Полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом

Рис. 4.22. Схематическое изображение полевого транзистора с управляющим р-п-переходом: а) каналом п-типа, б) условное графическое изображение

Упрощенная конструкция этого транзистора с проводящим каналом п-типа изображена на рис. 4.22. Источник регулируемой энергии Е_си подключен к проводящему каналу между стоком (С) и истоком (И), образованным п-слоем р-п-перехода. Управляющее напряжение Е_зи прикладывается между затвором (З) и истоком запирающей для р-п-перехода полярностью. Сопротивление проводящего канала сток-исток зависит от его длины, удельного сопротивления слоя п и площади поперечного сечения, определяемой шириной канала d.

При увеличении (относительно исходного нулевого) значения запирающего напряжения Е_зи ширина обедненной области р-п-перехода (заштриховано) увеличивается, а ширина проводящего п-канала уменьшается. В результате имеем функциональную зависимость

I_c=F(d, Е_си), d=f(Е_зи),

I_c=F(Е_зи, Е_си), (4.12)

подтверждающую управляемость тока стока.

В силу того, что управляющий р-п-переход находится в запертом состоянии, ток затвора, равный обратному току р-п-перехода, очень мал по величине и не является током управления, поскольку практически не зависит от напряжения Е_зи.

Так как проводимость канала определяется носителями одного типа (основными), то полевые транзисторы иногда называют униполярными приборами, а по наличию сквозного проводящего канала - канальными.

а) б) Рис. 4 23. ВАХ полевого транзистора с управляющим р-п-переходом: а) проходные; б) выходные

Опуская математические зависимости (4.12), с которыми можно ознакомиться в специальной литературе, рассмотрим их графические изображения. На рис. 4.23 приведены ВАХ полевого транзистора: а) сквозные (проходные) и б) выходные.

Рис. 4.24. Линейный аттенюатор на полевом транзисторе

Проходная ВАХ характеризуется значениями I_с⁰ (ток стока при нулевом напряжении управления), U₀ (напряжение отсечки тока, при котором обедненная область р-п-перехода полностью перекрывает проводящий канал). Характерной особенность полевых транзисторов является практически линейная характеристика выходной ВАХ при небольших значениях U_си, когда проводящий канал представляет практически линейно управляемое сопротивление. Это свойство широко используется при построении линейных регуляторов сигнала (рис. 4.24). При увеличении U_си за счет взаимодействия двух напряжений (U_зи, U_си), каждое из которых является для р-п-перехода запирающим, выходные ВАХ приобретают горизонтальный характер, когда из-за слабой зависимости тока от напряжения прибор обладает очень большим дифференциальным сопротивлением. Полевой транзистор в этом режиме широко используется в виде задатчика тока для запитки неизменным током стабилитронов при создании высокостабильных опорных источников (рис. 4.25).

Эта схема удобна тем, что напряжение на стабилитроне автоматически является напряжением смещения полевого транзистора, задающим требуемое значение тока I_с.

Рис. 4.25. Схема использования полевого транзистора в качестве задатчика тока

Использование полевого транзистора с управляющим р-п-переходом в качестве ключа - аналогового коммутатора - предусматривает меры, исключающие открывание управляющего перехода (рис. 4.26). Нормальная коммутация обеспечивается при условии

Рис. 4.26. Схема аналогового коммутатора

½U_у½>½U_с½.

Отсекающий диод при подаче запирающего значения U_у запирается, обеспечивая нулевое значение напряжения затвор-исток. Из-за низкой крутизны управления (единицы мА/В) полевые транзисторы редко применяются для построения линейных усилителей, лишь иногда в качестве входного каскада, обеспечивающего большое входное сопротивление всему усилителю. Линеаризованное уравнение может быть получено для заданного режима покоя I_c^A, U_зи^А, U_си^А из (4.12):

, (4.13)

где - крутизна;

- внутреннее (выходное) сопротивление.

Поскольку входная цепь (управления) – это обратно смещенный р-п-переход, то его характеристикой в линеаризованном виде является дифференциальное сопротивление

.

Линеаризованная электрическая модель на основании (4.13) изображена на рис. 4.27. Инерционность ПТ определяется конечным временем переноса носителей в области канала и наличием межэлектродных паразитных емкостей: входной С_зи, выходной – С_си, проходной – С_зг. В диапазоне частот входных сигналов до нескольких десятков МГц основное влияние оказывают паразитные емкости, обозначенные пунктиром на рис. 4.27. Как управляемый элемент, полевой транзистор с управляемым р-п-переходом не очень удобен: входное сопротивление сохраняется высоким только при подаче на затвор запирающего напряжения; полярность запирающего напряжения противоположна полярности источника питания, то есть для работы этого элемента требуется два разнополярных напряжения, что приводит к усложнению схемы. От этих недостатков свободны полевые транзисторы с изолированным затвором.

Рис. 4.27. Линеаризованная электрическая модель полевого транзистора