3.6. Влияние температуры на статические характеристики транзистора

Параметром наиболее сильно изменяющимся при изменении температуры является нулевой коллекторный ток I_ко. Т.к. изменения тока I_ко влекут за собой изменения тока коллектора. то очевидно, что температурная зависимость Iко приводит к общей температурной нестабильности работы транзистора. Можно было бы подумать, что эта температурная нестабильность несущественна, т.к. I_ко<< I_к . Однако, это не так. Ток I_ко представляет собой ток неосновных носителей заряда, т.е. возникает за счет собственной электропроводности полупроводника, которая в зависимости от температуры изменяется по экспоненте. Экспоненциальное изменение Iко при изменении температуры приводит к существенным изменениям режима работы транзистора, т.к. I_ко может сильно возрасти без резкого увеличения температуры. Ток I_ко является единственным параметром транзистора, значения которого экспоненциально зависят от температуры. Однако в результате того, что электропроводность полупроводников в сильной степени зависит от температуры, существует также температурная зависимость коэффициентов передачи тока a₀ и b₀, значения которых несколько возрастают при увеличении температуры. Температурная зависимость статических характеристик особенно сильно проявляется, для схем с ОЭ.

3.7. Полевые транзисторы

Транзисторы этого типа являются униполярными в отличие от рассмотренных ранее бездрейфовых и дрейфовых транзисторов, в принципе работы которых лежит использование носителей заряда двух типов: электронов и дырок, и которые поэтому называются биполярными. В униполярных транзисторах явление инжекции не используется и в принципе их работы лежит использование носителей заряда одного знака - или электронов, или дырок. Они называются также полевыми, т.к. управление током производится путем изменения электрического поля. Рассмотрим принцип действия полевого транзистора с p-n переходом, в котором используются электроны (он одинаков с принципом действия полевого транзистора, в котором используются дырки). На рис.3.10 показано схематическое устройство полевого транзистора и цепи питания.

Из рис.3.10 следует, что полевой транзистор представляет собой трехполюсное устройство с двумя невыпрямляющими контактами (сток и исток) и одним p-n переходом (затвор или управляющий электрод), к которому прикладывается обратное напряжение. Если n- полупроводнику приложено внешнее (выходное ) напряжение, то через него будет протекать ток основных носителей заряда I_вых. Так как p-n переход включен в обратном направлении и основные носителей заряда не могут преодолеть его потенциальный барьер, то ток основных носителей будет проходить только через невыпрямляющие контакты (носители перемещаются от истока к стоку, направление тока - от стока к истоку). Величина тока I_вых зависит от двух причин: а) от величины напряжения U_вых ; б) от сопротивления полупроводника, по которому он протекает, и от величины сопротивления нагрузки Rн , если оно включено. Если концентрация основных носителей и выходное напряжение остается постоянными, то значение сопротивления полупроводника для тока основных носителей зависит от площади его поперечного сечения. Площадь поперечного сечения в свою очередь зависит от следующих причин:

а ) обычно основной полупроводник полевого транзистора выполняется из высокоомного материала; поэтому при подаче на затвор обратного напряжения p-n переход имеет большую ширину и расширяется главным образом в сторону основного полупроводника. Чем больше обратное напряжение, поданное на затвор, тем шире p-n переход, тем уже поперечное сечение полупроводника (канал), по которому проходит ток, т.е. тем больше сопротивление полупроводника протекающему току. Таким образом, сопротивление канала, по которому протекает ток основных носителей заряда зависит от величины обратного напряжения, поданного на затвор; б) другой причиной изменения площади поперечного сечения, а значит и сопротивления канала, является падение напряжения на сопротивлении полупроводника при протекании выходного тока, в силу чего, напряжение, приложенное к p-n переходу, является суммой внешнего напряжения и внутреннего падения напряжения в объеме полупроводника. Существование внутреннего падения напряжения обуславливает еще большее расширение p-n перехода (неравномерно распределяющееся по переходу: область перехода, расположенная ближе к стоку, будет шире, чем область перехода, расположенная ближе к истоку) и еще большее увеличение сопротивления канала, т.е. сопротивление канала, по которому протекает ток основных носителей заряда зависит от величины этого тока. Таким образом, если увеличение выходного напряжения U_вых вызывает увеличение выходного тока, то одновременно возрастает внутреннее падение напряжения в объеме полупроводника, возрастает ширина p-n перехода, канал, по которому проходит ток, сужается и его сопротивление возрастает, ограничивая рост тока. Эти явления определяют ход статических выходных характеристик полевого транзистора , показанных на рис.3.11.

