5. Резистивный каскад на униполярном транзисторе

5.1. Основные понятия и определения

Полевые транзисторы (ПТ), иначе называемые канальными или униполярными, находят широкое применение в схемотехнике радиоэлектронных устройств (РЭУ). Это связано с рядом их преимуществ по сравнению с биполярными транзисторами (БПТ), например, с очень высоким входным сопротивлением и низким коэффициентом шума, что особенно необходимо в схемах усилителей слабых сигналов.

Существует два типа ПТ: с управляющим p–n-переходом и с изолированным затвором, или МОП-транзисторы (металл-окисел-полупроводник). В схемах усилителей чаще используются полевые транзисторы с управляющим p–n-переходом. МОП-транзисторы и их разновидность – комплементарная МОП-структура (КМОП-структура), находят более широкое применение в цифровых схемах.

ПТ с управляющим p–n-переходом различаются по типу канала: с n-каналом и p-каналом.

Электрод, из которого в канал вытекают основные носители (электроны для канала n-типа), называют истоком (И) (S-source). Из канала носители проходят к электроду, который называется стоком (С) (D-drain). Управляющий электрод, предназначенный для регулирования площади поперечного сечения канала, называется затвором (З) (G-gate). Управляющее действие затвора наглядно иллюстрирует управляющая (проходная) стокозатворная вольтамперная характеристика (ВАХ), выражающая зависимость тока стока I_С от напряжения между затвором и истоком U_ЗИ, рис. 5.1,а.

а) б)

Рис. 5.1. Проходная (а) и выходная (б) ВАХ ПТ

В полевом транзисторе с управляющим p–n-переходом затвор всегда должен быть смещен в обратном направлении или иметь нулевое напряжение смещения относительно и стока и истока. Это означает, что затвор образует диод, всегда смещенный в обратном направлении, следовательно, ток затвора пренебрежимо мал. В силу этого полевой транзистор имеет очень большое входное сопротивление, что упрощает расчет цепей смещения.

Напряжение между затвором и истоком, при котором ток через транзистор не протекает, называется напряжением отсечки U_ЗИ-ОТС. Ток стока при нулевом напряжении на затворе называют начальным током стока I_С.НАЧ.

Выходная характеристика ПТ, выражающая зависимость тока стока от напряжения между стоком и истоком (U_СИ) при неизменном напряжении между затвором и истоком (U_ЗИ=const), представлена на рис. 5.1,б.

На данной характеристике можно выделить три области. В пределах первой области при увеличении напряжения U_СИ, начиная с нуля, ток стока (I_С) растет довольно быстро, а затем это нарастание замедляется и почти совсем прекращается. Наступает явление, напоминающее насыщение. Это объясняется тем, что при повышении значения U_СИ ток должен увеличиваться, но так как одновременно повышается обратное напряжение p–n-перехода, то запирающий слой затворной области расширяется, а канал сужается. Иными словами, сопротивление канала возрастает, за счет чего и должен уменьшаться ток I_С.

Таким образом, имеют место два взаимно противоположных воздействия на ток I_С, который в результате остается почти неизменным при изменении U_СИ от U_{СИ НАС} до U_{СИ ПРОБ}. Дальнейшее повышение напряжения U_СИ приводит к электрическому пробою p–n-перехода, в результате чего ток стока начинает лавинообразно нарастать. Напряжение пробоя является одним из предельных параметров ПТ.

Работа транзистора в линейном режиме обычно происходит в области насыщения. Для ПТ с n-каналом напряжение U_СИ, измеряемое относительно истока, должно быть положительным, а для ПТ с p-каналом – отрицательным.