Полевые транзисторы

Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля (в биполярных транзисторах выходной ток управляется входным током). Полевые транзисторы называют также униполярными, так как в процессе протекания электрического тока участвует только один вид носителей.

Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим переходом и с изолированным затвором. Все они имеют три электрода: исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители).

Транзистор с управляющим p—n-переходом. Его схематическое изображение приведено на рис. 1.21, а условное графическое обозначение этого транзистора – на рис. 1.22, а, б (p— и n-типов соответственно). Стрелка указывает направление от слоя

р к слою п (как и стрелка в изображении эмиттера биполярного транзистора). В интегральных микросхемах линейные размеры транзисторов могут быть существенно меньше 1 мкм.

Рис. 1.22 Устройство транзистора

Рис. 1.23 Графическое изображение: а – канал р-типа; б – канал n-типа

Удельное сопротивление слоя n (затвора) намного меньше удельного сопротивления слоя р (канала), поэтому область р-n-перехода, обедненная подвижными носителями заряда и имеющая очень большое удельное сопротивление, расположена главным образом в слое р.

Если типы проводимости слоев полупроводника в рассмотренном транзисторе изменить на противоположные, то получим полевой транзистор с управляющим
р-n-переходом и каналом n-типа. Если подать положительное напряжение между затвором и истоком транзистора с каналом р-типа: и_зи > 0, то оно сместит p—n-переход в обратном направлении.

При увеличении обратного напряжения на переходе он расширяется в основном за счет канала (в силу указанного выше различия в удельных сопротивлениях). Увеличение ширины перехода уменьшает толщину канала и, следовательно, увеличивает его сопротивление. Это приводит к уменьшению тока между истоком и стоком. Именно это явление позволяет управлять током с помощью напряжения и соответствующего ему электрического поля. Если напряжение и_зи достаточно велико, то канал полностью перекрывается областью p—n-перехода (напряжение отсечки).

В рабочем режиме р—n-переход должен находиться под обратным или нулевым напряжением. Поэтому в рабочем режиме ток затвора примерно равен нулю (

i_з ? 0), а ток стока практически равен току истока.

На ширину р—n-перехода и толщину канала прямое влияние также оказывает напряжение между истоком и стоком. Пусть u_зи = 0 и подано положительное напряжение u_ис(рис. 1.24). Это напряжение окажется поданным и на промежуток затвор – сток, т.е. окажется, что u_зс = u_ис и р—n-переход находится под обратным напряжением.

Обратное напряжение в различных областях

р—n-перехода различно. В областях вблизи истока это напряжение практически равно нулю, а в областях вблизи стока это напряжение примерно равно величине u_ис. Поэтому p—n-переход будет шире в тех областях, которые ближе к стоку. Можно считать, что напряжение в канале от истока к стоку увеличивается линейно.

При u_ис = U_зиотс канал полностью перекроется вблизи стока (рис. 1.25). При дальнейшем увеличении напряжения u_ис эта область канала, в которой он перекрыт, будет расширяться.

Рис. 1.24 Принцип действия транзистора

Рис. 1.25 Режим отсечки

Схемы включения транзистора. Для полевого транзистора, как и для биполярного, существуют три схемы включения: схемы с общим затвором (03), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее часто используются схемы с общим истоком (рис. 1.26).

Так как в рабочем режиме i_c ? 0, то входные характеристики обычно не рассматриваются.

Выходные (стоковые) характеристики. Выходной характеристикой называют зависимость вида

где f – некоторая функция.

Выходные характеристики для транзистора с р—n-переходом и каналом n-типа приведены на рис. 1.27.

Обратимся к характеристике, соответствующей условию u_зи = 0. В линейной области (u_ис < 4 В) характеристика почти линейна (все характеристики этой области представляют собой почти прямые линии, веерообразно выходящие из начала координат). Она определяется сопротивлением канала. Транзистор, работающий в линейной области, можно использовать в качестве линейного управляемого сопротивления.

