Характеристики и параметры малых сигналов

КЛАССИФИКАЦИЯ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Лекция 3

Полевыми транзисторами называются полупроводниковые элементы, которые

в отличие от обычных биполярных транзисторов управляются электрическим полем,

т.е. практически без затраты мощности управляющего сигнала.

Различают шесть различных типов полевых транзисторов (FET). Их условные

обозначения в электрических схемах представлены на рис. 3.1. Управляющим

электродом транзистора является затвор G. Он позволяет управлять значением

Рис 3.1. Схемные обозначения полевых транзисторов

сопротивления между стоком D и истоком S. Управляющим напряжением является на-

напряжение U_GS. Большинство полевых транзисторов являются симметричными, т. е. их

свойства не изменяются, если электроды D и S поменять местами. В транзисторах

с управляющим переходом затвор отделен от канала DS n-р- или р-n-переходом.

При правильной полярности напряжения U_GS диод, образуемый переходом затвор—

канал, запирается и изолирует затвор от канала; при противоположной полярности

он отпирается. У полевых транзисторов с изолированным затвором, или МОП-

транзисторов, затвор отделен от канала DS тонким слоем SiO₂. При таком исполнении транзистора ток через затвор не будет протекать при любой полярности напряжения на затворе. Реальные токи затворов полевых транзисторов с управляющим переходом составляют от 1 пА до 1 нА, а для МОП-транзисторов они в среднем меньше в 10³ раз. Входные сопротивления для транзисторов с управляющим переходом составляют от 10¹⁰ до 10¹³ Ом, а для МОП-транзисторов - от 10¹³ до 10¹⁵ Ом.

Аналогично делению биполярных транзисторов на р-n-р- и n-р-n-транзисторы

полевые транзисторы делятся на р-канальные и n-канальные. У n-канальных полевых транзисторов ток канала становится тем меньше, чем сильнее падает потенциал

затвора. У р-канальных полевых транзисторов наблюдается обратное явление. Ниже в основном будут рассматриваться n-канальные транзисторы, а р-канальные —

лишь в тех случаях, когда на это будут особые причины. Замена n-канальных транзисторов на р-канальные возможна, если поменять знак напряжения питания, а так-

также соответственно изменить полярность включения используемых в схеме диодов

и электролитических конденсаторов.

Через полевые транзисторы с управляющим переходом при напряжении

U_GS = 0 протекает наибольший ток стока. Такие транзисторы называют нормально

открытыми. Аналогичные свойства имеют МОП-транзисторы обедненного типа. Наоборот, МОП-транзисторы обогащенного типа запираются при величинах U_GS, близ-

близких к нулю. Их называют нормально закрытыми. Ток стока протекает через

n-канальные МОП-транзисторы обогащенного типа тогда, когда U_GS превышает некоторое положительное значение. Существуют также МОП-транзисторы, промежуточные

между транзисторами обедненного и обогащенного типа, в том числе и такие, через,

которые при U_GS = 0 протекает некоторый средний ток канала.

У n-канальных полевых транзисторов к выводу истока необходимо приложить

более отрицательный потенциал, чем к вывыводу стока. В симметричном n-канальном

транзисторе любой из выводов канала, к которому подведен более низкий потенциал, может служить в качестве вывода истока.

В МОП-транзисторах часто делают четвертый вывод от так называемой подложки. Этот электрод, как и затвор, также может выполнять управляющие функции, но он отделен от канала только р-n-переходом. Управляющие свойства подложки

обычно не используют, а ее вывод соединяют с выводом истока. Если же требуется

два управляющих электрода, то используют так называемые МОП-тетроды или

двухзатворные МОП-транзисторы, имеющие два равноценных затвора.

