От чего зависит крутизна мдп транзистора

4. Что называется удельной крутизной моп транзистора?

Без учета влияния подложки передаточные ВАХ, рис.1 и 2, приблизительно описываются квадратичными зависимостями тока стока от напряжения на затворе , для р-канального транзистора то же самое, только знаки напряжений,и токаотрицательны.

Крутизной транзистора называется отношение приращений тока стока к вызвавшему его изменению напряжения на затворе:

Наклон зависимости крутизны от напряжения на затворе, величина

_{и есть удельная крутизна ,т. е. крутизна при}

_{Таким образом, удельная крутизна уже не зависит от напряжений на электродах и определяется только размерами транзистора B и L, толщиной диэлектрика под затвором d и подвижностью носителей в канале.}

5. Влияние подложки на вах транзистора.

Обычно МОП транзисторы работают без смещения подложки, т. е. исток транзистора соединяют с подложкой. Если же по каким-то причинам на исток попадает положительное напряжение , например при последоватнельном соединении транзисторов, тоp—n-переход исток-подложка будет работать как дополнительный затвор в виде обратно смещенногоp—n-перехода. Так называемый линейный коэффициент влияния подложки

показывает, во сколько раз напряжение на подложке слабее влияет на ток стока, чем напряжение на затворе.

С учетом влияния подложки выражение для тока стока в пологой области приобретает вид:

_{Напряжение на подложке относительно истока уменьшает ток стока, запирает канал транзистора со стороны подложки.}

_{Удельная емкость подложки , где толщина области обеднения в подложке. Чем больше концентрация NA в подложке, тем больше CB и больше величина . При сильном легировании подложки величинаможет достигать или даже превышать единицу, обычно же = 0.3 – 0.5.}

6. Объяснить зависимость порога от толщины подзатворного диэлектрика.

С уменьшением толщины диэлектрика увеличивается напряженность поля, создаваемая напряжением затвора и, следовательно, увеличивается индуцированный затвором поверхностный заряд,.

С уменьшением толщины диэлектрика увеличивается емкость затвора и уменьшаются

величины и_{, поэтому уменьшается величина порогового напряжения.}

7. Чем создается фиксированный в окисле заряд и как он влияет на величину порогового напряжения?

Фиксированный в окисле заряд с поверхностной концентрацией N sсоздаётся примесными ионизированными атомами в диэлектрике и свойствами границы раздела кремний-двуокись кремния. Этот заряд влияет на величину напряжения плоских зон

и соответственно на величину порогового напряжения. В системе кремний-двуокись кремния фиксированный в окисле заряд имеет положительный знак. Соответственно, чем больше Nsтем меньше величина порогового напряжения, это создает в производстве ИС нестабильность порогового напряжения от партии к партии.

8. Почему акцепторы подложки влияют на величину порогового напряжения?

В случае транзистора с подложкой p-типа концентрация акцепторов в подложкеNАвлияет на величины контактной разности потенциалов и потенциала инверсии_,а также величину заряда акцепторов в подложкеСуммарный поверхностный заряд зависит как от объемной концентрации акцепторовNA так и от напряжения на стоке и подложке, только приUD == 0_. Чем больше концентрации акцепторов в подложкеNAтем больше величина порогового напряжения.

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом: принцип работы и применение

В статье кратко описано устройство полевых транзисторов с управляемым p—n-переходом и приведены схемы их использования. Статья предназначена для ознакомления с транзисторами, а не для подробного изучения их особенностей и схемотехники.

Введение

Идея создания полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом (JFET) принадлежит американским инженерам Джорджу Дейси (George Clement Dacey) и Йену Россу (Ian Munro Ross). В 1953 г. они создали лабораторный образец такого транзистора, однако технологические проблемы производства смогли преодолеть только в 1960 г. — наверное, с этой даты и следует отсчитывать начало внедрения в практику полевых транзисторов с p-n-переходом.

Рис. 1. Схематическое изображение транзисторов с управляющим p-n-переходом

Существуют два типа транзисторов с управляющим p-n-переходом: с p-каналом и n-каналом. Их схематическое изображение показано на рис. 1 , а на рис. 2 представлено упрощенное изображение конструкции n-канального транзистора. В областях, прилегающих к стоку и истоку транзистора, посредством дополнительного легирования созданы повышенные концентрации электронов, что уменьшает сопротивление канала в открытом состоянии.

