5.2. Польовий транзистор з керувальним p-n‑переходом

Такий ПТ має два омічні переходи, які забезпечують підключення елек­тродів витоку і стоку, та один або два керувальні переходи, які зміщуються напругою у зворотному напрямі (рис. 5.1).

З і зміною зворотної напруги на керувальному p-n‑переході (на затворі) змінюється ширина збідненої зони, а отже, і поперечний переріз провідного каналу.

Рис. 5.1. Структура ПТ з керувальним p-п переходом: а – з одним переходом; б – з двома переходами.

Керування струмом стоку, тобто струмом зовнішнього потужного джерела в колі навантаження, здійснюється за законом змінювання вхідного інформаційного сигналу на p-n‑переході затвора (або на двох одночасно (рис. 5.2). Через малі значення зворотних струмів потужність, яка необхідна для керування струмом в навантаженні, тобто потужність, що споживається від джерела інформаційного сигналу в колі затвора, виявляється дуже малою. Тому ПТ забезпечує підсилення електричних сигналів як за потужністю, так і за струмом та напругою.

Таким чином, ПТ з керувальним p‑n‑пе­ре­ходом за принципом дії нагадує вакуумний тріод. Витік ПТ – це катод, затвор – сітка, стік – анод. Але при цьому ПТ суттєво відрізняється від вакуумного тріода: для роботи ПТ не потрібно розігрівати електроди, витік та стік можна міняти місцями.

Польові транзистори можуть бути сформовані як з p-каналом, так і з n‑каналом (рис. 5.3, а). У ПТ з керувальним p-n‑переходом з n ‑каналом полярність напруг на затворі (–) і на стоці (+) відносно витоку відповідає полярності напруг на сітці та аноді відносно катода вакуумного тріода, який, як і інші підсилювальні лампи, має «ліву» анодно-сіткову характеристику. Це дозволяє під час використання ПТ з керувальним п

Рис. 5.1. Схема вмикання ПТ із загальним витоком

ереходом створювати підсилювачі сигналів з колом автоматичного зміщення, тобто автоматичного забезпечення початкового стану приладу, точки спокою (рис. 5.3, б).

Р

a

б

ис.5.3. Позначення та використання ПТ з p-n-переходом:

а – умовні графічні позначення; б – схема підсилювача зі спільним витоком та автоматичним зміщенням

Статичні характеристики.

Польовий транзистор має великі вхідні та вихідні опори. Тому на відміну від БТ статичні характеристики ПТ дослід­жуються як залежність від напруг. Вхідна характеристика через дуже малий вхідний струм не несе інформації і не використовується. Для оцінки ПТ як активного елемента електронних схем використовують дві сім’ї статичних характеристик:

• характеристики керування (стокзатворні), що відображають залеж­ність струму стоку від напруги на затворі при різних напругах на стоці: I_D = f (U_GS), якщо U_DS = const;

• вихідні характеристики (стокові), що відображають залежність струму стоку від напруги на стоці відносно витоку при різних постійних напругах на затворі: I_D = f (U_DS), якщо U_GS = const.

Стокзатворну характеристику ПТ з керувальним p-n‑переходом показано на рис. (5.4,а). Якщо U_GS = 0, канал не перекривається, його попереч­ний переріз має максимальне значення, а тому і струм стоку за наявності напруги між витоком і стоком має максимальне значення I_Dmax. Зі збільшенням зворотної напруги на переході (напруги між затвором та витоком U_GS) збіднені ділянки переходів розширюються, зменшуючи поперечний переріз каналу, струм I_D зменшується.

При напрузі відсікання U_GS(off) канал практично перекривається, струм стоку припиняється: I_D » 0. Витік і стік стають ізольованими один від одного.

Рис. 5.4. Статичні характеристики ПТ з керувальним p-n‑переходом: а – стокзатворна; б – сім’я вихідних характеристик

Вихідні характеристики ПТ мають дві ділянки (рис.5.4, б). Перша ділянка вирізняється різкою залежністю I_D зі збільшенням U_DS. Розглянемо спочатку залежність I_D = f (U_DS), якщо U_GS = 0. Струм стоку, протікаючи по каналу, створює його нееквіпотенціальність. Потенціал каналу зростає від нуля біля витоку до U_D біля стоку, а це, у свою чергу, збільшує зворотну напругу на p-n‑переході в напрямі до стоку. Таким чином, найбільша ширина збідненої зони і відповідно найменший поперечний переріз каналу формуються біля стоку (див. рис. 5.2). Навіть тоді, коли затвор буде закорочений з витоком, із збільшенням напруги U_DS канал звужується. При деякій напрузі на стоці U_{DS sat} (напрузі насичення) поперечний переріз каналу біля стоку досягає мінімального значення. Подальше збільшення U_DS не викликає збіль­шення струму стоку. Мінімальний переріз каналу автоматично підтримується на деякому рівні. Дійсно, збільшення U_DS повинно було б перекрити канал, але тоді значення струму стоку досягло б нуля і припинилося б роз­поділення напруги вздовж каналу, а це, у свою чергу, усуває причини, які зумовлюють перекриття каналу. Зрештою з подальшим збільшенням U_DS (коли U_DS > U_DSSat) струм стоку залишається незмінним, формується полога ділянка вихідних характеристик ПТ. Режим пологої ділянки ВАХ умовно називають режимом насичення. Зауважимо, що як такого процесу насичен­ня у цьому випадку немає. За умови, коли U_GS = 0, напруга насичення дорів­нює значенню напруги відсікання U_{GS (off)}.

Струм стоку, якщо U_GS = 0 і U_DS = U_DSSat, називають початковим струмом стоку I_Dss (рис. 5.4, б).

Розглянемо тепер зміщення та зміни вихідних статичних характеристик зі зміною напруги на затворі. З подачею на затвор зворотної напруги та з її збільшенням за абсолютним значенням зменшується початковий поперечний переріз каналу. Тому початкові ділянки вихідних характеристик за умови |U_GS| > 0 мають менший нахил, що зумовлено більшим початковим опором каналу. При цьому на розмір збідненої зони впливають одночасно дві напруги: напруга на звороті, що формує поперечне електричне поле, і напруга на стоці, що створює поздовжне електричне поле. Напруга насичення зменшується, і для будь-якого значення напруги на затворі становить:

U_{DS sat} = U_{GS (off)} – U_GS

Зі зменшенням напруги насичення зменшується також струм насичення стоку. Характеристики зміщуються вниз. У робочому режимі використовують пологі ділянки вихідних характеристик. За умови великої напруги на стоці, коли U_DS перевищує максимальну допустиму напругу U_DSmax, настає пробій структури. Тому в робочому режимі перевищення максимально допустимої напруги стоку неприпустиме.

Основні параметри польових транзисторів.

Крутість характеристики керування

. (5.2)

Фізичне значення цього параметра полягає в тому, що він показує на скільки міліамперів змінюється струм стоку при зміні напруги на затворі на 1В, якщо U_DS = const. Крутість характеризує підсилювальні властивості приладу. Для її визначення можна скористатися характеристикою керування (рис. 5.4, а). Числові значення цього параметра становлять 0,5…30 мА/В;

Внутрішній опір транзистора

. (5.3)

З начення цього параметра для конкретного приладу можна визначити за вихідними характеристиками на пологій (робочій) ділянці (рис. 5.4, б). Оскільки струм стоку на цій ділянці змінюється дуже мало, то цей параметр має значення сотень кілоомів – одиниць мегомів.

Вхідний опір

(5.4)

Він являє собою диференціальний опір p-n‑переходу, зміщеного у зворотному напрямі. Оскільки струм затвора I_G визначається зворотним струмом переходу, то вхідний опір ПТ з керувальним p-n‑переходом досягає значень 10⁶…10⁹ Ом.

