора относятся:

 внутреннее (выходное) сопротивление полевого транзистора, равное

r_i = dU_cи/dI_c|_Uзи=const, (4.2)

как и выходное сопротивление биполярного транзистора, характеризует наклон стоковой (выходной) характеристики на участке II (рис. 4.3, а);

 входное сопротивление, равное

r_вх = dU_зи/dI_з, (4.3)

определяется сопротивлением одного или двух p-n-переходов, смещенных в обратном направлении.

Именно поэтому величина входного сопротивления (по постоянному току) подобных полевых транзисторов составляет 10⁸… 10⁹ Ом. Именно поэтому говорится, что затвор (контакт З и одноименная р-область под контактом) электрически (гальванически) отделен от канала.

Вследствие этого входной ток через контакт затвора I_з в статическом режиме можно считать равным нулю.

Таким образом, следует учитывать, что при подаче на затвор управляющих напряжений U_зи, обеспечивающих обратное включение p-n-перехода затворканал, входное сопротивление транзистора, как прибора, весьма высоко, а входной ток – ничтожно мал. Поэтому говорится, что в отличие от биполярного транзистора, который управляется током, полевой транзистор управляется не током, а напряжением (или электрическим полем);

– максимально допустимый ток стока I_cmax;

– максимально допустимое напряжение стока U_сиmax;

 напряжение отсечки U_зи.отс;

– межэлектродные емкости "затвор – исток" С_зи, "затвор – сток" С_зс и "сток – исток" С_си.

Маломощные полевые транзисторы с p-n-переходом выпускают на токи I_cmax до 50 мА и напряжения U_сиmax до 50 В. Типичные значения параметров таких транзисторов: U_зи.отс = 0,8…10 В, r_i = 0,02…0,5 кОм, S = 0,3…7 мА/В, r_вх = 10⁸…10⁹ Ом, С_зи = С_си = 6…20 пФ, С_зс = 2…8 пФ.

Схема замещения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом в области высоких частот показана на рис. 4.4, а. Схема характеризует работу транзистора на участке II выходных характеристик для переменных составляющих тока i(t) и напряжения u(t).

а) б)

Рис. 4.4. Схемы замещения ПТУП в области высоких (а) и низких (б) частот

При ее составлении использованы следующие допущения. Ток i транзистора на участке II определяется напряжением u_вх = u_зи на затворе (входе) и крутизной S. Поэтому в выходную цепь схемы введен переменный источник тока величиной Su_вх, параллельно которому включено внутреннее сопротивление r_i, преобразующее идеальный источник тока Su_вх в реальный источник тока с внутренним сопротивлением r_i. Величины емкостей С_зи, С_зс и С_си определяют влияние межэлектродных емкостей на работу транзистора в области высоких частот.

В области низких частот межэлектродные емкости не учитываются, и схема замещения имеет вид, представленный на рис. 4.4, б.

Еще раз подчеркнем, что в отличие от модели, представленной на рис. 4.2, реальный ПТУП имеет, как правило, планарную структуру, аналогичную представленной на рис. 4.1, г.