При u_ис > 4 В канал в области стока перекрывается. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к очень незначительному росту тока, так как с увеличением напряжения область, в которой канал перекрыт, расширяется. При этом сопротивление промежутка исток-сток увеличивается, а ток i_c практически не изменяется. Это область насыщения. Ток стока в области насыщения u_зи = 0 и при заданном напряжении и_синазывают начальным током стока и обозначают через

i_{c нач}. Для рассматриваемых характеристик i_{c нач} = 5 мА при и_си = 10 В.

Рис. 1.26 Схема с общей базой

Рис. 1.27 Выходные характеристики

Параметрами, характеризующими свойства транзистора усиливать напряжение, являются:

1) Крутизна стокозатворной характеристики

S (крутизна характеристики полевого транзистора):

2) Внутреннее дифференциальное сопротивление Rис диф

3) Коэффициент усиления

Можно заметить, что

Транзисторы с изолированным затвором. Полевой транзистор с изолированным затвором – это транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. Физической основой работы таких транзисторов является эффект поля, который состоит в изменении концентрации свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля. В соответствии с их структурой такие транзисторы называют

МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП-транзисторами (металл-оксид-полупроводник). Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным и со встроенным каналами.

Рис. 1.28 Устройство МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа

На рис. 1.28 показан принцип устройства транзистора со встроенным каналом.

Основанием (подложкой) служит кремниевая пластинка с электропроводностью p-типа. В ней созданы две области с электропроводностью n⁺-типа с повышенной проводимостью. Эти области являются истоком и стоком и от них сделаны выводы. Между стоком и истоком имеется приповерхностый канал с электропроводностью n-типа. Заштрихованная область – диэлектрический слой из диоксида кремния (его толщина обычно составляет 0,1 – 0,2 мкм). Сверху диэлектрического слоя расположен затвор в виде тонкой металлической пленки. Кристалл такого транзистора обычно соединен с истоком, и его потенциал принимается за нулевой. Иногда от кристалла бывает сделан отдельный вывод.

Если к затвору приложено нулевое напряжение, то при подаче между стоком и истоком напряжения через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов. Через кристалл ток не пойдет, так как один из p—n-переходов находится под обратным напряжением. При подаче на затвор напряжения отрицательной полярности относительно истока (следовательно, и кристалла) в канале образуется поперечное электрическое поле, которое выталкивает электроны из канала в области истока, стока и кристалла. Канал обедняется электронами, его сопротивление увеличивается, ток уменьшается. Чем больше напряжение на затворе, тем меньше ток. Такой режим называется режимом обеднения. Если подать положительное напряжение на затвор, то под действием поля из областей стока, истока и кристалла в канал будут приходить электроны. Сопротивление канала падает, ток увеличивается. Такой режим называется режимом обогащения. Если кристалл n-типа, то канал должен быть p-типа и полярность напряжения меняется на противоположную.

Другим типом является транзистор с индуцированным (инверсным) каналом (рис. 1.29). От предыдущего он отличается тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.

При отсутствии напряжения на затворе канала нет, между истоком и стоком
n⁺-типа расположен только кристалл p-типа и на одном из p-n⁺-переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между стоком и истоком велико и транзистор закрыт. При подаче на затвор напряжения положительной полярности под влиянием поля затвора электроны проводимости будут перемещаться из областей стока и истока и p-области по направлению к затвору. Когда напряжение на затворе достигает своего отпирающего (порогового) значения (еденицы вольт), в приповерхностном слое концентрация электронов настолько увеличивается, что превышает концентрацию дырок, и в этом слое произойдет так называемая инверсия типа электропроводности, т.е. образуется тонкий канал n-типа, и транзистор начнет проводить ток. Чем больше напряжение на затворе, тем больше ток стока. Очевидно, что такой транзистор может работать только в режиме обогащения. Если подложка n-типа, то получится индуцированный канал p-типа. Транзисторы с индуцированным каналом часто встречаются в устройствах переключения. Схемы включения полевых транзисторов подобны схемам включения биполярных. Следует отметить, что полевой транзистор позволяет получить намного больший коэффициент усиления, нежели биполярный. Обладая высоким входным сопротивлением (и низким выходным) полевые транзисторы постепенно вытесняют биполярные.

