10.2. Характеристики и параметры полевых транзисторов с управляющимpn-переходом

В качестве статических характеристик полевых транзисторов используются функциональные зависимости между токами и напряжениями, прикладываемыми к их электродам:

- входная характеристика при;

- характеристика обратной передачи при;

- характеристика прямой передачи при;

- выходная характеристика при.

На практике используются лишь две последние характеристики. Входная характеристика и характеристика обратной передачи используются редко, так как в абсолютном большинстве случаев применения входные токи полевых транзисторов (10^-8. . . 10^-12А) пренебрежимо малы по сравнению с токами, протекающими через элементы, подключенные к их входам.

Основные параметры могут быть получены из семейства выходных характеристик, называемых стоковыми. Поэтому они заслуживают более подробного рассмотрения.

Для их получения рассмотрим работу полевого транзистора с управляющим pn-переходом и каналомn-типа, включенного по схеме с общим истоком (рис. 10.4).

структура	схема включения
Рис. 10.4

Рассмотрим вначале характер одной зависимости при.

Поскольку между истоком и стоком включен источник напряжения такой полярности, что потенциал стока положителен относительно потенциала истока, через канал происходит дрейф основных носителей заряда (для каналаn- типа – электронов) от истока к стоку. Таким образом, через канал будет протекать ток. Характеристика выходит из начала координат под углом, соответствующим начальному статическому сопротивлению канала.

Потенциал канала меняется по его длине : потенциал истока равен нулю, в сторону стока он растет, достигая у стока величины. Напряжение смещения наpn- переходах, отделяющих канал от областейp- типа соответственно у истока равно, а далее растет и вблизи стока достигает величины.Таким образом, из-за наличияи конечной длиныканала, толщинаpn- перехода различна по длине канала, в связи с чем меняется и поперечное сечение канала, уменьшаясь от истока к стоку (рис. 10.5).

Рис. 10.5

Сказанное объясняет почти линейный рост тока с постепенным замедлением роста по мере увеличения. Этот участок называется крутой частью вольтамперной характеристики. При некотором напряжении на стоке, называемом напряжением насыщения, происходит перекрытие канала из-за увеличения толщиныpn- перехода затвора. Ток стока приназывается начальным током стока.

Следует учитывать условность понятия «перекрытие канала» при увеличении напряжения на стоке и неизменном напряжении на затворе относительно истока, так как перекрытие канала является при указанных условиях следствием увеличения тока стока. Таким образом, можно считать, что в результате увеличения тока стока или напряжения на стоке автоматически устанавливается некое малое сечение канала со стороны стокового электрода.

При дальнейшем увеличении напряжения на стоке увеличивается длина перекрытой части канала и растет статическое сопротивление канала. Если бы длина перекрытой части канала увеличивалась пропорционально напряжению на стоке, то ток стока не изменялся бы при напряжениях на стоке, превышающих напряжение насыщения. Однако длина перекрытой части канала увеличивается из-за увеличения толщиныpn-перехода с ростом напряжения на стоке, а толщинаpn-перехода пропорциональна либо корню квадратному, либо корню кубическому из напряжения. Поэтому в этой части характеристики наблюдается некоторое увеличение тока стока при увеличении напряжения на стоке. Этот участок называется пологой частью вольтамперной характеристики.

Наконец, при больших напряжениях на стоке может возникнуть пробой pn-перехода затвора.

Статическая характеристика при, построенная в соответствии со сказанным приведена на рис. 10.6.

Рассмотрим далее смещение и изменение статических характеристик с изменением напряжения на затворе.

	При подаче на затвор напряжения такой полярности относительно истока, которая соответствует обратному смещению pn-перехода затвора, и при увеличении этого напряжения по абсолютному значению уменьшается начальное поперечное сечение канала.
Рис. 10.6

Поэтому начальные участки выходных статических характеристик при напряжениях на затворе имеют другой наклон, соответствующий большим начальным статическим сопротивлениям канала.

При меньших начальных поперечных сечениях перекрытие канала из-за увеличения напряжения на стоке происходит при меньших напряжениях насыщения.

Напряжение, приложенное к pn-переходу затвора у стокового конца канала, является суммой напряжений на стоке и на затворе. Таким образом, пробой транзистора может происходить при разных напряжениях на стоке в зависимости от напряжения на затворе. Чем больше по абсолютной величине напряжение на затворе, тем меньше напряжение на стоке, при котором произойдет пробойpn- перехода затвора. Поскольку полевые транзисторы делают на основе кремния, то пробой таких транзисторов носит лавинный характер.

Построенное в соответствии со сказанным семейство выходных статических характеристик приведено на рис. 10.6.

Геометрическое место граничных точек, разделяющих выходные вольтамперные характеристики на крутую и пологую части, представляет собой параболу (штриховая кривая на рис. 10.6). Область, лежащая правее этой кривой является рабочей областью выходных характеристик для активных линейных (усилительных) устройств, где транзистор ведет себя как управляемый источник тока.

