является дифференциальным внутренним сопротивлением транзистора.

Лекция 12.

Полевые транзисторы с управляющим р-п- переходом

Полупроводниковые приборы, работа которых основана на модуляции сопротивления полупроводникового материала по­перечным электрическим полем, называются полевыми тран­зисторами. В создании электрического тока в таких приборах участвуют носители заряда только одного типа (электроны или дырки). Поэтому полевые транзисторы являются монополярными полупроводниковыми приборами.

Полевые транзисторы бывают двух видов: с управляющим р-п- переходом и со структурой металл - диэлектрик - полу­проводник (МОП-транзисторы). В свою очередь, МОП - транзисторы бывают с индуцированным каналом (или каналом обогащенного типа) и со встроенным каналом (или каналом обедненного типа). В зависимости от типа проводимости канала полевые транзисторы делят на приборы с каналом п- типа или каналом р- типа.

Работа полевого транзистора с управля­ющим р-п -переходом основана на изменении сопротивления канала за счет изменения размеров области, обедненной основными носителями заряда. Под дей­ствием приложенного к затвору обратного напряжения поперечное сечение канала может меняться, что и ведет к изменению его сопротивления.

Электрод, от которого начинают движение основные носи­тели заряда в канале, называют истоком, а электрод, к которому движутся основные носители заряда, называют стоком. Если в пластинке полупроводника, например п -типа, созданы зоны с электропроводностью р -типа, то при подаче на р-п -переход напряжения, смещающего его в обратном направ­лении, образуются области, обедненные основными носителями заряда.Сопротивление полупроводника между электродами истока и стока увеличивается, так как ток проходит только по узкому каналу между переходами. Измене­ние напряжения затвор - исток приводит к изменению размеров зоны объемного заряда (размеров р-п -перехода). Канал может быть почти пол­ностью перекрыт и тогда сопротивление между истоком и стоком будет очень высоким (несколько МОм - десятки МОм).

Напряжение между затвором и истоком, при котором ток стока достигает заданного низкого значения (I _C ® 0), называют напряжением отсечки полевого транзистора, U _ЗИ.отс. Стро­го говоря, при напряжении отсечки транзистор должен за­крываться полностью, но наличие утечек и сложность измере­ния особо малых токов заставляют считать напряжением отсечки то напряжение, при котором ток достигает определен­ного малого значения. Поэтому в технических условиях на транзистор указывают, при каком токе стока произведено измерение U _ЗИ.отс.

Ширина р-п -перехода зависит также от тока, протекающего через канал. Если U _СИ ¹ 0, например U _CИ > 0, то ток I _C, протекающий через транзистор, создаст по длине последнего падение напряжения, которое оказывается запирающим для перехода «затвор - канал» лишь на ограниченной длине канала в области, близкой к стоку. Здесь будет иметь место наибольшее падение напряжения, вызванное током I _C на сопротивлении канала R _СИ.Так, если считать, что сопротивление транзистора определяется только сопротивлением канала, то у края р-п- перехода, обращенного к истоку, будет действовать напряжение U _ЗИ, а у края, обращенного к стоку, действует напряжение | U _ЗИ| + U _СИ.

Рассмотрим зависимости тока стока (I _C) от напряжений, приложенных между стоком и истоком (U _СИ), а также между затвором и истоком (U _ЗИ). На рис. 6.1 представлены зависимости I _C = ¦(U _СИ) при некоторых постоянных значениях напряжения U _ЗИ. Эти зависимости называются выходными вольтамперными характеристиками (ВАХ).

 

 

 

При малых значениях напряжения U _СИ и малом токе I _C транзистор ведет себя как линейное сопротивление (область I на рис. 6.1). Увеличение U _СИ приводит к почти линейному возрастанию I _C, а уменьшение U _ЗИ- к соответству­ющему уменьшению I _C. По мере роста U _СИ характеристика I _C = ¦(U _СИ) все сильнее отклоняется от линейной, что связано с сужением канала у стокового конца.

При определенном значении тока наступает так называемый режим насыще­ния (область II на рис. 12.1), который характеризуется тем, что с увеличением U _СИ ток I _C меняется незначительно. Это происходит потому, что при большом напряжении U _СИ канал у стока стягивается в узкую горловину. Наступает своеобразное динамическое равновесие, при котором увеличение U _СИи рост тока I _C вызывают дальнейшее сужение канала и соответственно уменьшение тока I _C. В итоге последний остается почти постоянным. Напряжение, при котором наступает режим насыщения, называется напряжением насыщения. Оно, как видно из рис. 12.1,меняется при изменении напряжения U _ЗИ.

Напряжение отсечки, определенное при маломнапряже­нии U _СИ < U _СИ.нас, численно равно напряжению насыщения при U _ЗИ = 0, а напряжение насыщения при определенном напряжении на затворе U _ЗИ равно разности напряжения отсечки и напряже­ния затвор-исток. При значительном увеличении напряжения U _СИу стокового конца наблюдается пробой р-п -перехода.

