4.2.1.   Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

Структура и принцип действия ПТ

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (ПТУП) – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала p-n-переходом, смещенным в обратном направлении (рис. 4.14).

Электрод, из  которого в канал входят носители заряда, называют истоком; электрод, через который  из  канала уходят носители заряда, – стоком; электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, – затвором. При подключении к истоку отрицательного (для n-канала), а к стоку положительного напряжения в канале возникает электрический ток, создаваемый движением электронов от истока к стоку, т.е. основными носителями заряда. В этом заключается существенное отличие полевого транзистора от биполярного. Движение носителей заряда вдоль электронно-дырочного перехода (а не через переходы, как в биполярном транзисторе) является второй характерной  особенностью полевого транзистора.

Подпись:  

Рис. 4.15. Форма канала при напряжении на затворе Uзи отс
При отсутствии напряжения на входе (Uзи = 0) ток Iс, создаваемый этими электро­нами, определяется напряжением стока (Uси) и сопротивле­нием канала, зависящим от его поперечного сечения.

При подаче на переход обратного  напряжения Uзи < 0, его ширина равномерно увеличивается, сечение канала уменьшается по всей его длине и сопротивление канала возрастает. Самое низкое сопротивление канала и соответственно самый большой ток через него будет при нулевом напряжении на затворе (Uзи = 0), затем  по мере увеличения ширины перехода при возрастании Uзи и соответственно уменьшении сечения канала ток будет падать, и при некотором напряжении  на затворе произойдет смыкание переходов, канал полностью перекроется и ток через него перестанет протекать. Это напряжение называется напряжением затвор-исток отсечки (Uзи отс). Канал в этом случае будет иметь вид, показанный на рис. 4.15.

Характеристики  ПТУП

Выходные характеристики транзистора. На рис. 4.16 изображено семейство статических выходных характеристик Iс = f (Uси) при различных значениях напряжения на затворе Uзи.

Каждая характеристика имеет два участка – омический (для малых Uси) и насыщения (для больших Uси). При Uзи = 0 с увеличением напряже­ния Uс ток Iс вначале нарастает почти линейно, однако далее характеристика перестает подчиняться закону Ома. Ток Iс начинает расти медленно, ибо его увеличение приводит к повышению падения напряжения в канале и возрастанию потенциала вдоль канала от истока к стоку. Потенциал же затвора одинаков по всей длине.

Появляется разность потенциалов между каналом и затвором, которая увеличивается в сторону стока. Вследствие этого толщина запирающего слоя увеличивается клинообразно (рис. 4.17) и сопротивление  канала также увеличивается, а возрастание тока IС замедляется. При напряжении насыщения Uси нас = Uзи отс сечение канала у стока приближается к нулю, и рост тока стока Iс прекращается.

Подпись:  

Рис. 4.18. Стоко-затворные характеристики ПТУП

Реальные характеристики в области насыщения имеют небольшой наклон. Незначительное увеличение тока стока в режиме насыщения при повышении напряжения Uси объясняются некоторым уменьшением эффективной длины канала при расширении перекрытого участка.

Следующая характеристика, снятая при некотором обратном напряжении затвора (U^зи), когда запирающий слой имеет большую толщину при тех же значениях Uси, будет более пологой на начальном участке, и насыщение наступит раньше, при меньших значениях

U^си нас = Uзи отс  – U^зи.

Передаточные (стоко-затворные) характеристики (рис. 4.18)  представляют собой зависимости тока стока от напряжения на затворе при постоянном напряжении  на стоке 

Iс = f(Uзи) ׀Uси = const.

Подпись:  

Рис. 4.19. Входная характеристика ПТУП
Характер этой зависимости ясен из принципа действия полевого транзистора. Ток стока имеет максимальную величину при отсутствии напряжения на затворе    (Uзи = 0), когда толщина канала максимальна. При подаче обратного напряжения  на затвор переход расширяется, толщина канала уменьшается, сопротивление возрастает, и ток стока уменьшается. Когда напряжение на затворе  достигает величины Uзи отс  ,  канал полностью перекрывается  и ток стока падает до минимального значения.