По электропроводности канала различают p-канальные и n-канальные МДП-транзисторы. Условное обозначение этих приборов на электрических схемах показано на рис. 1.30. Существует классификация МДП-транзисторов по конструктивно-технологическим признакам (чаще по виду материала затвора).

Рис. 1.30 Условные графические обозначения полевых транзисторов
с изолированным затвором: а – со встроенным р-каналом; б – со встроенным
n-каналом; в – с индуцированным p-каналом; г – с индуцированным n-каналом

Интегральные микросхемы, содержащие одновременно p—канальные и n-канальные МДП-транзисторы, называют комплементарными (сокращенно КМДП-ИМС). КМДП-ИМС отличаются высокой помехоустойчивостью, малой потребляемой мощностью, высоким быстродействием.

Частотные свойства полевых транзисторов определяются постоянной времени RC-цепи затвора. Поскольку входная емкость Сзи у транзисторов с р—n-переходом велика (десятки пикофарад), их применение в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением возможно в диапазоне частот, не превышающих сотен килогерц – единиц мегагерц.

При работе в переключающих схемах скорость переключения полностью определяется постоянной времени RC-цепи затвора. У полевых транзисторов с изолированным затвором входная емкость значительно меньше, поэтому их частотные свойства намного лучше, чем у полевых транзисторов с р-n-переходом.

2.3.3 Полевые транзисторы

2.3.3.1 Полевые транзисторы с управляющим переходом

Широкое распространение получили полевые транзисторы, иначе называемые канальными или униполярными в отли­чие от биполярных транзисторов. Идею устройства этих приборов предложил в 1952 г. один из изобретателей биполяр­ного транзистора У. Шокли. Главное достоинство полевых транзисторов – высокое входное сопротивление, которое может быть таким же, как у электрон­ных ламп, и даже больше. В настоящее время биполярные транзисторы все чаще и чаще вытесняются полевыми.

Принцип устройства и включения полевого транзистора с управляющим n– р-переходом, а также его условное графическое обозначение показаны на риунок 7.1. Пластинка из полупроводника, например, n-типа имеет на противо­положных концах электроды, с помощью которых она включена в выходную (управляемую) цепь усилительного кас­када. Эта цепь питается от источника Е₂, и в нее включена нагрузка R_н. Вдоль транзистора проходит выходной ток основных носителей. В нашем при­мере это электронный ток. Входная (управляющая) цепь транзистора образо­вана с помощью третьего электрода, представляющего собой область с другим типом электропроводности. В дан­ном случае это р-область. Источник питания входной цепи Е₁ создает на единственном n–р-переходе данного транзистора обратное напряжение. На­пряжение другой полярности, т. е. пря­мое напряжение, на n–р-переход не подают, так как тогда входное сопро­тивление будет очень малым. Во вход­ную цепь включен источник усиливаемых колебаний ИК.

Рисунок 7.1 – Схема включения и условное графическое обозначение полевого транзистора с n–p-переходом и каналом n-типа

Физические процессы в полевом транзисторе происходят следующим об­разом. При изменении входного напря­жения изменяется обратное напряжение на n–р-переходе, и от этого изменяет­ся толщина запирающего (обедненного) слоя, ограниченного на рисунок 7.1 штрихо­выми линиями. Соответственно этому меняется площадь поперечного сечения области, через которую проходит поток основных носителей заряда, т. е. выход­ной ток. Эта область называется кана­лом.

Электрод, из которого в канал вы­текают основные носители заряда, назы­вают истоком (И). Из канала носители проходят к электроду, который называ­ется стоком (С). Исток и сток анало­гичны катоду и аноду электронной лам­пы соответственно. Управляющий элект­род, предназначенный для регулирова­ния площади поперечного сечения ка­нала, называется затвором (З), и в какой-то степени он аналогичен сетке вакуум­ного триода или базе биполярного транзистора, хотя, конечно, по физи­ческому принципу работы затвор и база весьма различны.