В выходных характеристиках полевого транзистора можно выделить две рабочие области: ОАи АБ. Область ОАназывают крутой областью характеристики; область АБ- по­логой или областью насыщения. В крутой области транзистор может быть использован как омическое управля­емое сопротивление. В усилительных каскадах транзистор работает на пологом участке характеристики. За точкой Бвозникает пробой электрического перехода.

Входная характеристика полевого транзистора с управля­ющим р-п -переходом обычно не рассматривается, поскольку она представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики р-п -перехода. Действительно, хотя ток затвора несколько меняется при изменении напряжения U _СИ и достигает наибольшего значения при условии короткого замыкания выводов истока и стока (ток утечки затвора I _З.ут), им в большинстве случаев можно пренебречь. Изменение напряжения U _ЗИне вызывает существенных изменений тока затвора, что характерно для обратного тока р-п -перехода.

При работе в пологой области вольтамперной характеристики ток стока при заданном напряжении U _ЗИ определяют из выражения

, (12.1)

где I _C.нач - начальный ток стока, под которым понимают ток при U _ЗИ = 0и напряжении на стоке, превышающем напряжение насыщения:

 

| U _СИ| > | U _СИ._нас |.

Так как управление полевым транзистором осуществляется напряжением на затворе, то для количественной оценки упра­вляющего действия затвора используют крутизну характеристики

 

. (12.2)

Крутизна характеристики достигает максимального значения S _нач при U _ЗИ = 0. Для определения значения S при любом напряжении U _ЗИ продифференцируем выражение (12.1):

 

. (12.3)

При U _ЗИ = 0 выражение (6.3) примет вид

 

. (12.4)

Подставив (12.4) в выражение (12.3), получим

 

. (12.5)

Таким образом, крутизна характеристики полевого тран­зистора уменьшается при увеличении напряжения, приложенного к его затвору.

Усилительные свойства полевых транзисторов характеризу­ются коэффициентом усиления

 

, (12.6)

который связан с крутизной характеристики и внутренним сопротивлением уравнением

 

М = S×R _СИ.диф, (12.7)

где

(12.8)

является дифференциальным внутренним сопротивлением транзистора.

Так же, как и у биполярных, у полевых транзисторов различают режимы большого и малого сигналов. Режим большого сигнала чаще всего рассчитывают с помощью входных и выходных характеристик транзистора и эквивалент­ной схемы рис. 12.2, а. При анализе режима малого сигнала широко применяют малосигнальную эквивалентную схему, представленную на рис. 12.2, б(транзистор с каналом п -типа). Так как со­противления закрытых переходов R _ЗС и R _ЗИ в кремниевых полевых транзисторах велики (от десятков до сотен МОм), их в большинстве случаев можно не учитывать.

 

 

 

Типовые значения параметров кремниевых транзисторов, входящих в эквивалентные схемы на рис. 12.2, следующие: S = 0,3¸3 мА/В; R _3И »l0¹⁰Ом; R _3С »l0¹⁰Ом; R _{СИ диф} = 0,1¸1МОм; С_3И» С_ЗС» 0,2¸10 пФ.

Часто для практических расчетов используют малосигнальную эквивалентную схему полевого транзистора, представленную на рис. 12.3.

 

 

Хотя эта схема не совсем точно отражает реальные физические процессы, протекающие в полевых транзисторах с управляющим р-п- переходом, расчеты с ней дают неплохие результаты.

Емкости у полевого транзистора, а также конечная скорость движения носителей заряда в канале определяют его инерци­онные свойства. При расчетах со схемой, показанной на рис. 12.3, инерционность транзистора в первом при­ближении учитывают путем введения операторной крутизны характеристики

S (р)= S ₀ (1+ p× t_З), (12.9)

где t _З = R _К С ₃ постоянная времени, определяемая по величинам эквивалентной модели (R _к = 500¸800 Ом, С ₃ = 0,2¸10 пФ). Эта постоянная времени определяет предельную частоту,

w _З = 1/t_З,

которая соответствует значению | S (р)| = 0,7 S ₀ (здесь S ₀ - статическая величина крутизны характеристики).

Для выражения частотной зависимости крутизны характеристики иногда используют формулу

 

, (12.10)

где w_гр может быть поставлено в соответствие с w _З.

При изменении температуры параметры и характеристики полевых транзисторов с управляющим р-п -переходом изменя­ются из-за воздействия следующих факторов: изменения об­ратного тока закрытого р-п- перехода, изменения контактной разности потенциалов этого перехода и изменения удельного со­противления канала.

Рабочую точку, в которой изменение тока стока с измене­нием температуры имеет минимальное значение, называют термостабильной точкой. Ее ориентировочное положе­ние можно найти из уравнения

U _{ЗИ ТС} = U _ЗИ.отс + U ₁, (12.11)

где U ₁» 0,63 В.

Из (12.5) видно, что при значительном U _ЗИ.отс крутизна характеристики в термостабильной точке невелика и от транзистора можно получить значительно меньший коэффици­ент усиления, чем при работе с малым напряжением.

Далее рассмотрим примеры расчета каскада линейного усиления гармонического сигнала на полевом транзисторе с управляющим р-п- переходом.

 

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: