ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК

Полевые транзисторы получают все более широкое распространение как в качестве дискретных элементов, так и в качестве элементов и компонентов интегральных микросхем. Главным достоинством полевых транзисторов является высокое входное сопротивление, обусловленное очень малым током затвора.

Существуют следующие разновидности полевых транзисторов:

- полевые транзисторы с р-n переходом (рис.5.1,а,б);

- полевые транзисторы с изолированным затвором, которые также называются МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП (металл-оксид-полупроводник), в свою очередь, подразделяются на:

а) МДП - транзисторы с индуцированным каналом (рис. 5.1, в, г,)

б) МДП - транзисторы со встроенным каналом (рис.5.1, д, е,)

Полевые транзисторы бывают с каналом р- типа (см.рис. 5,1 а,в,д,) и с каналом n-типа (см.рис.5.1,б,г,е). Различие состоит в знаке используемых подвижных носителей заряда. При включении транзисторов с различными каналами в схемы, полярность подключения источников питания у них противоположная.

Ток утечки затвора, как уже отмечалось, очень мал. Например у транзистора КП103 Iз.ут≤20нА (при Uси=0 В, Uзи=10 В), у транзистора КП301Iз.ут≤0,3нА (при Uзи=-30 В).

Поэтому входные характеристики полевых транзисторов не рассматриваются.

I_ВХ = f(U_ВХ ) или I_З = f( U_ЗИ ) (5.1)

Управляющее действие затвора наглядно иллюстрируют управляющие (стоко-затворные или переходные, проходные) характеристики выражающие зависимость.

I_ВЫХ = f (U_ВХ ) при Uвых = const (5.2)

I_С = f (U_ЗИ ) при Ucи = const

Однако эти характеристики неудобны для расчетов, и поэтому чаще пользуются выходными характеристиками.

Выходные характеристики (стоковые) выражают зависимость (рис. 5.2)

I_ВЫХ = f (U_ВЫХ ) при Uвх = const (5.3)

I_С = f (U_СИ ) при Uзи = const

Они показывают, что с увеличением Uси ток стока Ic сначала довольно быстро, а затем это нарастание замедляется и почти совсем прекращается, т.е. наступает явление, напоминающее насыщение. Работа транзистора обычно происходит на пологих участках характеристик, в области, которую не совсем удачно называют областью насыщения (на рис.5.2 отмечено пунктиром).

Напряжение, при котором начинается эта область, иногда называют напряжением насыщения. Запирающее напряжение затвора (при котором ток стока равен нулю Iс= 0) называют напряжением отсечки.

Типовые вольт-амперные характеристики представлены на рис. 5.3-5.5.

На рис. 5.3 - планарный полевой транзистор КП601 с управляющим р-n-переходом и каналом n-типа. На рис. 5.4 - кремниевый эпитаксиально планарный полевой транзистор КП717 с изолированным затвором индуцированным каналом (с обогащением канала) n-типа. На рис. 5.5 - диффузионно-планарный МДП- транзистор КП305 со встроенным канатом n-типа.

Рис. 5.2

Полевой транзистор характеризуется следующими параметрами. Основным параметром является.

S - крутизна, отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком

S = ΔI_С / ΔU_ЗИ при Uси = const (5.4)

Рис. 5.4

Рис. 5.4

Вторым параметром является: Ri - внутреннее (выходное) дифференциальное сопротивление представляющее собой сопротивление транзистора между стоком и истоком (сопротивление канала) для переменного тока,

R_i = ΔU_СИ / ΔI_С при Uзи = сonst (5.5)

На пологих участках выходных характеристик Ri достигает сотен килоом и оказывается во много раз больше сопротивления транзистора постоянному току Ro.

R₀ = U_СИ0 / I_С0 (5.6)

Рис. 5.5

Следующий важный параметр - коэффициент усиления, который показывает, во сколько раз сильнее действует на ток стока изменение напряжения затвора, нежели изменение напряжения стока

μ = - ΔU_СИ /ΔU_ЗИ при Iс = const. (5.7)

Коэффициент усиления m выражается отношением таких изменений ∆Uси и ∆Uзи, которые компенсируют друг друга по действию на ток стока Iс, в результате чего этот ток остаётся постоянным. Так как для подобной компенсации ∆Uси и ∆Uзи должны иметь разные знаки (например, увеличение Uси должно компенсироваться уменьшением Uзи, то в правой части формулы (5.7) стоит знак "минус". Иначе, вместо этого можно взять абсолютное значение правой части, т.e. m >0. Коэффициент усиления m связан с параметрами Ri и S простой зависимостью

m=SRi (5.8)

К параметрам полевого транзистора, которые, как правило, указываются в справочной литературе, относятся:

Iс.нач - начальный ток стока, ток стока при напряжении между затвором и истоком, равном нулю, и при напряжении на стоке, равном или превышающем напряжение насыщения;

Iс.оcт - остаточный ток стока при напряжении между затвором и истоком, превышающем напряжение отсечки;

Iз.ут- ток утечки затвора, ток затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой;

Iзио - обратный ток перехода затвор-исток. при разомкнутом выводе, ток, протекающий по цепи затвор-исток, при заданном обратном напряжении между затвором и истоком и разомкнутыми выводами.

