Статические характеристики

Важнейшими для полевых транзисторов являются семейства выходных статических характеристик и семейство статических характеристик передачи (сток – затворные характеристики).

Выходные статические характеристики ПТУП – это зависимость тока от напряжения сток – исток при различных постоянных напряжениях на затворе .

(2.6)

Начнем с характеристики при (рис. 6).

Напряжение только при коротком замыкании истока и затвора. Характеристика выходит из начала координат под углом, определяемым начальным сопротивлением канала и сопротивлениями _И и участков полупроводника от истока и стока до начальной и конечной точек канала (x = 0 и x = 1 на рис. 5, а)

Первую часть характеристики называют крутой частью, и зависимость тока уже обсуждалась (область < ). Часть характеристики при > называют пологой частью или участком насыщения.

Отметим еще раз условность термина “перекрытие” канала. Как мы видели сужение канала при и при увеличении является следствием роста тока стока. Если исчезнет ток, то не будет и перекрытия. Поэтому можно считать, что с ростом тока стока (или ) автоматически устанавливается некоторое минимальное сечение канала со стороны стокового электрода. При дальнейшем росте увеличивается длина этого суженного участка канала и растет статическое сопротивление канала, поэтому ток стока остается практически неизменным.

При подаче на затвор обратного напряжения уменьшается начальное поперечное сечение канала, т.е. сопротивление канала возрастает. Поэтому и наклон начальных участков ВАХ при уменьшается, что соответствует большему начальному сопротивлению канала.

При меньших начальных сечениях перекрытие канала из – за роста напряжения на стоке наступает при меньших значениях .

При больших напряжениях на стоке может возникать пробой p – n перехода затвора. Обратное напряжение на p – n переходе максимально у стокового конца канала и равно . Поэтому пробой p – n перехода происходит при разных напряжениях на стоке , зависящих от величины . Чем больше , тем меньше . Этот процесс соответствует третьей части ВАХ на рис.6, соответствующей быстрому росту тока стока . Большинство полевых транзисторов кремниевые , поэтому пробой в них носит лавинный характер.

Сток – затворные или характеристики передачи ПТУП представляют зависимость тока стока от напряжения на затворе при различных постоянных напряжениях на стоке . Так как основным рабочим режимом является режим насыщения тока стока, то наибольшее значение имеет зависимость

(2.7)

Характер этой зависимости ясен из принципа работы транзистора: с ростом ток стока уменьшается. Изменение напряжения на стоке весьма незначительно изменяет положение характеристики передачи из – за малого изменения тока стока в пологой части ВАХ.

Напряжение ПТУП, при котором ток стока достигает заданного низкого значения, называется напряжением отсечки транзистора .

По статической характеристике передачи можно определить еще один важный параметр полевого транзистора, характеризующий его усилительные свойства – крутизну характеристикиполевого транзистора , равную отношению приращения тока стока к приращению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком

(2.8)

Получим аналитическое выражение выходных статических характеристик ПТУП. Пренебрегая объемными сопротивлениями участков кристалла между истоком, стоком и границами канала, обозначенными и , рабочую часть транзистора можно упрощенно изобразить в виде рис.8.

Плотность тока в кристалле

(2.9)

где: - удельная проводимость канала; - потенциал точки в канале; Е – напряженность электрического поля.

В первом приближении не учитываем зависимость удельной проводимости от напряженности электрического поля, т.е. не учитываем изменение подвижности носителей заряда. Плотность тока в канале изменяется по его длине, т.к. изменяется сечение канала и напряженность поля.

Ток в канале транзистора, одинаковый по всему каналу,

, (2.10)

где: b – ширина канала.

Толщина канала (2.4) в обозначениях, принятых на рис.8, запишется:

(2.11)

Подставив (2.11) в (2.10) для модуля тока стока получим:

(2.12)

Решив это дифференциальное уравнение с граничными условиями: , ; , получим уравнение выходной характеристики:

(2.13)

где: - сопротивление участка сток – исток в открытом состоянии, т.е. при и малом напряжении на стоке < .

Из (2.13) можно найти ток насыщения полевого транзистора. Как отмечалось, перекрытие канала наступает при напряжении , поэтому режим насыщения наступит при условии

,

или при напряжении на стоке

. (2.14)

Если в (2.13) заменить на и на по (2.14), то получим связь между током и напряжением насыщения

(2.15)

На рис.6 штриховая кривая показывает эту зависимость .

Важно знать и зависимость тока насыщения от напряжения на затворе, т.е. сток – затворную характеристику. Она получается из выражения (2.13), если в него подставить из (2.14)

(2.16)

Дифференцируя (2.16) по , получаем крутизну характеристики

(2.17)

Анализ соотношения (2.17) позволяет сделать некоторые выводы:

1. Для увеличения крутизны характеристики следует уменьшить сопротивление , т.е. повышать удельную проводимость . Этого можно добиться увеличением концентрации примеси в канале. С другой стороны, концентрация примеси (и носителей) в канале должна быть много меньше, чем в n – областях p – n переходов, чтобы при увеличении обратного напряжения ОПЗ распространялась преимущественно в область канала. Поэтому для повышения проводимости канала выбирают материал с большей подвижностью носителей, сохраняя невысокую их концентрацию.

2. Значение крутизны зависит от отношения ширины канала к его длине . Увеличение отношения позволяет повысить крутизну характеристики и ток насыщения ПТУП.

3. Повысить крутизну можно увеличением толщины канала . Но в этом случае резко возрастут напряжения отсечки и граничное ( и ), определяющие выход ПТУП в режим насыщения – основной рабочий режим ПТУП. Напряжение отсечки должно быть малым, поэтому толщину канала делают небольшой, хотя это и снижает крутизну характеристики ПТУП.