Основные вольтамперные характеристики

Главной вольтамперной характеристикой полевого транзистора является зависимость тока через канал I_c от напряжения на затворе : I_c = f (V_з). Определим сначала зависимость сопротивления канала от напряжения на затворе при V_c = 0, когда V_p-n = V_з. Как следует из рис.1, б и формул (2), (3),

(4)

Обозначим через V_отс напряжение, при котором области объемного заряда смыкаются, т.е. h = 0. Это напряжение называется напряжением отсечки и равно

. (5)

Используя (5), можно записать (4) как

.

Сопротивление канала определяется по обычной формуле

, (6)

где b – ширина бруска ( a – толщина) , а R_к0 = r (l/ab) – минимальное сопротивление канала (при V_з = 0).

Если V_c > 0, то ширина канала по длине бруска неодинакова, а следовательно, формула (6) неприменима. Ее можно применить лишь для элементарного участка dx по длине активной части бруска (исток: x = 0, сток x = l):

. (7)

Так как напряжение на p–n переходе состоит из суммы V_з и падения напряжения на части стержня V (x), то вместо V_з в (7) стоит V_з + V (x). Ток в различных участках канала одинаков, поэтому

или

.

Разделяя переменные и интегрируя с граничными условиями : x=0, V=0 и x=l, V=V_c, получаем

.

После вычисления интегралов

или

. (8)

При выведении формулы мы учитывали только изменение ширины канала с изменением напряжения на p–n переходе. Поэтому она применима только при h > 0, т.е. V_p-n = V_з + V_c < V_отс и канал не перекрыт. Перекрытие канала при увеличении V_p-n происходит сначала в самом верхнем сечении канала, где выполняется условие

. (9)

Очевидно, перекрытие канала может произойти из-за увеличения или V_з , или V_c. Возможность перекрытия канала и отсечки тока до нуля за счет увеличения V_з до V_отс очевидно и в пояснениях не нуждается.

Рассмотрим возможность отсечки тока I_c за счет увеличения V_c. Для простоты возьмем V_з = 0 (рис.1, а; затвор короткозамкнут). В этом случае увеличение V_c приводит к росту I_c. Рост тока через канал приводит к увеличению запирающего напряжения на p–n переходе V_p-n и к уменьшению сечения канала, т.е. к уменьшению тока . Таким образом, увеличение тока создает условия, приводящие к его же уменьшению, т.е. наступает самоограничение тока.

Отсечка тока до нуля в этом случае не происходит, так как уменьшение сечения канала порождается самим ростом тока и если I_c уменьшается до нуля, то это значит, что запирающее напряжение тоже станет равным нулю, т.е канал откроется. Поэтому с ростом V_c происходит не отсечка тока, а отсечка его приращений. Это означает, что с увеличением V_c должно наблюдаться насыщение тока I_c, т.е. дальнейшее увеличение напряжения не будет приводить к росту тока.

Насыщение тока происходит при V_c , близких к значению V_отс, когда относительное изменение сечения канала велико. При малых V_c это изменение невелико и I_c = f(V_c) почти линейна (рис.2). Если на затвор подано запирающее напряжение V_з < V_отс , то насыщение тока наступает при выполнении равенства (9), т.е. при меньших значениях V_c. Поскольку в этом случае h > 0, то для определения тока насыщения I_нас можно применить формулу (8). Насыщение происходит, когда напряжение на p–n переходе близко к V_отс . Подставив в (8) V_c , определенное из (9), получим

,

откуда после преобразований

. (10)

Следует отметить, что во все формулы входит абсолютная величина V_з , так как мы сразу оговаривали, что p–n переход включается в обратном направлении.

Рис.2. Выходные вольтамперные характеристики полевого транзистора с управляющим p–n переходом и каналом n– типа

На рис.3 приведена стокзатворная характеристика I_c = f (V_з) при заданном напряжении на стоке V_c.

Когда напряжение на затворе равно пороговому V_отс , граница обедненного слоя перекрывает канал, толщина проводящего канала и ток стока обращаются в нуль, при V_з < V_отс транзистор закрыт.