Если увеличивать напряжение затво­ра u_з-и, то запирающий слой n-р-перехода становится толще и площадь по­перечного сечения канала уменьшается. Следовательно, его сопротивление по­стоянному току R₀ возрастает и ток стока i_c становится меньше. При неко­тором запирающем напряжении u_{з-и зап} площадь поперечного сечения канала станет равной нулю и ток i_c будет весьма малым. Транзистор запирается. А при u_з-и = 0 сечение канала наиболь­шее, сопротивление R₀ наименьшее, на­пример несколько сотен Ом, и ток i_cполучается наибольшим. Для того чтобы входное напряжение возможно более эффективно управляло выходным током, материал основного полупроводника, в котором создан канал, должен быть высокоомным, т. е. с невысокой концент­рацией примесей. Тогда запирающий слой в нем получается большей толщи­ны. Кроме того, начальная толщина самого канала (при u_з-и = 0) должна быть достаточно малой. Обычно она не превышает нескольких микрометров. Запирающее напряжение u_{з-и зап} при этих условиях составляет единицы вольт.

Поскольку вдоль канала потенциал повышается по мере приближения к стоку, то ближе к стоку обратное напряжение n–р-перехода увеличива­ется и толщина запирающего слоя по­лучается больше.

Полевые транзисторы с n–р-переходом могут быть изготовлены сплавлением или диффузией. Лучшими являют­ся диффузионные транзисторы. На рисунке 7.2 изображен принцип устройства диффузионного полевого транзистора, изготовленного по планарно-эпитаксиальной технологии. Для примера пока­зан канал р-типа (конечно, он может быть и n-типа). Области истока и стока обычно делаются с повышенной прово­димостью (электропроводность р⁺-типа), чтобы уменьшить бесполезное падение напряжения и потерю мощности в этих областях. Повышенную проводимость имеет и область затвора (электропровод- ность n⁺-типа). Это обеспечивает увели­чение толщины запирающего слоя глав­ным образом в сторону канала, т. е. усиливает управляющее действие затво­ра. Кристалл транзистора (подложка) является областью n-типа, от которой часто делают вывод. Тогда кристалл может быть использован как дополни­тельный затвор. Подавая, например, на него некоторое постоянное напряжение, устанавливают начальную толщину ка­нала.

Рисунок 7.2 – Принцип устройства и условное графическое обозначение планарно-эпитаксиального полевого транзистора с каналом р-типа

Сплавные полевые транзисторы яв­ляются низкочастотными, а диффузион­ные могут работать на частотах до десятков и даже сотен мегагерц. Следует отметить, что само перемещение основ­ных носителей по каналу происходит под действием ускоряющего поля очень быстро, и поэтому предельная частота определяется не этим процессом, а влия­нием собственных емкостей транзистора.

Характеристики и параметры полевых транзисторов. Управляющее действие затвора наглядно иллюстрируют управ­ляющие (стокозатворные) характери­стики, выражающие зависимость i_c = f(u_з-и) при u_з-и = const (рисунок 7.3). Однако эти характеристики неудобны для расчетов, и поэтому на практике поль­зуются выходными характеристиками.

Рисунок 7.3 – Управляющие (стокозатворные) характеристики полевого транзистора с каналом n-типа

На рисунке 7.4 изображены выходные (стоковые) характеристики полевого транзистора i_c = f(u_з-и) при u_з-и = const. Они показывают, что с увеличением u_с-и ток i_c сначала растет довольно быстро, а затем это нарастание замед­ляется и почти совсем прекращается, т. е. наступает явление, напоминающее насыщение. Это объясняется тем, что при повышении u_с-и ток должен увели­чиваться, но так как одновременно по­вышается обратное напряжение на n–р-переходе, то запирающий слой расширя­ется, канал сужается, т. е. его сопротив­ление возрастает, и за счет этого ток i_c должен уменьшиться. Таким образом, имеют место два взаимно противопо­ложных воздействия на ток, который в результате остается почти постоян­ным.

Рисунок 7.4 – Выходные (стоковые) характеристики полевого транзистора с каналом n-типа

При подаче большего по абсолют­ному значению отрицательного напря­жения на затвор ток i_c уменьшается и характеристика проходит ниже.