Рис. 2. Упрощенная конструкция транзистора с управляющим p-n-переходом

Принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n-переходом (JFET)

Рис. 3. Принцип работы полевого транзистора на примере n-канального транзистора

Принцип работы полевого транзистора на примере n-канального транзистора иллюстрируется рис. 3 . При управляющем напряжении затвор-исток U _ЗИ = 0 канал находится в проводящем состоянии, основные носители (электроны) обозначены на рис. 3 точками. По мере увеличения напряжения сток-исток U _СИ будет возрастать и ток стока I _C через канал, транзистор работает в омической области.

Дальнейшее увеличение напряжения сток-исток U _СИ приводит к уменьшению свободных электронов, возникает обедненный слой. Область обедненного слоя наиболее велика вблизи стока, поскольку к стоку подключено питающее напряжение и напряженность поля там наиболее высока. Появление обедненного слоя приводит к сужению проводящего канала, поэтому при дальнейшем возрастании напряжения ток увеличивается незначительно, транзистор переходит в область насыщения. Обе области, насыщения и омическая, показаны на вольт-амперной характеристике слева на рис. 3.

Если прикладывать к затвору отрицательное напряжение U _ЗИ , область p-n-перехода расширяется в сторону канала, что приводит к сужению проводящего канала и уменьшению тока через него. При дальнейшем увеличении абсолютного значения напряжения затвора канал полностью перекрывается, проводимость прекращается, транзистор переходит в режим отсечки. Напряжение U _ЗИ , при котором наступает режим отсечки, называется напряжением отсечки U _ОТС .

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с p-n-переходом при различных управляющих напряжениях U_ЗИ

На рис. 4 показаны вольт-амперные характеристики полевого транзистора с p-n-переходом при различных управляющих напряжениях U _ЗИ и соблюдении соотношений:

Ток стока при управляющем напряжении затвор-исток U _ЗИ = 0 называется начальным током стока I_C0. В большинстве случаев вольт-амперная характеристика полевого транзистора с p-n-переходом хорошо описывается выражением:

Усиление полевого транзистора характеризуется крутизной G_M, которая определяется из формулы (3) с учетом соотношения (2):

В справочных данных обычно значение крутизны полевого транзистора указывают при U _ЗИ = 0. В этом случае выражение (3) принимает следующий вид:

Преимуществом полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом является высокое входное сопротивление, ток обратно смещенного p-n-перехода очень мал и не превышает нескольких микроампер, но следует учитывать, что при возрастании температуры на 10 °С ток затвора удваивается.

К достоинствам полевого транзистора с управляющим p-n-переходом также относятся отличные частотные свойства. Полевые транзисторы униполярны, в них отсутствуют неосновные носители, а следовательно, и процесс рассасывания неосновных носителей, который заметно ухудшает частотные свойства биполярных транзисторов.

Рис. 5. Схемы включения полевых транзисторов с p-n-переходом: а) с общим истоком; б) с общим затвором; в) с общим стоком

Существуют три схемы включения полевых транзисторов. Все они изображены на рис. 5. Часто используется схема с общим истоком (рис. 5а), которая позволяет усилить мощность сигнала. Схема с общим затвором (рис. 5б) имеет низкое входное сопротивление и не усиливает сигнал, поэтому она применяется редко. Схема с общим стоком или истоковый повторитель (рис. 5в) имеет большое входное сопротивление, но коэффициент усиления напряжения практически равен 1.

Применение полевых транзисторов с p-n-переходом (JFET)

В инженерной практике полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом чаще всего применяют в аналоговых трактах совместно с операционными усилителями или в силовых схемах в качестве ключей. Вкратце рассмотрим несколько примеров применения полевых транзисторов с p-n-переходом в практических схемах.

На рис. 6 показана схема фотодиодного усилителя. Полевой транзистор с p-n-переходом используется здесь в качестве повторителя: он изолирует фотодиод от транзистора, поэтому емкость фотодиода приблизительно равная 3000 пФ «отрезается» от инвертирующего входа операционного усилителя, за счет чего заметно возрастает полоса пропускания.

Коэффициент передачи шума в рассматриваемой схеме определяется выражением:

За счет уменьшения входной емкости использование полевого транзистора позволяет также снизить шум схемы. Кроме того, полевой транзистор увеличивает входное сопротивление схемы, следовательно, уменьшает коэффициент усиления входного смещения, который определяется выражением:

Рис. 6. Схема фотодиодного усилителя

Недостаток схемы (рис. 6) заключается в том, что к фотодиоду прикладывается отрицательное напряжение, из-за чего возрастает его темновой ток, который к тому же зависит от температуры. Если пользователей интересует только переменная составляющая сигнала фотодиода, указанным недостатком можно пренебречь. Если же важна и постоянная составляющая сигнала, следует воспользоваться улучшенной схемой фотодиодного усилителя (рис. 7). В этой схеме используются два согласованных полевых транзистора в одном корпусе. Нижний транзистор является источником тока, величина тока задается сопротивлением R2 в цепи истока и выбирается таким образом, чтобы потенциал катода фотодиода был близок к нулю. Для более точной подстройки нулевого смещения можно добавить потенциометры R4 и R6.

Рис. 7. Улучшенная схема фотодиодного усилителя

Полевые транзисторы с p-n-переходом удобно использовать в качестве переменных сопротивлений, управляемых напряжением в схемах усилителя с управляемым коэффициентом усиления, или аттенюаторов. Последний вариант изображен на рис. 8. В этой схеме использован n-канальный полевой транзистор, на его затвор подается напряжение с потенциометра VR1, таким образом задается коэффициент ослабления. Возможно и иное решение, например, в качестве управляющего напряжения вместо потенциометра VR1 можно использовать пульсирующее напряжение, в этом случае мы получим простой и экономичный модулятор.

Рис. 8. Схема аттенюатора

Благодаря использованию карбида кремния (SiC) удалось получить полупроводниковые приборы с широкой запрещенной зоной, а следовательно, с повышенным нормируемым рабочим напряжением, что позволило применять их в силовых преобразователях. Сегодня производятся полевые транзисторы с нормируемым напряжением вплоть до 1700 В.

Рис. 9. Каскод c SiC полевыми транзисторами с p-n-переходом

В силовых преобразователях с полевыми SiC-транзисторами с управляемым p-n-переходом последние строятся по хорошо известной еще с ламповых времен схеме каскода ( рис. 9 ). В этой схеме к относительно дорогостоящему высоковольтному SiC-транзистору добавлен обычный низковольтный недорогой кремниевый MOSFET стоимостью «пятачок на пучок». На этом же рисунке можно видеть описание режимов работы каскода.

Рис. 10. Схема суперкаскода с SiC полевыми транзисторами с p-n-переходом

Увеличения нормируемого рабочего напряжения можно достичь с помощью последовательного включения нескольких полевых SiC-транзисторов с p-n-переходом. На рис. 10 показана образованная таким методом схема суперкаскода с нормируемым напряжением 6500 В. В схеме суперкаскода последовательно соединены пять полевых SiC транзисторов с управляемым p-n-переходом с рабочим напряжением 1700 В.

Усилительные свойства мдп-транзистора

МДП-транзисторы применяют в тех же трех схемах включения, что и транзисторы с р-n-затвором. На рис. 7.14, а, б, в эти схемы показаны для транзистора со встроенным р-каналом (условные изображения см. в приложении).

Качество транзистора с изолированным затвором как усилительного элемента характеризует прежде всего его крутизна, т. е. проводимость прямой передачи. Аналитическое выражение для статической крутизны можно получить, взяв производную функции (7.46):

Отсюда следует, что крутизна транзистора с изолированным затвором зависит от отношения ширины канала ω к его длине l и обратно пропорциональна толщине диэлектрика δ. В современных транзисторах отношение ω/l достигает 10 3 —10 4 (при длине канала несколько микрометров ширина канала составляет несколько сантиметров). Минимальная толщина диэлектрика ограничивается опасностью пробоя и составляет 0,1—0,2 мкм. Таким образом, как нетрудно подсчитать по формуле (7.48), крутизна характеристики может достигать десятков и сотен миллиампер на вольт, что уже реализуется практически.

Частотные свойства усилительных транзисторов с изолированным затвором определяются прежде всего их емкостью. Накопление неравновесного заряда в базе, играющее столь большую роль в биполярных транзисторах, в данном случае отсутствует.

