Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.

Полевой транзистор, как и биполярный, является активным четырехполюсником и также имеет три электрода. Следовательно, возможны три схемы включения полевого транзистора: 1) с общим истоком – ОИ; 2) с общим затвором – ОЗ; 3) с общим стоком – ОС. Рассмотрим характеристики чаще применяемой схемы с общим истоком.

Рис. 3. Выходная (стоковая) характеристика полевого транзистора с каналом n-типа

Выходные (стоковые) характеристики.

Выходной (стоковой) характеристикой полевого транзистора называется графически выраженная зависимость I_с=f(U_cи) при U_зи=const (рис.3).

Они показывают, что с увеличением u_си ток i_c сначала растет довольно быстро, а затем это нарастание замедляется и почти совсем прекращается, т.е. наступает явление, напоминающее насыщение. Это объясняется тем, что при повышении u_си ток должен увеличиваться, но т.к. одновременно повышается обратное напряжение на p-n-переходе, то запирающий слой расширяется, канал сужается, т.е. его сопротивление растет, и за счет этого ток i_c должен уменьшиться. Таким образом, два взаимно противоположных воздействия имеют место на ток, который в результате остается почти постоянным.

При подаче большого по абсолютному значению отрицательного напряжения на затвор ток i_c уменьшается, и характеристика проходит ниже. Повышение напряжения стока в конце концов приводит к электрическому пробою p-n-перехода, и ток стока начинает лавинообразно нарастать, что показано на рис.3 штриховыми линиями. Напряжение пробоя является одним из предельных параметров полевого транзистора.

Работа транзистора обычно происходит на пологих участках характеристик, т.е. в области, которую часто не совсем удачно называют областью насыщения. Напряжение, при котором начинается эта область, иногда называют напряжением насыщения, а запирающее напряжение затвора иначе еще называется напряжением отсечки.

Передаточная (стоко-затворная) характеристика.

Рис. 4. Передаточные характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Передаточной характеристикой полевого транзистора называется графически выраженная зависимость I_c=f(U_зи) при U_си=const (рис.4). При U_зи=0 ток I_c достигает максимального значения, т.к. в данном случае ширина канала максимальна, а сопротивление минимально. С ростом U_обр при неизменном U_си уменьшается ток I_c.

При U_зи=U_{зи отс} канал перекрывается, ток I_c становится близким к нулю. Однако при этом в цепи течет незначительный ток неосновных носителей заряда. При тех же значения напряжения U_зи, но разных напряжениях U_си ток I_c меняется мало, что объясняется тем, что напряжения U_си берутся при насыщении тока I_c.

Таким образом, передаточная характеристика определяет эффективность управления током I_c с помощью изменения входного напряжения U_зи. В то время как в режиме насыщения большие изменения напряжения U_си почти не влияют на изменение тока I_c, даже незначительные изменения напряжения U_зи вызывают большое изменение этого же тока I_с. В отличие от биполярных транзисторов входные характеристики I_вх=f(U_вх) при U_вых=const не представляют особого интереса, т.к. входной ток, который является током неосновных носителей заряда, очень мал и при изменении U_зи практически не меняется.

Влияние температуры на работу полевого транзистора.

Рассмотрим влияние температуры на сопротивление канала.

При увеличении температуры уменьшается потенциальный барьер и ширина p-n-перехода, в результате ширина канала увеличивается, сопротивление канала уменьшается. В то же время при возрастании температуры уменьшается подвижность основных носителей в канале, что приводит к увеличению сопротивления канала. Таким образом, оба фактора оказывают противоположное влияние на изменение сопротивления канала и, следовательно, на изменение тока I_c при изменении температуры. На рис.5 показано влияние температуры на передаточные характеристики. Здесь видно, что при U_{зи опт} ток стока I_с не меняется при изменении температуры.

Рис. 5. Влияние температуры на работу полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

При |U_зи|>|U_{зи опт}| I_c растет с увеличением температуры, что говорит о том, что влияние уменьшения потенциального барьера и расширения канала при этом является преобладающим.

При |U_зи|<|U_{зи опт}| преобладающим фактором становится уменьшения подвижности носителей зарядов при росте температуры. Таким образом, при больших токах в полевых транзисторах получается уменьшение тока с ростом температуры.

Следует помнить, что в биполярных транзисторах наблюдается другая картина. При увеличении температуры I_к увеличивается и при больших мощностях, вызывающих неизбежное увеличение температуры, очень трудно обеспечить его термоустойчивую работу. В этом отношении полевой транзистор выгодно отличается от биполярного, что является еще одним его достоинством.

Параметры полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом.

Полевой транзистор характеризуется следующими параметрами.

1) Основной параметр – крутизна S, аналогичная параметру y₂₁ биполярных транзисторов. Крутизна определяется по формуле:

Она может достигать нескольких миллиампер на вольт (мА/В).

Крутизна характеризует управляющее действие затвора. Например, S=3мА/В означает, что изменение напряжения затвора на 1 В создает изменение тока стока на 3мА.

2) Внутренне (выходное) сопротивление R_i, аналогичное величине 1/y₂₂ для биполярных транзисторов. Этот параметр представляет собой сопротивление транзистора между стоком и истоком (сопротивление канала) для переменного тока и выражается формулой:

На пологих участках выходных характеристик значение R_i достигает сотен кОм и оказывается во много раз больше сопротивления транзистора постоянному току R_o.