Обратное напряжение смещения наpn- переходе, при котором наступает перекрытие канала () и транзистор оказывается закрытым (режим отсечки), ток через него не протекает, называется напряжением отсечки.

Статические характеристики передачи полевого транзистора представляют собой зависимости тока стока от напряжения на затворе при различных постоянных напряжениях на стоке. Таким образом, они являются управляющими стоко - затворными характеристиками. Так как основным рабочим режимом полевых транзисторов является режим насыщения тока стока, что соответствует пологим участкам выходных характеристик (рис. 10.6), то наибольший интерес представляет зависимость тока насыщения от напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке. Характер этой зависимости (рис. 10.7) ясен из принципа действия полевого транзистора с управляющимpn-переходом.

	При изменении напряжения на стоке смещением характеристик передачи практически можно пренебречь в связи с малым изменением тока в пологой части выходных характеристик. По статической характеристике передачи можно определить еще один из основных
Рис. 10.7

параметров полевого транзистора, характеризующий его усилительные свойства, - крутизну характеристики передачи полевого транзистора , которая представляет собой отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком:. Пользуясь характеристикой передачи, крутизну можно определить по касательной в точке А (рис. 10.7). Крутизна характеристики полевого транзистора составляет обычно несколько (от 0,2 до 10) миллиампер на вольт.

Анализ статических характеристик полевых транзисторов показывает, что они могут быть использованы как:

- усилительные элементы – усилители тока, управляемые напряжением;

- нелинейные сопротивления, а на крутом участке вольтамперной характеристики как линейные сопротивления;

- ключи, поскольку есть участок с и участок (режим отсечки) с.

По статическим характеристикам могут быть определены следующие основные параметры полевого транзистора с управляющим переходом.

1. - напряжение отсечки.

2. - максимальное значение тока стока прии.

3. - крутизна характеристики передачи.

4. - внутреннее (выходное) сопротивление – сопротивление между стоком и истоком (сопротивление канала) для переменного тока, определяемое как. Это сопротивление на крутом участке выходной вольтамперной характеристики имеет величину 75 . . . 200 Ом, а на пологом участке – 10³. . 10⁵Ом, что во много раз больше сопротивления транзистора постоянному току.

5. - коэффициент усиления по напряжению, который показывает во сколько раз сильнее действует на изменение тока стокаизменение напряжения на затворе, чем изменение напряжения на стоке. Он определяется в соответствии с выражением.выражается отношением таких измененийи, которые компенсируют друг друга по действию на величину, в результате чего токостается практически постоянным. Так как для подобной компенсацииидолжны иметь разные знаки (например, увеличениедолжно компенсироваться уменьшением), то в правой части формулы стоит знак «минус». Для пологих участков выходных вольтамперных характеристикдостигает сотен и тысяч. Коэффициент усиления по напряжению связан с крутизной и выходным сопротивлением простой зависимостью.

6. - входное сопротивление для переменного тока, определяемое как. Поскольку входной ток- обратный токpn-перехода, который очень мал, величиналежит в диапазоне 10⁶. . . 10⁸Ом.

7. - входная емкость между затвором и истоком, которая является барьерной емкостьюpn-перехода и составляет единицы пикофарад;- проходная емкость, расположенная между затвором и стоком и составляющая 0,1 . . . 20 пикофарад. Емкость каналаобычно не учитывается.

Полевые транзисторы, как и биполярные, характеризуются эксплуатационными параметрами, предельные значения которых указывают на возможности их практического применения.

При работе в качестве усилительных приборов используются рабочие области характеристик полевых транзисторов, показанные на рис. 10.8.

	Для рассматриваемых транзисторов величины этих параметров имеют следующие значения: - до 200 мВт для маломощных и до 10,75 Вт для мощных транзисторов;- от долей мА до десятков А;- от десятков до сотен В;- единицы В.
Рис. 10.8

Кроме этих электрических параметров определяется температурный диапазон от – 60⁰С до +125⁰С. Следует отметить, что влияние температуры отличается от наблюдаемого в биполярных транзисторах. У полевых транзисторов с управляющим переходом с ростом температуры уменьшается контактная разность потенциалов, что способствует увеличению тока стока. Одновременно с повышением температуры уменьшается подвижность носителей в канале, что приводит к уменьшению тока стока. При определенном напряжениивлияние изменения контактной разности потенциалов и изменения подвижности носителей в канале на ток стокаоказываются одинаковыми. В этом случае у полевых транзисторов с управляющим переходом наблюдается точка температурной стабильности (тс) тока стока.

Указанное свойство иллюстрируется рис. 10.9, где приведены входные характеристики при различных температурах.
	Рис. 10.9

Из этого же рисунка видно резкое изменение входной характеристики при изменении температуры.

Частотные свойства полевых транзисторов с управляющим pn-переходом характеризуются частотойили- частотой, на которой крутизнахарактеристики передачи тока уменьшается по сравнению с крутизной в области низких частот враз. При передаче импульсных сигналов полевой транзистор ведет себя как инерционное звено. Инерционные свойства полевого транзистора в основном обусловлены процессами заряда и разряда входной емкости, поэтому, где. С учетом этого частотную характеристику крутизны, т.е. зависимость крутизны от частоты можно представить в следующей форме:или в операторном виде, откуда следуют аналитические выражения для амплитудно-частотной характеристикии фазочастотной характеристикикрутизны. Их графическое изображение приведено на рис. 10.10.