На рис. 7.15 показаны структура транзистора с изолированным затвором (а) и схема замещения (б), достаточно полно отображающая его свойства на высоких частотах. Однако эта схема замещения сложна, поэтому на практике применяют более простую схему рис. 7.15, в. Величина C₁ в этой схеме определяется емкостью затвора на канал С_эк. Обычно принимают

Сопротивление r_i, характеризующее потери во входной цепи, определяется омическим сопротивлением канала r_k ≈U_СИ/I_СИ; как правило,

r₁=r_k/4. Величина C₂ представляет co6oй емкость р-n-перехода сток — подложка, r₂ — сопротивление потерь в подложке, G_вых — статическую дифференциальную выходную проводимость транзистора. Введем для удобства обозначения

, . (7.53)

Тогда с помощью данной схемы замещения нетрудно определить Y-параметры транзистора с изолированным затвором в следующем виде:

Из выражений (7.54) следует, что ω_s — это предельная частота проводимости прямой передачи, а ω_B — предельная частота выходной цепи, S₀ —статическая крутизна (при ω = 0).

Зависимость от частоты проводимостей транзистора с изолированным затвором Y=G+jB показана на рис. 7.16. Все проводимости увеличиваются с ростом частоты, кроме G₂₁ которая медленно убывает. Такой ход зависимостей свидетельствует об ухудшении усилительных свойств транзистора с повышением частоты.

В ходная и выходная емкости в современных транзисторах имеют порядок единиц пикофарад, а проходная емкость — десятых долей пикофарада. Путем смещения затвора (рис. 7.17) она может быть снижена на порядок. Благодаря таким величинам параметров современные транзисторы с изолированным затвором могут эффективно усиливать колебания на частотах в десятки гигагерц.

Уровень шумов у транзисторов с изолированным затвором несколько выше (на 1—2 дБ), чем у транзисторов с р-n-затвором; в данном случае существенное значение имеют поверхностные шумы.

Исключительно высокое входное сопротивление постоянному току, значительное сопротивление изоляции между входом и выходом (10 14 — 10 15 Ом), наличие термостабильной точки, позволяющей исключить специальные меры температурной стабилизации режима, способность работы в условиях сверхнизких температур, квадратичность передаточной характеристики, обусловливающая низкий уровень нелинейных искажений, большой динамический диапазон передаточной характеристики — все эти качества делают полевой транзистор с изолированным затвором одним из наиболее перспективных усилительных приборов на малом уровне мощности. Хорошие результаты получены и в области конструирования мощных МДП-транзисторов, которые также обладают рядом преимуществ.

Для получения высокой выходной мощности МДП-транзнстор должен иметь большой ток стока и высокое пробивное напряжение сто­кового перехода. Для получения большого тока, как вытекает из выражения (7.46), необходимы короткий широкий канал и малая толщина изолирующего слоя. Минимальная толщина изолирующего окисла ограничивается напряжением пробоя и составляет 0,2 мкм, минимальная длина канала также ограничивается напряжением пробоя и при U_CИ=120 В составляет примерно 10 мкм.

Отечественной промышленностью выпускаются мощные полевые транзисторы подобного типа: КП901, КП902, КП904, КП905, КП907. По величине рабочего напряжения (до 100 В), рабочего тока (до 7,5 А), рассеиваемой мощности (до 75 Вт) и выходной мощности (до 50 Вт на 60 МГц – КП904 и до 6 Вт на 1 ГГц – КП907) они не уступают биполярным транзисторам. В то же время указанные транзисторы имеют ряд преимуществ перед биполярными транзисторами. К ним относятся:

отрицательный температурный коэффициент, обеспечивающий равномерное распределение температуры и, как следствие, отсутствие вторичного пробоя;

высокое входное сопротивление;

высокий коэффициент широкополосности K_UΔf, обеспечивающий полосу усиливаемых частот в сотни мегагерц и время нарастания импульса 0,4–1 нc;

высокая температурная стабильность параметров;

почти линейная (а не квадратичная, как у маломощных приборов) передаточная характеристика I_c=f(U_ЗИ), обеспечивающая существенное уменьшение нелинейных искажений в низкочастотных и интермодуляционных искажений в высокочастотных усилителях;

возможность параллельного подключения транзисторов для увеличения выходной мощности благодаря присущему им ограничению тока стока на уровне I_{с max} и малому разбросу крутизны S, обеспечивающим равномерное распределение тока между отдельными приборами.

