Вопрос 41

Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом. Выходные, входные и передаточные характеристики. Эффект модуляции длины канала.

 

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом

В качестве статических характеристик ПТ представляются функциональные зависимости между токами и напряжениями, прикладываемыми к их электродам: входная характеристика IЗ = f(UЗИ) при UСИ = const; характеристикаобратной связи I3=f(UСИ) при UЗИ = const; характеристика прямой передачи IС=f(UЗИ) при UСИ = const; выходная характеристика IС = f(UСИ) при UЗИ = const.

На практике широко используются лишь две последние характеристики, причем первую из них часто называют передаточной характеристикой.

Входная характеристика и характеристика обратной связи применяется редко, так как в абсолютном большинстве случаев входные токи ПТ пренебрежимо малы (от 10-8 до 10-12 А) по сравнению с токами, протекающими через элементы, подключенные ко  входу.

На рисунке 4.2, а изображена характеристика прямой передачи IС =f(UЗИ).

а)	б)
Рис. 4.2. Характеристики прямой передачи (а) и выходные (б) ПТ с управляющим p-n переходом.

При напряжениях на стоке UСИ > UЗИ0 характеристика прямой передачи хорошо описывается формулой

    ,                                               (4.1)

где IС0 – ток стока при UЗИ=0.

На рисунке 4.2, б изображено семейство статических выходных характеристик IС =f(UСИ) при различных значениях напряжения затвора  UЗИ. Каждая характеристика имеет три участка - омический (для  UСИ < UЗИ0-  UЗИ), насыщения (для UСИ > UЗИ0 - UЗИ) и пробоя. При UЗИ = 0 с увеличением напряже­ния UС ток IС вначале нарастает почти линейно, однако далее характеристика перестает подчиняться линейному закону; ток IС начинает расти медленнее, ибо его увеличение приводит к повышению падения напряжения в канале и потенциала вдоль канала. Вследствие этого увеличиваются толщина запирающего слоя и сопротивление канала в области, прилегающей к стоку,  это приводит к замедлению возрастания самого тока IС. При напряжении насыщения UСИ = UЗИ0 сечение канала вблизи стока приближается к нулю и рост IС прекращается.

В омической области UCИ < |UЗИ0 - UЗИ|  ток стока определяется формулой                          

,                            (4.2)                         

где КПТ – постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транзистора и свойства материала, из которого он изготовлен.

Значение КПТ можно выразить через параметры ПТ. Например, в случае ПТ с p-n-переходом

                                                  (4.3)

Следующая характеристика, снятая при некотором обратном напряжении затвора UЗИ1, когда запирающий слой имеет большую толщину при тех же значениях UСИ, будет более пологой на начальном участке и насыщение наступит при меньших значениях UСИ1=UЗИ0 -UЗИ1.

При больших напряжениях на стоке наблюдается резкое увеличение IС, и, если мощность рассеивания на стоке превышает допустимую, то происходит необратимый пробой участка затвор-сток. При увеличении запирающего напряжения до UЗИ2 увеличивается разность потенциалов между затвором и стоком. В этом случае пробой наблюдается при меньшем напряжении UСИ на величину напряжения UЗИ2, т.е. UСИ2 = UСИ1- UЗИ2.

Если к p-n-переходу затвор-канал прикладывать прямое напряжение, то обедненный слой уменьшается и эффективная толщина проводящего канала увеличивается. Выходной ток в данном случае возрастает. Однако при определенных значениях отпирающего напряжения (превышающих 0,6 В для кремниевых приборов) возникают существенные прямые токи перехода затвор-канал, ток стока и входное сопротивление прибора в этом случае резко падают. Из-за этого в большинстве случаев применения ПТ работа с прямыми токами затвора нежелательна. Поэтому обычно транзисторы с p-n-переходом используют при запирающих входных напряжениях.

Температурная зависимость тока истока связана с изменением подвижности основных носителей, заряда в материале канала. Для кремниевых транзисторов крутизна S уменьшается с увеличе­нием температуры. Кроме того, с повышением температуры увели­чивается собственная проводимость полупроводника, возрастает входной ток IЗ черед переход и, следовательно, уменьшается RВХ. У полевых кремниевых транзисторов с p-n переходом при комнатной температуре ток затвора порядка 1 нА. При увеличении температуры ток удваивается на каждые 10°С.

О собенность полевых транзисторов заключается в наличии у них термостабильной точки (ТСТ), т. е. точки, в которой ток стока прак­тически постоянен при различных температурах (рисунок 4.3). Это объясняется следующим образом. При повышении температуры из-за уменьшения подвижности носителе удельная проводимость канала уменьшается, а, следовательно, уменьшается и ток стока. Одновременно сокращается ширина p-n перехода, расширяется проводящая часть канала и увеличивается ток. Первое сказывается при больших токах стока, второе при малых. Эти два противоположных процесса при определенном выборе рабочей точки мо­гут взаимно компенсироваться. При правильном ее положения основной причиной дрейфа тока стока может быть высокоомный резистор в цепи затвора, в зависимости от температуры будет из­меняться падение   напряжения на нём и потенциал на затворе, которое изменит рабочий ток стока.