	Пользуясь операторным представлением частотной характеристики крутизны можно записать выражение для переходной характеристики.
Рис. 10.10

Вид переходной характеристики позволяет изобразить (рис. 10.11) реакцию транзистора на воздействие прямоугольного импульса на входе, где.
	Рис. 10.11

Различают линейные и нелинейные модели полевых транзисторов. Линейные модели используются для анализа работы транзистора усилительном режиме и могут быть физическими и четырехполюсными.

Физическая схема замещения полевых транзисторов при малых сигналах (рис. 10.12) отражает их работу на пологой части характеристик, т.е. там, где наступает насыщение тока стока, и справедлива до частот порядка 20 мегагерц.
	Рис. 10.12

Сопротивления R_ИиR_Спредставляют собой объемные сопротивления кристалла полупроводника на участках между концами канала и контактами истока и стока соответственно. Эти сопротивления зависят от конструкции транзистора и технологии его изготовления. Общее для входной и выходной цепи сопротивлениеR_Иявляется сопротивлением внутренней обратной связи в полевом транзисторе, включенном по схеме с общим истоком. Падение напряжения на этом сопротивлении при прохождении тока стока оказывается обратным дляpn-перехода. В свою очередь, увеличение обратного напряжения наpn-переходе затвора транзистора приводит к уменьшению тока стока. На низких частотах влиянием сопротивленийR_ИиR_Сможно пренебречь по сравнению с большим дифференциальным сопротивлением каналаr_iи обычно большим сопротивлением нагрузки в цепи стока. ЕмкостиС_ЗИиС_ЗС, сопротивленияr_ЗИ,r_ЗСзамещают в этой эквивалентной схемеpn-переход с его барьерной емкостью и большим активным дифференциальным сопротивлением при обратном смещении. Источник тока, включенный параллельно сопротивлению каналаr_i, отражает усилительные свойства транзистора. Ток источника пропорционален входному напряжению, коэффициентом пропорциональности является крутизнаSхарактеристики передачи.

Так как в большинстве практических применений можно считать r_ЗИ,r_ЗС бесконечно большими, аR_И,R_С– сопротивления пассивных областей истока и стока – достаточно малыми по сравнению с сопротивлением внешних элементов, то применяют упрощенную схему замещения (рис.10.13а). А при анализе устройств, работающих в диапазоне низких и особенно звуковых частот, пренебрегают влиянием небольших емкостей и используют низкочастотную модель (рис. 10.13б).

а	б
Рис. 10.13

Полевой транзистор может использоваться в трех схемах включения: с общим истоком; с общим стоком; с общим затвором, когда указанный в названии электрод является общим для входной и выходной цепи (рис. 10.14).

с общим истоком	с общим стоком	с общим затвором
Рис. 10.14

Так как для расчета электронных схем, содержащих транзисторы, широко используют метод узловых напряжений, то удобнее всего дифференциальные параметры транзистора описывать с помощью линейного четырехполюсника (рис. 10.15).
	Рис. 10.15

Поскольку входные и выходные сопротивления полевых транзисторов велики, то удобнее измерять и задавать комплексные параметры проводимостей его формальной эквивалентной схемы, т.е. описывать его в системе - параметров:

(10.1)

где

- входная проводимость;

- выходная проводимость;

- передаточная проводимость с входа на выход;

- передаточная проводимость с выхода на вход, отражающая обратную связь.

Для приведенных величин равенство нулю Ú₁илиÚ₂означает, что измерение соответствующего параметра производится в режиме короткого замыкания по переменному току (постоянные токи через выводы транзистора равны статическим значениям).

В системе уравнений (10.1) все индексы определяются схемой включения транзистора. Для схемы с общим истоком I₁ = I_З,I₂ = I_С,U₁ = U_ЗИ,U₂=U_СИ. ВсеY-параметры записываются с индексом «И», например:Y_21И– передаточная проводимость от затвора к стоку в схеме с общим истоком.

Схемная интерпретация соотношений (10.1), приведенная на рис. 10.16а и 10.16б, позволяет сделать вывод, что полевой транзистор представляет собой источник тока, управляемый напряжением.

а	б
Рис. 10.16

Сравнение физической схемы замещения полевого транзистора (рис. 10.13б) со схемой четырехполюсника, описываемого Y-параметрами (рис. 10.16б), показывает их идентичность приY₂₁ = S,Y₂₂ = (r_i)^-1.

При анализе на ЭВМ используется нелинейная математическая модель, достаточно хорошо аппроксимирующая выходную характеристику полевого транзистора с управляющим p-n-переходом иn-каналом:

(10.2)

где В – удельная крутизна транзистора, которая причисленно равна крутизне. Максимальное значение крутизны.