Эквивалентная схема и частотные свойства транзистора. Особенности применения

Эквивалентная схема. Структура и принцип действия полевого транзистора с управ­ляющим переходом могут быть отображены на низких часто­тах физической эквивалентной схемой (рис.4). Усилительные свойства транзистора в этой схеме отображаются генератором , обладающим

внутренним сопротивлением . Емкости , , и дифференциальные сопротивления и за­мещают в схеме переход затвор-канал при обратном включении. Сопротивления и представляют собой объемные соп­ротивления полупроводника на участках между концами узкой час­ти канала и контактами стока и истока соответственно. Эти соп­ротивления составляют десятки Ом и определяются конструкцией и технологией изготовления транзистора. Влиянием сопротивления можно пренебречь, так как оно обычно меньше сопротивления последовательно включенной нагрузки. Сопротивление являет­ся общим для входной и выходной цепи и совместно с последовательно включенным сопротивлением канала по существу определяет внутреннюю обратную связь в полевом транзисторе, включенном по схеме с общим истоком. Падение напряжения на сопротивлении + , вызванное, например, ростом тока стока, увеличивает нап­ряжение обратного смещения перехода, сужает канал, по­вышает его сопротивление и уменьшает ток стока.

Частотные свойства. Частотные свойства полевого транзистора обусловлены глав­ным образом влиянием междуэлектронных емкостей и распределен­ных сопротивлений областей канала , истока и стока . Определяющими при оценке влияния частоты входных колебаний на усили-

тельные свойства транзистора являются емкость , образующая совместно с последова­тельно соединенными сопротивлением канала и сопротивле­нием истока цепочку, снижающую на высоких частотах эффек­тивность управления током стока посредством изменения напря­жения затвора . С увеличением частоты колебаний барьер­ная емкость , будет заряжаться через сопротивление + до меньших значений переменного входного напряжения, что сни­зит рабочий интервал изменения сопротивления проводящего ка­нала, а, следовательно, и амплитуду тока стока.

Количественно частотные свойства транзистора характери­зуются зависимостью крутизны характеристики

прямой передачи от частоты , определяемой соотношением

( ) = ,

где - крутизна характеристики на низкой частоте; - предельная частота - частота, на которой модуль кру­тизны | | уменьшается в раз относительно величи­ны S₀ .

В формуле частота = 1/(2 ), = ( + ) постоянная времени заряда емкости затвор-исток.

Графическое изображение частотной характеристики транзис­тора в виде зависимости относительного модуля крутизны

=

от частоты показано на рис.5.

Знание величины емкости позволяет, в свою очередь, определить граничную частоту полевого транзистора, при которой ток, проходящий через емкость , равен току генератора ( - напряжение на емкости , см. рис.4).

При импульсном режиме работы транзистора чаще пользуются переходной характеристикой крутизны | |- зависимостью ве­личины | | от времени . Крутизна | | достигает установив­шегося значения через время после подачи на затвор скач­ка напряжения в результате заряда емкости , через сопротивление + . Переходная характеристика модуля крутизны | | описывается соотношением

| |=

Графическое представле­ние переходной характе­ристики как зависимости относительного модуля крутизны | |/ показано на рис.6.

Таким образом, пре­дельная частота позволяет количественно оценить верхнюю границу области частот­ного режима транзистора как в непрерывном, так и импульсном режимах его работы.

Особенности применения. Аспекты применения нормально открытых полевых транзисторов с управляющим

переходом во многом определяются достоинствами, которыми они обладают по сравнению с биполярными транзисторами. К ним, в частности относятся:

1. Граничная частота выше и имеет порядок сотен мегагерц, что объясняется, главным образом, отсутствием в основном механизме работы поле­вого транзистора относительно медленных процессов установле­ния распределения избыточной концентрации неосновных носителей заряда, т.е. отсутствием перезаряда диффузионной емкости.

2. Почти пол­ное отсутствие токов во входной цепи (при включении по схеме с общим истоком) на низких частотах, что позволяет получить высокий коэффициент усиления по мощности (при большом входном сопротивлении постоянному току).

