5.2. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

Рассмотрим сначала работу полевого транзистора с управляющим р – nпереходом. Полевой транзистор с управляющимp–nпереходом представляет собой пластину из полупроводникового материала, имеющего электропроводность определенного типа, от которого сделаны два вывода – сток – исток рис.5.2. Вдоль пластины выполнен электрический переход (p-nпереход или барьер Шотки), от которого сделан третий вывод – затвор. Для включения транзистора напряжениеU_сиприкладывают так, чтобы между стоком и истоком протекал ток, а напряжение, приложенное к затвору, смещает его в обратном направлении (рис.5.3).

Сопротивление области сток – исток (канала) зависит от напряжения на затворе. Это обусловлено тем, что размеры перехода увеличиваются с повышением приложенного к нему отрицательного обратного напряжения на затворе. Это приводит к увеличению сопротивления канала. Таким образом, работа полевого транзистора с управляющимp–n- переходом основана на изменении сопротивления канала сток – исток за счет изменения обратного напряженияU_зи. НапряжениеU_зи, при котором ток стока достигает заданного низкого значения тока стока, называется напряжением отсечки полевого транзистора –U_{зи отс}.

Ширина p–nперехода, следовательно, и сопротивление канала зависит от тока, протекающего через канал. ЕслиU_си> 0, то ток стока, создает по длине канала падение напряжения, которое оказывается запирающим для перехода затвор – канал, это приводит к уменьшению проводимости канала (к увеличению сопротивления). По мере ростаU_ситок стока как функция напряжения сток – исток, все сильнее отклоняется от линейной. При определенном значении тока наступает режимнасыщения, который характеризуется, тем, что с увеличениемU_ситок стока (канала) увеличивается незначительно.

Напряжение, при котором наступает режим насыщения, называется напряжением насыщения.

Характеристики полевого транзистора с управляющим p–n– переходом показаны на рис.5.4.

Качественно характеристики полевого транзистора подобны характеристикам биполярного транзистора. При этом сток полевого транзистора соответствует коллектору, затвор - базе и исток – эмиттеру биполярного транзистора. Так как входной ток полевого транзистора практически равен 0, то входная характеристика не строится.

Из передаточной характеристики видно, что ток стока транзистора протекает при напряженииU_зи = 0. Такие транзисторы называются нормально-открытыми. Значение тока стока приU_зи = 0 называется начальным током стокаI_{C нач}. Его величина для маломощных полевых транзисторов может быть равнаI_{C нач}= 1, …, 50 мА. НапряжениеU_зине должно превосходить величины 0 В, т.к. в противном случаеp–nпереход между затвором и каналом смещается в прямом направлении, и транзистор будет потреблять большой входной ток, при этом теряется основное преимущество полевого транзистора – возможность управления напряжением, а не током.

Напряжение U_зи, при котором ток стока достигает заданного низкого значения, называетсянапряжением отсечки полевого транзистора. Дляn– канальных транзисторов напряжение отсечки отрицательное, а дляp– канальных положительное. Величина напряжения отсечки составляет |U_отс| = 0,5 … 5 В.

В выходных характеристиках полевого транзистора можно выделить три области.

Область I– крутая область – может использоваться как омическое управляемое сопротивление. При этом напряжение между стоком и истоком относительно мало.

Область IIназывается пологой или областью насыщения. В усилительных каскадах транзистор работает на пологом (в области насыщения) участке характеристик. ВIIIобласти происходит пробой транзистора.

Как уже отмечалось, напряжение, при котором наступает режим насыщения, называется напряжением насыщения. Как видно из выходных характеристик, напряжение насыщения меняется при изменении напряжения U_зи. Так как влияниеU_зииU_сина ширину канала у стокового вывода практически одинаково, тоU_{си нас}приU_зи= 0 равно |U_отс| и

U_{си нас}= |U_{зи отс}| - |U_зи|.

Другими словами, напряжения насыщения транзистора можно получить путем наложения передаточной характеристики на выходные характеристики и смещая U_отсв начало координат.

При работе в пологой области передаточная характеристика полевого транзистора, представленная на рис.5.4 и может быть описана уравнением

,

(5.1)

где I_{c нач}– начальный ток стока.

Так как управление полевым транзистором осуществляется напряжением на затворе, то для количественной оценки управляющего действия затвора используют крутизну характеристики

приU_си=const.

Продифференцировав выражение (5.1) получим формулу для вычисления крутизны транзистора

,

(5.2)

Максимальное значение крутизны транзистора достигается при U_зи= 0

,

(5.3)

Максимальная крутизна полевого транзистора составляет S_max= 2, …, 20 мА/В.

Можно отметить, что при равных токах стока полевого и коллектора биполярного транзисторов крутизна полевого транзистора существенно ниже, чем биполярного.