При увеличении выходного напряжения от нуля до какого-то значения U`вых (см.рис.3.11), величина выходного тока почти линейно возрастает, т.к. внутреннее падение напряжения еще невелико. Однако изменение ширины перехода происходит , и рост тока не следует закону Ома. С увеличением тока сечение канала изменяется все сильнее и более сильно воздействует на величину тока, уменьшая ее. После точки А сечение канала и его сопротивление существенно изменяется, ограничивая ток и в конце концов в точке В наступает динамическое равновесие, при котором увеличение тока, происходящее при увеличении выходного напряжения, компенсируется его уменьшением из-за возрастания сопротивления канала. Это явление называется насыщением канала. Выходное напряжение U<sup>``</sup><sub>вых</sub> , при котором наступает насыщение канала, называется напряжением насыщения. Для лучшего использования полевого транзистора значения напряжения насыщения должны быть возможно меньшими; Если выходная характеристика снимается при Uвх 0 в этом случае при U<sub>вых</sub>=0 ширина p-n перехода определяется величиной приложенного обратного напряжения Uвх, начальное сечение канала уменьшится по сравнению со случаем, когда Uвх=0, а его сопротивление возрастает. При U<sub>вых</sub>0, когда появляется внутреннее падение напряжения вдоль канала, начальный участок характеристики (ОА<sup>`</sup>) будет иметь больший наклон, соответствующий большему сопротивлению канала. Соответственно существенное влияние внутреннего падения напряжения вдоль перехода на величину выходного тока начинает сказываться при меньших значениях выходного тока и выходного напряжения (точка А^{`</sup> на рис.3.11), и переход в область насыщения также произойдет при меньших значениях выходного напряжения (точка В<sup>`} на рис.3.11). Восходящий участок характеристики называют областью проводимости канала, а пологий, как уже говорилось, областью насыщения. Если на вход полевого транзистора подается переменное напряжение, а на выходе включено сопротивление нагрузки, то ширина p-n перехода и величина выходного тока будут изменяться в соответствии с изменением входного напряжения и на сопротивлении нагрузки также появится переменное напряжение I_выхR_н, т.е. полевой транзистор обладает усилительными свойствами и тем большими, чем глубже модуляция канала при тех же значениях входного напряжения. Для увеличения глубины модуляции ширина кристалла полупроводника должна быть соизмерима с шириной перехода, а его удельное сопротивление должно быть большим; для получения малой ширины канала p-n переход конструктивно выполняется в виде кольца, охватывающего кристалл (см. рис.3.12) .

И з рассмотрения принципа действия полевого транзистора и его выходных характеристик, можно сделать вывод, что он напоминает электронную лампу (затвор играет роль сетки, исток - катода, а сток - анода) и что схемы с полевым транзистором должны мало отличаться от схем с электронными лампами. Поэтому в качестве параметров полевого транзистора, так же как и для электронной лампы, применяют крутизну, внутреннее сопротивление и граничную частоту: а) крутизна - характеризует эффективность управляющего действия затвора. Значение крутизны для полевого транзистора лежит в пределах 1  20 ма/в; б) внутреннее сопротивление переменному току при Uвх=const. В области насыщения внутреннее сопротивление может достигать порядка нескольких мегаом; в) граничная частота fгр. Так как ток в выходной цепи является током основных носителей заряда, то граничная частота не зависит от времени жизни неосновных носителей заряда и может быть больше, чем у биполярных транзисторов. Ее величина определяется временем прохождения носителей по каналу и постоянной времени входа

В выражении в понятие Cзатв. входит как входная емкость, характеризующая инерционность процесса перераспределения зарядов при изменении напряжения, так и емкость связи, которая, так же как и проходная емкость в электронной лампе, создает частотную зависимость обратной связи между выходом и входом и определяет частотные свойства прибора. В понятие Rзатв входит как дифференциальное сопротивление запертого p-n перехода, так и сопротивление связи, являющееся распределенным объемным сопротивлением полупроводника, которое, так же как и сопротивление базы в биполярных транзисторах, обусловливает наличие внутренней обратной связи между выходом и входом. Как и в биполярных транзисторах, существование внутренней обратной связи усугубляет уменьшение величины входного сопротивления при повышении частоты. Можно сказать, что предельная частота полевых транзисторов тем больше, чем меньше длина канала. Значения граничной частоты для полевого транзисторов доходят до тысяч мегагерц. В настоящее время полевые транзисторы широко используются в схемах современной электронной аппаратуры. Этому способствует ряд их преимуществ перед биполярными транзисторами, которые появляются потому, что в полевых транзисторах не используется явление инжекции. К ним относятся: а) высокое входное сопротивление порядка (106 109) ом (входные током является ток обратно смещенного p-n перехода); б) высокая предельная частота; в) малый собственности уровень шумов (0.5  5) дб; г) устойчивая работа при повышенном уровне радиации; д) слабая зависимость параметров от температуры. К недостаткам полевых транзисторов следует отнести существование обратной связи между выходной и входной цепями. Еще более повысить входное сопротивление полевого транзистора, а также повысить эффективность управления током позволяет конструкция, в которой на поверхность полупроводника между источником стоком и истоком нанесен слой диэлектрика; на диэлектрик наносится металлический электрод-затвор. Такие приборы, конструкция которых показана на рис.3.12, называются МДП - транзисторами (металл - диэлектрик - полупроводник). Между истоком и стоком транзисторов с изолированным затвором на поверхности полупроводника (на рис.3.12 n- полупроводника) располагается проводящий канал с противоположным типом проводимости канала при изменении потенциала металлического затвора. Основным преимуществом полевого транзистора с изолированным затвором перед полевым транзистором с p-n переходом является более высокое значение величины входного сопротивления (порядка 10¹⁵ ом), которая определяется токами утечки через сопротивление изоляции между металлом и полупроводником и то, что величина входного сопротивление не зависит от полярности напряжения на затворе.