На рис. 3.2 и 3.3 представлено семейство характеристик типового полевого

Рис. 3.2 Передаточная характеристика и-ка-

налыюго полевого транзистора с управляющим

р-л-переходом

Рис. 3.3. Семейство выходных характеристик n-канального

полевого транзистора с управляющим р-n-переходом

транзистора с управляющим р-n-переходом. в области малых сигналов. Можно заметить, что качественно эти характеристики подобны характеристикам биполярного

транзистора. При этом сток соответствует коллектору, исток - эмиттеру, а затвор - базе биполярного транзистора. Характеристики полевого транзистора отличаются от

соответствующих характеристик n-р-n-транзистора рабочим диапазоном напряжения затвор-исток. Напряжение, при котором ток стока I_D принимает минимальное значение, называется пороговым напряжением U_p.

При значениях напряжений U_GS, больших Up, передаточная характеристика

транзистора, представленная на рис. 4.2, описывается уравнением

где I_DS - ток стока при U_GS = 0. На практике эта величина тока для полевого транзистора с управляющим р-n-переходом является предельной, так как положительных напряжений затвор-исток стараются избегать, чтобы не потерять преимуществ, обеспечиваемых малым током затвора.

Из выражения (3.1) следует, что ток стока при U_GS = Up должен равняться нулю.

Фактически это равенство выполняется лишь приближенно. Поэтому правильнее

было бы определить значение U_GS, при котором значение тока стока становится равным нескольким микроамперам. Полученное таким образом значение не всегда будет удовлетворять равенству (3.1), поэтому удобнее вычислить величину как

функцию U_GS и экстраполировать полученную прямую линию до значения тока I_D = 0.

Выражение (3.1) можно использовать также и для описания передаточных характеристик МОП-транзисторов, как нормально открытых, так и нормально закрытых, если учесть знаки величин U_GS и U_p. Для нормально закрытых МОП-транзисторов в качестве величины I_DS используется ток стока при U_GS = 2 U_p. Смысл этого становится ясным при сравнении передаточных характеристик МОП-транзисторов обедненного и обогащенного типов на рис. 3.4 и 3.5. Напряжение затвор-исток для МОП-транзисторов может повышаться до величины напряжения пробоя оксидного слоя, составляющего

Рис. 3.4. Передаточная характеристика нормально

открытого n-канального полевого транзистора

Рис. 3.5. Передаточная характеристика нормально

закрытого n-канального полевого транзистора

около 50 В, этому ток стока таких транзисторов может значительно превышать величину I_DS.

По передаточной характеристике транзистора может быть определен такой его

параметр, как крутизна:

Дифференцированием выражения (3.1) можно определить крутизну

Особый интерес представляет значение крутизны при I_D = I_DS, обозначаемое через

S_S. Для полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом это максимальное

значение крутизны. Из выражения (3.3) находим

Теперь, по легко определяемым опытным путем параметрам S_s и I_DS, можно просто получить напряжение отсечки. Типовые значения параметров маломощного полевого транзистора составляют:

Можно отметить, что при равных токах стока полевого и коллектора биполярного транзисторов крутизна полевого транзистора существенно ниже, чем биполярного.

На рис. 3.3 представлены выходные характеристики полевого транзистора - графики зависимости между I_D и U_DS при различных фиксированных значениях U_GS.

Характеристики имеют одинаковый вид как для нормально открытых, так и для

нормально закрытых полевых транзисторов. При малых значениях U_DS ток I_D возрастает приблизительно пропорционально U_DS. Полевой транзистор в этой области режимов эквивалентен омическому сопротивлению, значение которого может управляться напряжением U_GS. При напряжениях ниже точек перегиба

семейство выходных характеристик описывается выражением (3.3) и (3.4)

Эта зона семейства выходных характеристик называется начальной зоной.

Зона семейства выходных характеристик, находящаяся за точками перегиба,

называется зоной сжатия. В этой зоне ток стока зависит в основном только от напряжения U_GS и очень незначительно от U_DS, что соответствует выражению (3.1). Остаточная зависимость тока от напряжения U_DS характеризуется дифференциальным выходным сопротивлением

Как и у биполярных транзисторов, дифференциальное выходное сопротивление снижается при увеличении тока стока I_D, причем приблизительно, обратно пропорционально величине .