Входная характеристика ПТУП – это зависимость Iз = f (Uзи). Представляет собой обратную ветвь ВАХ  p-n-перехода (рис. 4.19).

Параметры ПТУП

Основным параметром, ис­пользуемым при расчете усилительного каскада с полевым транзистором, является статическая крутизна характеристики прямой передачи, т.е.  отношение изменения тока стока к изменению напряжения ме­жду затвором и истоком:

.

Крутизна обычно измеряется в миллиамперах на вольты и для типовых транзисторов она равна от десятых долей до единиц  миллиампер на вольт. Крутизна характеризует управляющее действие затвора.

Дифференциальное выходное сопротивление опреде­ляется следующим образом:

.

Оно составляет, примерно от десятков до сотен килоом.

Статиче­ский коэффициент усиления по напряжению равен:

.

Он показывает, во сколько раз изменение напряжения на затворе воздействует эффективнее на ток стока, чем изменение напряжения на стоке.

Входное дифференциальное сопротивление равно:

.

Входное сопротивление имеет значение от сотен килоом до десятков мегаом.

Поскольку характеристики полевого транзистора нелинейны, значения дифференциальных параметров зависят от выбранного режима работы по постоянному току.

Эквивалентная схема ПТУП

Основным элементом эквивалентной схемы полевого транзистора (рис. 4.20), характеризующим усилительные свойства прибора, является зависимый генератор тока SUзи.  Частотные и импульсные характеристики транзистора определяются  емкостями электродов: затвор – сток (Cзи), затвор – сток (Cзс), сток – исток (Cси). Емкости Cзи и Cзс зависят от площади затвора  и степени легирования канала, емкость Cзс – самая маленькая среди рассмотренных.

Сопротивления утечки Rзс, Rзи, Rзс весьма велики, и учитываются, как правило, при расчете электрических усилительных каскадов постоянного тока. При расчете импульсных каскадов и усилительных каскадов переменного тока их не учитывают, поскольку проводимость емкостей обычно всегда больше шунтирующих их проводимостей утечки электродов.

Схемы включения полевого транзистора

Полевой транзистор в качестве элемента схемы представляет собой активный несимметричный четырехполюсник, у которого один из зажимов является общим для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой из электродов полевого транзистора подключен к общему выводу, различают схемы (рис. 4.21):

1) с общим истоком  и входом на затвор;

2) с общим стоком и входом на затвор;

3) с общим затвором и входом на исток.

Температурная зависимость параметров ПТУП

При изменении температуры  свойства  полупроводниковых материалов изменяются. Это приводит к изменению параметров полевого транзистора, в первую очередь, тока стока, крутизны и тока утечки затвора.

Зависимость изменения тока стока от температуры определяется двумя факторами: контактной разностью потенциалов p-n-перехода и изменением подвижности основных носителей заряда в канале. При повышении температуры контактная разность потенциалов уменьшается, ширина перехода также уменьшается, канал расширяется, сопротивление его падает, а ток стока увеличивается. Но повышение температуры приводит к  уменьшению подвижности носителей заряда в канале и тока стока. Первое сказывается при малых токах стока, второе – при больших.

При определенных условиях действие этих факторов взаимно компенсируется, и ток полевого транзистора не зависит от температуры. На рис. 4.22 приведены стоко-затворные характеристики при различных температурах окружающей среды и указано положение термостабильной точки (ТСТ).

Для кремниевых транзисторов крутизна (S) с увеличе­нием температуры уменьшается. С повышением температуры увели­чивается собственная проводимость полупроводника, возрастает входной ток затвора (Iз) через переход и, следовательно, уменьшается Rвх. У полевых кремниевых транзисторов с p-n-переходом при комнатной температуре ток затвора порядка 1 нА. При увеличении температуры ток удваивается на каждые 10 °С. Хотя абсолютное изменение тока незначительно, его надо учитывать при больших сопротивлениях в цепи затвора. В этом случае изменение тока затвора может вызвать существенное изменение напряжения на затворе полевого транзистора и режима его работы.