Статичний коефіцієнт підсилення за напругою

(5.5)

Цей коефіцієнт показує, наскільки дужче на зміну струму стоку впливає зміна напруги на затворі, ніж зміна напруги на стоці. Для визначення цього параметра беруть взаємно компенсуючі за дією на струм I_D прирости напруги ∆U_DS і ∆U_GS. Якщо U_GS = const, приріст +∆U_DS викликає +∆I_D, тому за умови U_DS = const необхідно підібрати таке значення –U_GS, щоб струм стоку зменшився на таку саму величину –∆I_D, і таким чином забезпечити I_D = const. Оскільки вказані прирости мають різні знаки, то беруть модуль відношення.

Цей коефіцієнт визначає потенційні можливості ПТ як підсилювача напруги. Ураховуючи співвідношення 5.2 і 5.3, одержуємо:

. (5.6)

Значення статичного коефіцієнта підсилення за напругою ПТ з керувальним переходом дорівнює декілька сотень.

Крім розглянутих параметрів, ПТ характеризується граничною частотою, на якій модуль крутизни характеристики керування зменшується в 1/Ö2 раз, вхідною C_GS, прохідною C_GD і вихідною C_DS ємностями та максимально допустимою потужністю розсіювання P_Dmax. Слід зазначити, що параметри ПТ, як і в інших напівпровідникових приладах, залежать від режиму роботи, температури навколишнього середовища, а також від геометрії елементів структури.

Використовують схеми зі спільним витоком, спіль­ним затвором та спільним стоком. Схема зі спільним витоком подібна до схеми зі спільним катодом, яка використовується в схемах на вакуумних лампах. Вона вносить постійний зсув за фазою (інвертує сигнал, виконує логічну операцію НІ), підсилює струм, напругу та забезпечує максимальний коефіцієнт підсилення за потужністю.

Схема зі спільним стоком так само, як схема зі спільним анодом (катодний повторювач) та схема зі СК (емітерний повторювач), широко використовується як трансформатор провідності для узгодження вихідних і вхідних опорів плат, блоків та ін. Коефіцієнт підсилення за напругою такої схеми менший за одиницю.

На відміну від схем із СЕ при побудові схеми зі спільним витоком ефективно використовують автоматичне зміщення точки спокою в центр сток­затворної характеристики (або біля нього). Це обумовлено тим, що ПТ із керувальним p-n‑переходом мають «ліву» характеристику (полярності напруг на стоці та затворі не збігаються). Таку схему показано на рис.(5.3, б). Для розрахунку скористаємося типовими характеристиками транзистора з керувальним p-n‑переходом (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Типові характеристики ПТ з керувальним p-n‑переходом та n‑каналом: а – стокзатворна; б – вихідні;

Типові вхідні а та вихідні б характеристики ПТ з керувальним р-п переходом.

Розглянемо випадок, коли точка спокою знаходиться у точці А з координатами I_D = 15 мА і U_GS = –3,5 В. Тобто у схемі необхідно забезпечити напругу зміщення U_GS = –3,5 В. На стоці діє позитивна напруга, а тому за допомогою подільника напруги, як у схемах з БТ (див. рис. 4.12), в цьому випадку неможливо забезпечити таку напругу (-U_GS). Для цього потрібно: або підключити витік до загальної точки схеми (корпусу) і за допомогою додаткового джерела напруги подати на затвор –3,5 В, або зафіксувати на затворі U_GS = 0, а потенціал витоку підняти (збільшити) до U_S = +3,5 В. (У такий спосіб забезпечення –U_GS = 0 є ефективнішим, оскільки не потребує додаткового джерела живлення). У коло витоку вмикають резистор R_S (див. рис. 5.3, а), а нульовий потенціал затвора фіксують за допомогою високоомного резистора R_G , опір якого досягає сотень кілоомів – одиниць мегомів.

Опір резистора R_S визначають з урахуванням струму стоку в точці спокою так, щоб забезпечити формування необхідного зміщення:

R_S = = 5.5/15·10^-3 »330 Ом.

Наявність резистора в колі витоку зумовлює негативний зворотний зв’язок за струмом, що зменшує коефіцієнт передачі підсилювача для змінної складової інформаційного сигналу. Для запобігання цьому небажаному зв’язку паралельно резистору R_S вмикають конденсатор великої ємності C_S, який шунтує резистор у діапазоні робочих частот підсилювача.