7.2. Характеристики полевого транзистора

Рис. 7.2. Сток-затворные

характеристики полевого

транзистора с каналом p- типа.

Управляющее действие затвора наглядно иллюстрируют управляющие (сток - затворные) характеристики, выражающие зависимость тока стока (I_си) от напряжения на затворе (U_зи) при постоянном напряжении сток-исток (U_cu- const.) (рис.7.2). Часто для расчетов пользуются выходными характеристиками: зависимостью тока стока (I_си) от напряжения на стоке (U_си) при постоянном напряжении на затворе (U_зи - const.).

Рис. 7.3. Выходные (стоковые)

характеристики полевого

транзистора с каналом n- типа.

На рис.7.3 изображены выходные (стоковые) характеристики полевого транзистора. Они показывают, что с увеличением напряжения исток-сток (U_cu) ток через канал транзистора сначала быстро растет, а затем нарастание замедляется и при большом напряжении почти совсем прекращается. Наступает явление, напоминающее насыщение. Это объясняется тем, что при повышении U_cu ток должен увеличиваться, но так как одновременно повышается обратное напряжение на n-p-переходе (напряжение U_зи), то запирающий слой расширяется, канал сужается, ток I_cи должен уменьшиться. Таким образом, имеют место два взаимно противоположных воздействия на ток, который в результате остается почти постоянным.

При увеличении постоянного обратного напряжения на затворе, ток I_cи 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 R_i, 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 R_i 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 R_i 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 R_i 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 R_вх полевого транзистора определяется выражением:

(7.6)

Поскольку ток I_зи является очень малым, то R_вх может иметь значение от единиц до сотен мОм. Непосредственное измерение входного сопротивления затруднительно.

Входная емкость С_вх (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 С_пр (емкость между затвором и стоком). А самой малой является выходная емкость С_вых (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.

Ч астотные свойства полевых транзисторов можно определить из следующих соображений. Для того чтобы изменить потенциал затвора на некоторую величину, необходимо чтобы емкость затвора зарядилась через сопротивление канала. Этот процесс характеризуется постоянной времени , которая и определяет частотные свойства по­ле­вого транзистора. Используя выражение 7.5 можно получить для предельной частоты усиления соотношение:

(7.7)

где f - частота, с которой может перезаряжаться затвор; С_з - входная емкость; R_i - сопротивление канала;  = С_{з *} R_i.

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 R_н << R_i, 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.