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 I_З = f(U_ЗИ) при U_СИ = const; характеристикаобратной связи I₃=f(U_СИ) при U_ЗИ = const; характеристика прямой передачи I_С=f(U_ЗИ) при U_СИ = const; выходнаяхарактеристика I_С = f(U_СИ) при U_ЗИ = 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 I_С =f(U_ЗИ).

При напряжениях на стоке U_СИ > U_ЗИ0 характеристика прямой передачи хорошо описывается формулой

, (4.1)

где I_С0 – ток стока при U_ЗИ=0.

На рисунке 4.2, б изображено семейство статических выходных характеристик I_С =f(U_СИ) при различных значениях напряжения затвора U_ЗИ. Каждая характеристика имеет три участка - омический (для U_СИ < U_ЗИ0- U_ЗИ), насыщения (для U_СИ > U_ЗИ0 - U_ЗИ) и пробоя. При U_ЗИ = 0 с увеличением напряже­ния U_С ток I_С вначале нарастает почти линейно, однако далее характеристика перестает подчиняться линейному закону; ток I_С 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 I_С. При напряжении насыщения U_СИ = U_ЗИ0 сечение канала вблизи стока приближается к нулю и рост I_С прекращается.

В омической области U_CИ < |U_ЗИ0 - U_ЗИ| ток стока определяется формулой

, (4.2)

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

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

(4.3)

Следующая характеристика, снятая при некотором обратном напряжении затвора U_ЗИ1, когда запирающий слой имеет большую толщину при тех же значениях U_СИ, будет более пологой на начальном участке и насыщение наступит при меньших значениях U_СИ1=U_ЗИ0 -U_ЗИ1.

При больших напряжениях на стоке наблюдается резкое увеличение I_С, и, если мощность рассеивания на стоке превышает допустимую, то происходит необратимый пробой участка затвор-сток. При увеличении запирающего напряжения до U_ЗИ2 увеличивается разность потенциалов между затвором и стоком. В этом случае пробой наблюдается при меньшем напряжении U_СИ на величину напряжения U_ЗИ2, т.е. U_СИ2 = U_СИ1- U_ЗИ2.

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 I_З черед переход и, следовательно, уменьшается R_ВХ. 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.

Особенность 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.