3) Коэффициент усиления m - показывает, во сколько раз сильнее действует на I_c изменение U_зи, нежели изменение U_си. Коэффициент усиления определяется формулой:

,

Т.е. выражается отношением таких изменений DU_си и DU_зи, которые компенсируют друг друга по действию на ток I_с, в результате чего этот ток остается постоянным. Т.к. для подобной компенсации DU_си и DU_зи должны иметь разные знаки (например, увеличение U_си должно компенсироваться уменьшением U_зи), то в правой части формулы стоит знак «-».

Коэффициент усиления связан с параметрами S и R_i зависимостью:

Для пологих участков выходных характеристик m достигает сотен и даже тысяч. В начальной области этих характеристик, когда они идут круто (при малых U_си), значения всех трех параметров уменьшаются. Параметры S и R_i для заданного режима можно определять из выходных характеристик по методу двух точек, подобно тому, как это делалось для биполярных транзисторов, а m вычисляется по вышеприведенной формуле.

4) Входное сопротивление полевого транзистора определяется по формуле:

Т.к. ток I_з – обратный ток p-n-перехода, а значит, очень мал, то R_вх достигает единиц и десятков МОм.

Полевой транзистор имеет также входную емкость между З и И C_зи, Которая является барьерной емкостью p-n-перехода и составляет единицы рФ у диффузионных транзисторов и десятки рФ у сплавных. Меньшие значения имеет проходная емкость между З и С C_зс, а самой малой является выходная емкость между И и С С_си.

Рис. 6. Эквивалентная схема полевого транзистора	Рис. 7. Питание полевого транзистора с n-каналом от одного источника
Рис. 8. Схема питания, позволяющая запирать транзистор	Рис. 9. Подача входного напряжения через разделительный конденсатор
Рис. 10а. Схема включения полевого транзистора с ОЗ.	Рис. 10б. Схема включения полевого транзистора с ОС.

На рис.6 показана эквивалентная схема (схема замещения) полевого транзистора для включения его с ОИ. Поскольку R_вх очень велико, то его можно не учитывать. Для НЧ во многих случаях можно исключить из схемы емкости. Генератор тока SU_mвх отражает усиление, даваемое транзистором, а сопротивление R_i представляет собой сопротивление канала переменному току, т.е. выходное сопротивление. К входным зажимам подключается источник колебаний, а к выходным – нагрузка.

В практических усилительных каскадах обычно применяется питание от одного источника E₂ (рис.7). Для получения постоянного обратного напряжения на управляемом n-p-переходе в провод истока включается резистор R_н, зашунтированный конденсатором C_н. Постоянный ток стока I_сo создает на резисторе R_н напряжение U_зиo=I_co·R_н, которое через ИК подается на n-p-переход. Сопротивление R_н=U_зио/I_сo.

Величины U_зио и I_со могут быть определены для выбранного режима работы из выходных характеристик. Через конденсатор С_и проходит переменная составляющая тока стока. X_c=1/wC<R_н (на низшей частоте).

Схема на рис.7, называемая часто схемой с автоматическим напряжением смещения U_зио n-p-перехода, непригодна для запирания транзистора. Действительно, напряжение смещения U_зи получается за счет тока стока I_co, но у запертого транзистора этот ток равен нулю. Если нужно запереть транзистор при отсутствии входного напряжения u_вх, то применяют схему, представленную на рис.8.

В ней напряжение источника E₂ подано на делитель R₁R₂ и постоянное напряжение на резисторе R₁ является запирающим напряжением смещения U_зио.

где I_д – ток делителя, который выбирается сравнительно небольшим, чтобы на делителе не было значительной потери мощности источника E₂. Но вместе с тем ток I_д должен быть в несколько раз больше тока I_со, получающегося при подаче входного напряжения U_вх. Конденсатор С выполняет ту же роль, что и предыдущей схеме.

Иногда ИК помимо переменного дает постоянное напряжение, которое не должно попадать на вход транзистора. В этом случае переменное входное напряжение подают через разделительный конденсатор С_р (рис.9), а напряжение смещения U_зио – через резистор Rз, который должен иметь большое сопротивление, чтобы не снижалось входное сопротивление каскада.

На рис.10 показано включение полевого транзистора с каналом n-типа по схеме с ОЗ и ОС.

Схема с ОЗ аналогична схеме включения биполярного транзистора с ОБ. Она не дает усиления по току и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Входное сопротивление данной схемы мало, т.к. входным током является ток стока. Фаза напряжения при усилении не переворачивается.

Каскад с ОС подобен эмиттерному повторителю и может быть назван истоковым повторителем. К_U»1. Выходное напряжение по значению и фазе повторяет входное. Для такого каскада характерно сравнительно небольшое выходное сопротивление и повышенное входное. Кроме того, значительно уменьшается входная емкость, что способствует увеличению входного сопротивления на высоких частотах.

Как правило, выпускаются кремниевые полевые транзисторы. Кремний применяется потому, что ток затвора, т.е. обратный ток p-n-перехода, получается во много раз меньше, чем у германия. При температуре 20°С постоянный ток затвора может составлять всего лишь 1нА, т.е. 10^-9А.