Полевые транзисторы с p-n переходом целесообразно приме­нять во входных устройствах усилителей при работе от высокоомного источника сигнала, в чувствительной по току измерительной аппаратуре, импульсных схемах, регуляторах уровня сигнала и т. п.

эффект модуляции длинны канала Начиная с напряжения Uси = Uзи.отс в транзисторе будет наблюдаться режим насыщения.  Этот эффект называют эффектом модуляции длины канала.  42 вопрос

Дифференциальные параметры полевых транзисторов с управляющим p-n переходом. Температурные зависимости параметры полевого транзистора.

Величины, связывающие малые приращения токов и напряжений называются дифференциальными параметрами. Критерием малости изменений токов и напряжений является линейность связи между ними, следовательно, дифференциальные параметры не зависят от амплитуды переменных составляющих токов и напряжений. Поэтому, ко- гда транзистор работает в линейном режиме, для расчетов удобнее пользоваться не ха- рактеристиками, а параметрами. Представим транзистор в виде четырехполюсника, на входе которого действуют ток Đ 1 и напряжение Ú1 , а на выходе ток Đ 2 и напряжение Ú2 (Рис.7)

Температурная зависимость характеристик полевых транзисторов. Ранее было отмечено, что усилительные свойства полевых транзисторов (ПТ) связаны с процессом перемещения основных для полупроводника носителей заряда, т.е. ток ПТ определяется концентрацией основных носителей. Однако известно, что концентрация основных носителей в полупроводнике почти не зависит от температуры. Поэтому и свойства ПТ слабо изменяются с изменением температуры.

Основными параметрами полевых транзисторов, зависящими от -температуры, являются:

- напряжение отсечки;

- пороговое напряжение.

Для любого типа ПТ существует такое значение тока стока, при котором его величина не зависит от температуры.

Это объясняется действием в этом приборе двух противоположных механизмов. Так, для полевого транзистора с управляющим p-n-переходом при повышении температуры окружающей среды растет собственное сопротивление полупроводникового материала, что приводит как к непосредственному уменьшению тока стока, так и к дополнительному подзапиранию p-n-перехода из-за наличия составляющей падения напряжения на канале. Указанные причины при увеличении температуры ведут к уменьшению тока стока. Этот эффект особенно сильно проявляется при больших токах стока. Однако увеличение температуры ведет к уменьшению толщины p-n-перехода, что расширяет канал. Последнее вызывает увеличение тока стока, что особенно заметно при малых его значениях. Поэтому при некоторых значениях тока стока оба фактора компенсируют друг друга и величина тока стока не зависит от изменения температуры.

Для МДП транзистора с увеличением температуры также характерно уменьшение тока стока, что объясняется ростом собственного сопротивления полупроводника. В то же время увеличение температуры ведет к увеличению числа пар электрон — дырка в канале, т.е. к увеличению концентрации носителей заряда. Естественно, это вызывает рост тока стока, особенно при небольших его собственных значениях. Следовательно, и в МДП транзисторе существуют две противоположные тенденции, степень проявления которых зависит от абсолютной величины тока стока.

Важно отметить еще одну особенность полевых транзисторов. В режиме больших токов стока повышение температуры окружающей среды приводит к уменьшению тока Iс, т.е. в приборе отсутствует положительная обратная связь по температуре, присущая биполярным транзисторам. Увеличение температуры автоматически приводит к снижению мощности, рассеивающейся в ПТ. Таким образом, ПТ менее склонны к тепловому пробою, чем биполярные.

Из четырех переменных, характеризующих четырехполюсник, только две являют- ся независимыми. В зависимости от того, какие из них приняты за независимые получа- ются различные системы дифференциальных параметров. На практике наиболее часто используются три системы параметров: Y, Z, H. В системе Y-параметров за независимые принимаются напряжения U1 и U2, токи I1, I2 являются функциями этих величин, в систе- ме Z-параметров за независимые принимаются I1 и I2, U1, и U2 являются их функциями. В системе H-параметров за независимые переменные приняты входной ток I1 и выходное напряжение U2 Эту систему называют также смешанной или гибридной, так как H- параметры имеют различную размерность. Дифференциальные параметры несложно пересчитать из одной системы в другую. Выбор конкретной системы определяется удобством измерения. Систему H – параметров используют на низких частотах (обозначают строчной буквой h), когда пренебрежимо малы емкостные составляющие токов. Необходимые для измерения h-параметров режи- мы короткого замыкания выхода и холостого хода входа для переменной составляющей тока могут быть осуществлены на низких частотах сравнительно просто вследствие ма- лого входного и большого выходного сопротивления транзистора. Поэтому в техниче- ских условиях и справочниках по транзисторам низкочастотные параметры приводятся в этой системе.