3. Повышенная температурная устойчивость, обусловленная следующим. В создании тока в по­левой транзисторной структуре участвуют только основные но­сители, количество которых в диапазоне рабочих температур поч­ти не изменяется. Кроме того, в этой структуре имеет место ком­пенсация температурных изменений сопротивления канала. При уве­личении температуры переходы сужаются, ширина канала увеличивается и сопротивление его уменьшается. Однако удельное сопротивление примесного полупроводника, образующего канал, с ростом температуры увеличивается и компенсирует уменьшение соп­ротивления расширяющегося канала.

4. Лучшие шумовые свойст­ва, так как в поле­вых транзисторах практически отсутствуют шумы, связанные с ре­комбинацией носителей заряда.

5. Повышенная радиационная стойкость, связанная с тем, что на полевые транзисторы существенное влияние оказывают лишь повышенные уровни радиации, при которых происходит заметное снижение подвижности носителей заряда, приводящее к увеличению сопротивления канала. Радиационная стойкость полевых транзисторов повышается с увеличением концентрации примеси.

6. Универсальность применения. Однако это достоинство в полной мере проявля­ется лишь при соблюдении определенных правил обращения с эти­ми приборами. Наряду с общими правилами эксплуатации полупро­водниковых приборов существуют специфические особенности в об­ращении с полевыми приборами, связанные с относительно невысо­кой устойчивостью этих приборов к воздействию статического электричества. Опасные значения электростатического потенциа­ла для транзисторов с управляющим переходом составля­ют 250 В, а при неблагоприятных условиях потенциал, возникаю­щий на соприкасающихся с транзистором объектах, может дости­гать 2 - 3 кВ.

Действие статического электричества проявляется в пробоях при разряде емкости заряженного объекта через транзистор и в частичном или полном повреждении транзистора.

Поэтому при обращении с транзисторами должны соблюдаться условия, исключающие возможность воздействия статического элек­тричества на транзистор, либо саму возможность накопления заря­дов статического электричества на соприкасающихся с транзисто­ром объектах - заземление аппаратуры, хранение транзисторов с короткозамкнутыми выводами, спецодежда операторов и т.д.

В целом при эксплуатации полевых транзисторов электрический и тепловой режимы должны быть выбраны и поддерживаться такими, чтобы параметры этих режимов не выходили за пределы области безопасных режимов работы (ОБР). Для этого необходимо, чтобы ток стока, напряжения, действующие между переходам, и рассеиваемая транзистором мощность не превышали своих максимально допустимых значений: , , , , (напряжение сток – подложка для планарно-эпитаксиальных транзисторов), .

Примеры условного графического и буквенного обозначения полевого транзистора с управляющим переходом.

2П103А. Полевой транзистор кремниевый с каналом - типа специального назначения. Начальный ток стока (при = 0) = 1,2 мА, U_СИmax= - 10 В, U_ЗИотс= 1,5 В, Р_Сmax= 120 мВт, ток затвора – не более 12 нА, S= 2 мА/В.

2П302А. Полевой транзистор кремниевый с каналом - типа специального назначения. Начальный ток стока (при = 0) = 24 мА, U_СИmax= 20 В, U_ЗИотс= - 5 В, Р_Сmax= 300 мВт, ток затвора – не более 10 нА, S= 5 мА/В.

В заключение отметим, что рассмотренные выше варианты полевых транзисторов относятся к типу так называемых нормально открытых приборов, когда прово­дящий канал существует при нулевом напряжении затвора. Определенный интерес представляют также нормально закрытые тран­зисторы, в которых исходный канал настолько узок, что при на­пряжении = 0 он уже перекрыт за счет контактной разности потенциалов перехода. В таком транзисторе ток стока начинает протекать при прямом включении перехода.

Выходная вольт-амперная характеристика нормально закрытых приборов (рис.7) качественно аналогична ВАХ нормально открытых.

Отметим, что поскольку величина контактной разности потенциа­лов не превышает одного вольта, то диапазон изменения на­пряжения прямого смещения ограничен значением примерно равным 0,5 В, что позволяет избежать больших токов в цепи за­твора, возникающих из-за инжекции носителей заряда.