Широкие возможности использования мощных МДП-транзисторов в радиоэлектронной аппаратуре определяют исключительную перспективность этой сравнительно новой функциональной группы электронных приборов.

МДП-транзисторы в ключевом режиме

Общие сведения. Полевые транзисторы, главным образом имеющие индуцированный канал, находят широкое применение в качестве ключевых элементов в разнообразных устройствах цифровой электронной техники. Преобладающее положение транзисторов с индуцированным каналом (обычно p-типа) в ключевых схемах объясняется наличием у них четко выраженного уровня порогового напряжения затвора U_пор. Если управляющее напряжение U_вх, подаваемое на затвор, меньше порогового, то транзистор закрыт, если больше порогового, то транзистор открыт.

Наибольшее распространение получила схема с общим истоком (рис. 7.18). Управляющее напряжение Û_вых=Û_ЗИ подается на затвор. Выходное напряжение Û_вых=Û_СИ снимается со стока. Подложка обычно соединяется с истоком. На схеме показан транзистор с индуцированным р-каналом.

Статические состояния ключа. На рис. 7.19 показана нагрузочная характеристика транзистора, нанесенная на семейство его выходных статических характеристик I_c=f(U_СИ) при U_ЗИ=var в соответствии с уравнением (7.27):

Ключ в рабочем режиме постоянно находится в одном из двух состояний (точка А или В на нагрузочной характеристике).

Состояние А — ключ закрыт, через транзистор протекает пренебрежимо малый ток. Выходное напряжение равно практически напряжению источника питания Û_вых=U_A=ε_СИ, если сопротивление нагрузки резистора R_с не очень большое. В этом режиме входное напряжение должно быть меньше порогового: |Û_вх|<|U_пор| (см рис. 7.11, б).

Состояние В — ключ открыт, через транзистор протекает полный рабочий ток. В этом режиме входное напряжение должно быть больше порогового: |Û_вх|>|U_пор|. Выходное напряжение

Û_вых=U_B=ε_СИ — R_cÎ_с (7.55)

уменьшается вследствие увеличения падения напряжения на нагрузке R_c.

Выходное напряжение открытого ключа тем меньше (что желательно), чем выше сопротивление резистора R_c и больше ток транзистора в режиме открытого канала, т. е. на восходящем участке его выходных характеристик. Из соотношения (7.46) вытекает, что при заданном напряжении затвора U_ЗИ ток стока I_c тем больше, чем выше постоянная β и меньше пороговое напряжение U_пор. Постоянная β, определяемая выражением (7.47), зависит от электрофизических и геометрических параметров МДП-структуры; ее значение может быть увеличено путем повышения отношения ω/l (широкий и короткий капал) и уменьшения толщины диэлектрика δ. Пороговое напряжение U_пор зависит от материала затвора и структуры переходов затвор — диэлектрик, диэлектрик — канал, снижение этого напряжения может быть достигнуто уменьшением поверхностного заряда полупроводника Q_s, обусловленного донорными поверхностными состояниями, и заряда Q₀ в диэлектрике, обусловленного положительными ионами, образующимися в диэлектрике в процессе окисления кремния и фотолитографии [см. формулу (7.40)]. Перспективным направлением в разработке низкопороговых ключевых МДП-транзисторов является применение кремниевого затвора вместо металлического. В таких транзисторах пороговое напряжение снижается до 1,5 В, т. е. почти вдвое по сравнению с транзисторами, имеющими металлический затвор.

П роцесс включения транзистора. Под воздействием управляющего напряжения транзистор открывается и через него происходит разряд выходной емкости C_CИ, которая при закрытом транзисторе была заряжена до напряжения ε_СИ (рис. 7.20).

Рассмотрим процесс включения транзистора с помощью идеализированного графика перемещения рабочей точки из положения А в положение В (показан на рис. 7.19 пунктирными стрелками). После подачи импульса входного напряжения Û_вх=U_ЗИ IV в течение времени задержки t₃ формируется новое (проводящее) состояние канала. Это время определяется динамической входной емкостью ключа (она больше статической емкости С_ЗИ за счет влияния проходной С_ЗС и выходной С_СИ емкостей), а также пороговым напряжением U_пор, амплитудой и внутренним сопротивлением Û_вх источника входного напряжения:

Если внутреннее сопротивление R_r источника входного сигнала небольшое (источник напряжения), то время задержки t_з пренебрежимо мало. Снижение порогового напряжения также уменьшает время задержки.

