7.2. Характеристики полевого транзистора
Рис. 7.2. Сток-затворные
характеристики
полевого
транзистора
с каналом p-
типа.
Рис.
7.3. Выходные (стоковые)
характеристики
полевого
транзистора
с каналом n-
типа.
При увеличении постоянного обратного напряжения на затворе, ток Icи уменьшается, и линия графика проходит ниже.
Рабочая точка полевого транзистора обычно находится на пологом участке выходной характеристики, т.е. в области, которую часто не совсем удачно называют областью насыщения.
Полевой транзистор характеризуют следующими основными параметрами: крутизной, коэффициентом усиления, входным и внутренним сопротивлениями, входной, выходной и проходной емкостями, предельными значениями напряжения и тока, напряжением шумов, предельной частотой усиления и др. Рассмотрим некоторые из них.
Крутизна S определяется выражением:
(7.1)
Значение крутизны лежит обычно в пределах 0,1 - 5 мА/В, однако может достигать для отдельных типов полевых транзисторов 10 мА/В. Крутизна характеризует управляющее действие затвора. Например, S=5ма/В означает, что изменение напряжения затвора на 1В создает изменение тока стока на 5мА.
Выходное сопротивление Ri, аналогично внутреннему сопротивлению электронной лампы. Этот параметр представляет собой сопротивление транзистора между стоком и истоком (сопротивление канала) для переменного тока и выражается формулой:
(7.2)
На пологих участках выходных характеристик Ri достигает сотен кОм и оказывается во много раз больше сопротивления транзистора по постоянному току R0, определяемое выражением:
(7.3)
Следующий параметр - коэффициент усиления - показывает, во сколько раз сильнее действует на ток стока изменение напряжения затвора, по сравнению с напряжением стока. Коэффициент усиления определяется формулой:
(7.4)
Знак минус говорит о том, что действие изменений напряжений сток-исток и затвор-исток на ток сток-исток противоположное.
Коэффициент усиления связан с параметрами S и Ri простой зависимостью:
(7.5)
Точно такое же выражение существует для описания коэффициента усиления электронной лампы (см. лаб. раб. 8), что еще раз подтверждает аналогию данных приборов. Для пологих участков выходной характеристики может достигать сотен единиц.
Параметры S и Ri для заданного режима можно определить из характеристик транзистора по методу двух точек или по методу касательной (рис.7.4), вычисляется по формуле (7.5).
Входное сопротивление Rвх полевого транзистора определяется выражением:
(7.6)
Поскольку ток Iзи является очень малым, то Rвх может иметь значение от единиц до сотен мОм. Непосредственное измерение входного сопротивления затруднительно.
Входная емкость Свх (емкость между затвором и истоком) должна учитываться при расчете высокочастотных усилителей и генераторов. Она может иметь значение от долей до нескольких пикофарад. Меньшее значение имеет проходная емкость Спр (емкость между затвором и стоком). А самой малой является выходная емкость Свых (емкость между стоком и истоком).
Емкости полевого транзистора, особенно входная и проходная сильно зависят от напряжения на затворе: чем больше напряжение, тем меньше емкость. Это связано с величиной (толщиной) затворного p-n - перехода.
Рис.
7.4. Определение параметров S и Ri из
характеристик полевого транзистора.
(7.7)
где f - частота, с которой может перезаряжаться затвор; Сз - входная емкость; Ri - сопротивление канала; = Сз * Ri.
Предельная частота сигнала, которую может усиливать или генерировать полевой транзистор, в зависимости от типа транзистора, может лежать в пределах от 100 Мгц до 1 ГГц и выше.
Подобно биполярным полупроводниковым приборам полевой транзистор можно включить по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), с общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ). Наиболее распространенной является схема ОИ (для биполярных транзисторов общий эмиттер, для электронных ламп общий катод).
Каскад с общим истоком имеет большее усиление относительно других схем, но переворачивает фазу сигнала при усилении. Поскольку обычно Rн << Ri, то коэффициент усиления каскада по напряжению (или динамический коэффициент усиления) можно приближенно определить по формуле:
(7.8)
Помимо высокого входного сопротивления полевые транзисторы имеют ряд преимуществ по сравнению с биполярными транзисторами. Так как в полевом транзисторе ток Icu вызван перемещением основных носителей, концентрация которых в основном определяется количеством примеси и поэтому мало зависит от температуры, то полевые транзисторы являются более температуростабильными, т.е. незначительно меняют свои характеристики при изменении температуры. Это является причиной того, что они работают в более широком интервале температур, чем биполярные транзисторы.
Полевой транзистор имеет меньшие шумы и обладает более высокой стойкостью к действию ионизирующего излучения. По данному параметру полевые транзисторы приближаются к электронным лампам. Недостатком многих полевых транзисторов является сравнительно невысокая крутизна сток-затворной характеристики.
Все полевые транзисторы, как правило, изготавливаются из кремния. Применение кремния обусловлено тем, что ток затвора, т.е. обратный ток n-p-перехода, получается во много раз меньше, чем у германия. При температуре 20 град. С постоянный ток затвора может быть порядка 1нА т.е. 10-9 А.