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).

Рис. 4.15. Форма канала при напряжении на затворе Uзиотс

При подаче на переход обратного напряжения U_зи < 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 (U_зи = 0), затем по мере увеличения ширины перехода при возрастании U_зи 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(U_зиотс).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 I_с = f (U_си) при различных значениях напряжения на затворе U_зи.

Каждая характеристика имеет два участка – омический (для малых U_си) и насыщения (для больших U_си). При U_зи = 0 с увеличением напряже­ния U_с ток I_с вначале нарастает почти линейно, однако далее характеристика перестает подчиняться закону Ома. Ток I_с 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.

Рис. 4.16. Семейство стоковых (выходных) характеристик транзистора с управляющим p-n переходом

Рис. 4.17. Форма канала при напряжении Uси нас

Рис. 4.18. Стоко-затворные характеристики ПТУП

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

U^_{си нас} = U_{зи отс –} U^_зи.

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

I_с = f(U_зи) ׀_{Uси = const}.

Рис. 4.19. Входная характеристика ПТУП

Входная характеристика ПТУП – это зависимость I_з = f (U_зи). 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 крутизнахарактеристики 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

Рис. 4.20. Эквивалентная схема ПТУП

Сопротивления утечки R_зс, R_зи, R_зс 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

Рис. 4.21. Схемы включения полевого транзистора: а - с общим истоком; б - с общим стоком; в - с общим затвором

в )

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.

Для кремниевых транзисторов крутизна (S) с увеличе­нием температуры уменьшается. С повышением температуры увели­чивается собственная проводимость полупроводника, возрастает входной ток затвора (I_з) через переход и, следовательно, уменьшается R_вх. 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.