После того как сформировалось проводящее состояние канала, рабочая точка скачком переходит в положение А₁, поскольку выходное напряжение U_СИ не может мгновенно уменьшиться из-за влияния выходной емкости С_СИ, для разряда которой требуется определенное время. По мере разряда емкости С_СИ через открытый канал током I_p рабочая точка за некоторое время t₁ перемещается и положение A₂. Разряд осуществляется током постоянной величины (влиянием высокоомного резистора R_с пренебрегаем):

В этом случае справедливо соотношение

в котором должна быть учтена проходная емкость С_зс, если источник входного напряжения низкоомный.

Переходя в формуле (7.58) к конечным приращениям, получим с учетом начальных условий [при t=0 U_СИ=-ε_си, при t=t₁ U_СИ=-(U_ЗИ—U_пор)]

или с учетом соотношения (7.57)

На завершающем этапе процесса включения рабочая точка переме­щается за время t₂ в положение В, на выходе устанавливается напряже­ние Û_вых=U_B. Для расчета времени t₂ представим транзистор в режиме открытого канала, т. е. на восходящем участке выходных характеристик A₂-В, в виде резистора, имеющего сопротивление R_ko=U_СИ/I_c, где в соответствии с выражением (7.44)

Тогда время t₂ может быть оценено с помощью соотношения для элементарной RC-цепочки:

Полное время включения транзистора

Из рассмотренного следует, что для уменьшения времени включения необходимо увеличивать постоянную β и уменьшать пороговое напряжение U_пор.

Процесс выключения транзистора. При уменьшении входного напряжения ниже порогового значения рабочая точка переходит из положения В в положение В₁. Время перехода зависит от входной емкости транзистора и внутреннего сопротивления источника сигнала R_r. В реальных условиях оно пренебрежимо мало.

Далее происходит заряд выходной емкости С_CИ через резистор R_c от источника ε_CИ. Время заряда t_з≈2,3R_cC_СИ определяет время выключения транзистора t_выкл≈t_з. Это время больше времени включения t_вкл, поскольку сопротивление резистора R_с обычно велико.

В ременные диаграммы входного и выходного напряжении ключа на транзисторе с изолированным затвором показаны на рис. 7.21.

Ключевые МДП-транзисторы. Для работы в ключевом режиме необходимы транзисторы, удовлетворяющие специфической системе требований, отличающихся от тех, которые характерны для транзисторов, работающих в усилительном режиме. По этой причине промышленностью выпускается ряд транзисторов, специально

предназначенных для работы в ключевом режиме. Такие транзисторы будем для краткости называть ключевыми.

Сравнивая ключевые МДП-транзисторы с ключевыми биполярными транзисторами, можно отметить важное свойство первых, заключающееся в наличии высокоомного входа, допускающего управление по напряжению. Другими преимуществами являются:

высокое быстродействие, обусловленное отсутствием в канале неравновесных носителей заряда и малыми величинами входной и выходной емкостей (время переключения 1– 0,4 нс);

сочетание высокого быстродействия с большими напряжениями и токами переключения (до 10 А за 15 нс);

низкое сопротивление открытого канала, обеспечивающее коммутацию сигналов в низкоомных цепях, например в коаксиальном кабеле с волновым сопротивлением 50 Ом;

возможность параллельного включения транзисторов для увеличения коммутируемой мощности.

Ввиду указанных преимуществ ключевые МДП-транзисторы находят все более широкое практическое применение.

На рис. 7.18 показана структура МДП-транзнстора, имеющая подобные данные и ширину канала 12 см. Транзистор отдает мощность до 30 Вт на частоте 30 МГц. Для обеспечения такой мощности на одной подложке размещают три МДП-структуры, соединенные параллельно.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

Ток насыщения I_с0 в цепи стока транзистора, включённого по схеме с общим истоком, при затворе накоротко замкнутым с истоком (т. е. при U_з.и=0) — характерен лишь для полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом.

Ток стока в рабочей точке можно определить по следующей формуле [2]:

где U_отс — напряжение отсечки.

Уравнение (1) является приближенным для характеристики передачи любого полевого транзистора (особенно с малыми напряжениями отсечки).