Uзиотс - напряжение отсечки полевого транзистора, напряжение между затвором и истоком транзистора с р-n-переходом или МДП транзистора со встроенным каналом, при котором ток стока достигает заданного низкого значения;

Uзипор- пороговое напряжение полевого транзистора, напряжение между затвором и истоком МДП - транзистора с индуцированным каналом, при котором ток стока достигает заданного низкого значения;

Rсuoтк - сопротивление сток-исток в открытом состоянии транзистора, сопротивление между стоком и истоком в открытом состоянии транзистора при заданном напряжении сток-исток, меньшем напряжения насыщения.

Указанные параметры можно определить экспериментально либо по статистическим вольт-амперным характеристикам. В справочниках нередко приводят только один из видов характеристик. Чаще всего стоковые характеристики Ic=f(Ucи) при Uзи=const .

Рассмотрим пример построения семейства стоко-затворных характеристик Ic=f(Uзи) при Ucи=const для полевого транзистора КП312Б (рис.5.6,а,б). Графическими построениями находим значения токов и напряжений и заносим в табл.5.1

Таблица. 5.1

По полученным данным строим семейство кривых, обозначающих зависимость Ic=f(Uзи) при Uси =const (рис.5.б,в). Если в справочнике приведены только стоко-затворные характеристикиIc=f(Uзи) при Uси =const , то, используя их, можно построить семейство выходных характеристик.

Рассмотрим пример построения семейства стоковых характеристик Ic= f(Ucи) при Uзи =const. по известному семейству стоко-затворных характеристик транзистора КП601 (рис.5.7,а). По графикам определяем значения токов и напряжений и заносим в табл.5.2.

Рис. 5.6

Таблица 5.2

По полученным данным строим семейство кривых, обозначающих стоко-затворные характеристики Ic=f(Uзи) при Uси = const (5,7,б).

Рис. 5.7

Рассмотрим пример определения параметров S, Ri, μ и Rо транзистора КП10З по выходным стоковым характеристикам.

Задаем режим работы транзистора по постоянному току (задаем положение исходной рабочей точки).

Ucио=-8В, Uзио = 1В (5.9)

Наносим положение ИРТ на характеристику Uзи=1В=const при Uси =-8В и определяем (рис.5.8) ток стока: Iсо = 0,4 мА (5.10)

Рис. 5.8

Определение параметра S

В соответствии с формулой (5.4) для выполнения условия Ucи = const выше и ниже ИРТ на характеристике Uзи = 0,5В и Uзи=1,5 В выберем две точки, для которых Uси=-8В (см, рис.5.8)

Для т.А: Uзиа = 0,5В ; Iса=0,8мА; Ucиа=-8В.

Для т.В:Uзив = 1,5В ; Iсв = 0,15 мА; Ucив = -8В. (5.11)

Для ИРТ:Uзио = 1,0В ; Iсо = 0,4 мА; Ucио = -8В.

Как видно, для всех трех точек выполняется условие Ucи =-8 В = const. По графикам (см.рис.5.8) определяем приращение ∆Uзи и ∆Ic между точками т.А и т.В и находим крутизну S :

S=ΔI_С/ΔU_ЗИ│_{приUси=const}=(Iса–Iсв)∕(Uзив–Uзиа)=(0,8мА-0,15мА)∕(1,5В-0,5В)=0,65мА∕В.

(5.12)

Согласно справочным данным для транзистора КП103 крутизна составляет S=0,4...3,0мА/В.

Определение параметра Ri

В соответствии с формулой (5.5) для выполнения условия) Uзи =const выберем на характеристике Uзи = 1,0 В две точки левее и правее ИPT (рис.5.9)

Для т.С: Uси с = -12В ; Iсс = 0,42 мА; Uзис=1,0 В.

Для т.Д:Uси д = -4В ; Iсд = 0,38 мА; Uзид = 1,0В. (5.13)

Для ИРТ:Uсио = -8В ; Iсо = 0,4 мА; Uзио = 1,0 В.

Как видно для всех трех точек выполняется условие Uзи = 1,0 В =const.

