§2. Статические характеристики полевого транзистора с управляющимp-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) характеристикойполевого транзистора называется графически выраженная зависимостьI_с=f(U_cи) приU_зи=const(рис.3).

Они показывают, что с увеличением u_ситокi_cсначала растет довольно быстро, а затем это нарастание замедляется и почти совсем прекращается, т.е. наступает явление, напоминающее насыщение. Это объясняется тем, что при повышенииu_ситок должен увеличиваться, но т.к. одновременно повышается обратное напряжение наp-n-переходе, то запирающий слой расширяется, канал сужается, т.е. его сопротивление растет, и за счет этого токi_cдолжен 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_cуменьшается, и характеристика проходит ниже. Повышение напряжения стока в конце концов приводит к электрическому пробоюp-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 называютнапряжением насыщения, а запирающее напряжение затвора иначе еще называетсянапряжением отсечки.

Передаточная (стоко-затворная) характеристика.

Рис. 4. Передаточные характеристики полевого транзистора с управляющим

p-n-переходом

Передаточной характеристикой полевого транзистора называется графически выраженная зависимостьI_c=f(U_зи) приU_си=const(рис.4). ПриU_зи=0 токI_cдостигает максимального значения, т.к. в данном случае ширина канала максимальна, а сопротивление минимально. С ростомU_обрпри неизменномU_сиуменьшается токI_c.

При U_зи=U_{зи отс}канал перекрывается, токI_cстановится близким к нулю. Однако при этом в цепи течет незначительный ток неосновных носителей заряда. При тех же значения напряженияU_зи, но разных напряженияхU_ситокI_cменяется мало, что объясняется тем, что напряженияU_сиберутся при насыщении токаI_c.

Таким образом, передаточная характеристика определяет эффективность управления током I_cс помощью изменения входного напряженияU_зи. В то время как в режиме насыщения большие изменения напряженияU_сипочти не влияют на изменение токаI_c, даже незначительные изменения напряженияU_зивызывают большое изменение этого же токаI_с. В отличие от биполярных транзисторов входные характеристикиI_вх=f(U_вх) приU_вых=constне представляют особого интереса, т.к. входной ток, который является током неосновных носителей заряда, очень мал и при измененииU_зипрактически 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 токаI_cпри изменении температуры. На рис.5 показано влияние температуры на передаточные характеристики. Здесь видно, что приU_{зи опт} ток стокаI_сне меняется при изменении температуры.

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

При |U_зи|>|U_{зи опт}|I_cрастет 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_кувеличивается 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 – крутизнаS, аналогичная параметруy₂₁биполярных 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/y₂₂для 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_iдостигает сотен кОм и оказывается во много раз больше сопротивления транзистора постоянному токуR_o.

3) Коэффициент усиления- показывает, во сколько раз сильнее действует наI_cизменениеU_зи, нежели изменениеU_си. Коэффициент усиления определяется формулой:

,

Т.е. выражается отношением таких изменений U_сииU_зи, которые компенсируют друг друга по действию на токI_с, в результате чего этот ток остается постоянным. Т.к. для подобной компенсацииU_сииU_зидолжны иметь разные знаки (например, увеличениеU_сидолжно компенсироваться уменьшениемU_зи), то в правой части формулы стоит знак «».

Коэффициент усиления связан с параметрами SиR_iзависимостью:

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

4) Входное сопротивлениеполевого транзистора определяется по формуле:

Т.к. ток I_з– обратный токp-n-перехода, а значит, очень мал, тоR_вхдостигает единиц и десятков МОм.

Полевой транзистор имеет также входную емкостьмежду З и ИC_зи, Которая является барьерной емкостьюp-n-перехода и составляет единицы рФ у диффузионных транзисторов и десятки рФ у сплавных. Меньшие значения имеет проходная емкость между З и СC_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_вхочень велико, то его можно не учитывать. Для НЧ во многих случаях можно исключить из схемы емкости. Генератор токаSU_mвхотражает усиление, даваемое транзистором, а сопротивлениеR_iпредставляет 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 управляемомn-p-переходе в провод истока включается резисторR_н, зашунтированный конденсаторомC_н. Постоянный ток стокаI_сoсоздает на резистореR_ннапряжениеU_зиo=I_co·R_н, которое через ИК подается наn-p-переход. СопротивлениеR_н=U_зио/I_сo.

Величины U_зиоиI_сомогут быть определены для выбранного режима работы из выходных характеристик. Через конденсатор С_ипроходит переменная составляющая тока стока.X_c=1/C<R_н(на низшей частоте).

Схема на рис.7, называемая часто схемой с автоматическим напряжением смещения U_зиоn-p-перехода, непригодна для запирания транзистора. Действительно, напряжение смещенияU_зиполучается за счет тока стокаI_co, но у запертого транзистора этот ток равен нулю. Если нужно запереть транзистор при отсутствии входного напряженияu_вх, то применяют схему, представленную на рис.8.

В ней напряжение источника E₂подано на делительR₁R₂и постоянное напряжение на резистореR₁является запирающим напряжением смещенияU_зио.

где I_д– ток делителя, который выбирается сравнительно небольшим, чтобы на делителе не было значительной потери мощности источникаE₂. Но вместе с тем токI_ддолжен быть в несколько раз больше токаI_со, получающегося при подаче входного напряженияU_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 смещенияU_зио– через резисторRз, 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.