Напряжение отсечки U_отс — один из основных параметров, характеризующих полевой транзистор. При напряжении на затворе, численно равном напряжению отсечки, практически полностью перекрывается канал полевого транзистора, и ток стока при этом стремится к нулю.

Измерение истинного значения напряжения отсечки (при полном перекрытии канала) произвести довольно трудно, так как при этом приходится иметь дело с чрезвычайно малыми токами стока, к тому же зависящими от сопротивления изоляции. В справочных данных на полевые транзисторы всегда указывается, при каком значении тока стока произведены измерения напряжения отсечки. Так, например, для транзисторов КП102 напряжения U_отс получены при токе стока 20 мкА, а у транзистора КП103 — при токе стока 10 мкА.

Крутизна проходной характеристики. Входное сопротивление полевых транзисторов со стороны управляющего электрода составляет 10 7 -10 9 Ом для транзисторов с p-n-переходом. Так как входные токи полевых транзисторов чрезвычайно малы, то управление током в выходной цепи осуществляется входным напряжением. Поэтому усилительные свойства полевого транзистора, как и электронных ламп, целесообразно характеризовать крутизной проходной характеристики.

Крутизна полевых транзисторов

Максимальное значение крутизны характеристики S_макс достигается при U_з.и=0. При этом численное значение S_макс равно проводимости канала полевого транзистора при нулевых смещениях на его электродах.

Крутизна характеристики полевых транзисторов на 1-2 порядка меньше, чем у биполярных транзисторов, поэтому при малых сопротивлениях нагрузки коэффициент усиления каскада на полевом транзисторе меньше коэффициента усиления аналогичного каскада на биполярном транзисторе.

В большинстве случаев крутизну характеристики полевых транзисторов считают частотно-независимым параметром. Поэтому быстродействие электронных схем на полевых транзисторах ограничено в основном паразитными параметрами схемы.

Выражение для крутизны характеристики в рабочей точке ПТ получим, используя (1):

где U_з.и — напряжение затвор-исток, при котором вычисляется S;

Соотношение (3) позволяет по двум известным параметрам рассчитать третий.

Пробивное напряжение. Механизм пробоя полевого транзистора можно объяснить возникновением лавинного процесса в переходе затвор — канал. Обратное напряжение диода затвор — канал изменяется вдоль длины затвора, достигая максимального значения у стокового конца канала. Именно здесь происходит пробой полевого транзистора. Если выводы стока и истока поменять местами, то пробивное напряжение почти не изменится. Например, у транзистора КП102 пробой наступает при суммарном напряжении между затвором и стоком, равном 30 В. Это напряжение является минимальным; фактически напряжение пробоя составляет в среднем около 55 В, а у отдельных экземпляров достигает 120 В [7].

Пробой не приводит к выходу из строя ПТ с управляющим р-n-переходом, если при этом рассеиваемая мощность не превышает допустимой. После пробоя в нормальном рабочем режиме эти транзисторы восстанавливают свою работоспособность. Это свойство транзисторов с p-n-переходом даёт им известное преимущество перед МОП-транзисторами, у которых пробой однозначно приводит к выходу прибора из строя.

Однако необходимо оговориться, что и для ПТ с р-n-переходом пробой не всегда безвреден. Степень его влияния на параметры транзистора определяется значением и продолжительностью действия тока, протекающего при этом через затвор. Так, в результате пробоя может увеличиться ток утечки затвора в нормальном режиме [7].

Динамическое сопротивление канала r_к определяется выражением

Это сопротивление при U_с.и = 0 и произвольном смещении U_з.и можно выразить через параметры транзистора [2]:

При малом напряжении сток-исток вблизи начала координат ПТ ведёт себя как переменное омическое сопротивление, зависящее от напряжения на затворе. Это остаётся справедливым даже в случае изменения полярности напряжения стока (см. рис. 4); необходимо только, чтобы напряжение на затворе было больше, чем на стоке [5].

Зависимости сопротивления канала ПТ от напряжения на затворе

Минимальное значение сопротивления канала r_к0 наблюдается при U_з.и = 0: при увеличении обратного напряжения на затворе сопротивление канала нелинейно увеличивается (см. рис. 10). Значение r_к0 определяется по стоковой характеристике транзистора как тангенс угла наклона касательной к кривой I_с=f(U_с) при U_з.и = 0 в точке U_с.и=0.

Для приближенных расчётов имеет место простое соотношение