По графикам (см.рис.5.9) определяем приращения ∆Ic и ∆Ucи и находим параметр Ri

R_i = ΔU_СИ / ΔI_С │ _{при Uзи = сonst} =(12В-4В)∕(0,42мА-0,38мА)=200 кОм (5.14)

Рис. 5.9

Определение параметра μ

В результате того, что коэффициент усиленияμ имеет довольно большую величину, то его нередко невозможно измерить в указанной рабочей точке. Тогда коэффициент μ находят по формуле (5.8) после определения параметров S и Ri

μ = S Ri = 0.65мА/в 200 кОм =130 (5.15)

Действительно, легко проверить, что для такого значения μ изменению напряжения сток-исток на 4 вольта (∆Uси = 4 В) соответствует изменение напряжения затвор-исток ∆Uзи = 30 мВ. По вольт - амперным характеристикам такие вычисления можно выполнять только при малом значении μ.

Определение параметра Rо

Сопротивление транзистора постоянному току определяем для заданной рабочей точки как отношение постоянного выходного напряжения Ucио к соответствующему постоянному выходному току Iсо по формуле (5.6) (см.рис.5.8)

R₀ = U_СИ0 / I_С0 = 8В / 0,4 мА = 20 кОм (5.16)

Следует подчеркнуть, что значения рассчитанных параметров зависят от выбранного положения ИРT. Для подтверждения на рис.5.10 приведен график зависимости крутизны S от тока стока Iсо для транзистора КП313. Читатель может убедиться в этом и непосредственно, рассчитав значение крутизны S по изложенной выше методике для различных положений ИРТ.

Рис. 5.10

Данные параметры можно определить и по семейству сток-затворных характеристик. Рассмотрим на примере транзистора КП313 для рабочей точки:

Uзио = 1В, Uсио=10 В (5.17)

Наносим положение ИРТ на характеристику Uси=10В=const при Uзи=1В и определяем ток стока (рис.5.11): Iсо = 10 мА (5.I8)

Рис. 5,11

Определение крутизны

В соответствии с формулой (5.4) для выполнения условия Ucи =const выберем две точки т.А и т.В на характеристике Ucи = 10В (см.рис.5.11).

Для т.А: Uзиа = 1,3 В;Icа = 12,5мА; Uсиа = 10 В

Для т.А: Uзив = 0,7 В;Icв = 7,5мА; Uсив = 10 В (5.19)

Для ИРТ: Uзио = 1 В; Icо = 10мА; Uсио = 10 В

Видно, что для всех трех точек выполняется условие Uси =10В=const. По графикам (см.рис.5.11) определяем приращение ∆Uзи и ∆Ic между точками т.А и т.В и определяем крутизну S.

S=ΔI_С/ΔU_ЗИ│_{приUси=const}=(Iса–Iсв)∕(Uзиа–Uзив)=(12,5мА-7,5мА)∕(1,3В-0,6В)=8,3мА∕В. (5.20)

Для сравнения: по справочнику у транзистора КП313 крутизна S составляет

S = 4,5 ... 10,5 мА/В . (5.21)

Определение параметра Ri

Для определения параметра Ri в соответствии с формулой (5.5) для выполнения условия Uзи = const выберем т.С на характеристике Uси = 15 В, соответствующую Uзи =1В (рис.5.12)

Для т.С: Uсис = 15В; Icc = 11мА;Uзис = 1В (5.22)

Для ИРТ: Uсио = 10В; Icо = 10мА;Uзио = 1В

Рис.5.12

Для этих двух точек выполняется условие Uзи = 1В = const. По графикам (см. рис.5.12) находим приращения ∆Ic и ∆Uси и определяем параметр Ri

R_i=ΔU_СИ /ΔI_С│_{при Uзи=сonst} =(Uсис-Uсио)∕(Icc-Icо)=(15В-10В)∕(11мА-10мА)=5кОм (5.14)

Определение коэффициента усиления μ

Для определения коэффициента усиления μ в соответствии с формулой (5,7) для выполнения условия Ic = const выберем на характеристике Ucи = 15 В точку т.Д, для которой Ic = 10 мА (рис. 5,13)

Рис. 5.13

Для т.Д: Uсид = 15В; Uзид = 0,85В; Iсд = 10мА (5.24)

Для ИРТ: Uсио = 10В; Uзид = 1В; Iсо = 10мА

Для этих двух точек выполняется условие Iс = 10мА=const.

По графикам (см.рис.5.13) находим приращения ∆Uзи и ∆Ucи и определяем коэффициент усиления μ..

μ=│∆Ucи∕∆Uзи│_{приIс=10мА=const}=(Uсид–Uсио)∕(Iсд-Iсо)=(15В-10В)∕(1В-0,85В)=38,5 (5.25)

Расчет по формуле (5.8)

μ = S Ri = 8,3 мА 5кОм = 41,5 (5.26)

дает удовлетворительное согласование с (5.25). Небольшие расхождения обусловлены неизбежными погрешностями графических построений и не играют существенной роли. Как уже отмечалось выше, существует разброс параметров у транзисторов.