Повышение напряжения стока в кон­це концов приводит к электрическому пробою n-p-перехода, и ток стока начи­нает лавинообразно нарастать, что по­казано на рисунке штриховыми линиями. Напряжение пробоя является одним из предельных параметров полевого тран­зистора.

Работа транзистора обычно проис­ходит на пологих участках характери­стик, т. е. в области, которую часто не совсем удачно называют областью насыщения. Напряжение, при котором начинается эта область, иногда называ­ют напряжением насыщения, а запи­рающее напряжение затвора иначе еще называется напряжением отсечки.

Следует отметить, что для тран­зисторов с каналом р-типа полярности питающих напряжений противоположны тем, какие показаны на рисунке 7.1, 7.3 и 7.4 для транзисторов с каналом n-типа.

Полевой транзистор характеризуется следующими параметрами. Основной параметр — крутизна S, аналогичная па­раметру у а биполярных транзисторов. Крутизна определяется по формуле

(7.1)

S = у₂₁ = Δi_c /Δu_з-и при u_с-и = const

и может быть до нескольких миллиам­пер на вольт.

Крутизна характеризует управляю­щее действие затвора. Например, S = = 3 мА/В означает, что изменение напряжения затвора на 1 В создает изменение тока стока на 3 мА.

Второй параметр – внутреннее (вы­ходное) сопротивление R_i, аналогичное величине 1/у₂₂ для биполярного тран­зистора. Этот параметр представляет собой сопротивление транзистора между стоком и истоком (сопротивление Кана­ла) для переменного тока и выражается формулой

R_i = 1/у₂₂ = Δu_с-и /Δi_c при u_з-и = const

(7.2)

На пологих участках выходных ха­рактеристик значение R_i достигает сотен килоом и оказывается во много раз больше сопротивления транзистора постоянному току R₀.

Иногда пользуются еще третьим па­раметром – коэффициентом усиления μ, который показывает, во сколько раз сильнее действует на ток стока измене­ние напряжения затвора, нежели измене­ние напряжения стока. Коэффициент уси­ления определяется формулой

(7.3)

 = – Δu_с-и / Δu_з-и при i_c = const

т. е. выражается отношением таких из­менений Δu_с-и и Δu_з-и, которые компен­сируют друг друга по действию на ток i_c, в результате чего этот ток остается постоянным. Так как для подобной компенсации Δu_с-и и Δu_з-и должны иметь разные знаки (например, увеличение Δu_с-и должно компенсироваться уменьшением Δu_з-и), то в правой части формулы (7.3) стоит знак «минус». Иначе, можно вместо этого взять абсолютное значение пра­вой части. Коэффициент усиления свя­зан с параметрами S и R_i простой зависимостью

 = SR_i

(7.4)

Для пологих участков выходных ха­рактеристик  достигает сотен и даже тысяч. В начальной области этих харак­теристик, когда они идут круто (при малых u_с-и), значения всех трех парамет­ров уменьшаются. Параметры S и R_iдля заданного режима можно опреде­лять из выходных характеристик по методу двух точек, подобно тому как это делалось для биполярных тран­зисторов (см. гл. 5), а ц надо вычислять по формуле (7.4).

Входное сопротивление полевого транзистора определяется, как обычно, по формуле

(7.5)

R_вх = Δu_з-и / i_з при Δu_с-и = const

Поскольку ток i_з – обратный ток n-р-перехода, а значит, очень мал, то R_вх достигает единиц и десятков мегаом. Полевой транзистор имеет также вход­ную емкость между затвором и истоком С_з-и, которая является барьерной ем­костью n-р-перехода и составляет еди­ницы пикофарад у диффузионных тран­зисторов и десятки пикофарад у сплав­ных. Меньшие значения имеет проход­ная емкость между затвором и стоком С_з-с, а самой малой является выходная емкость между истоком и стоком С_с-и.

Схемы включения полевых транзи­сторов. Подобно биполярным транзисто­рам полевой транзистор можно вклю­чить по одной из трех основных схем. На рисунке 7.1 была показана наиболее часто применяемая схема включения с общим истоком (ОИ), аналогичная схе­ме с общим эмиттером. Каскад с общим истоком дает очень большое усиление тока и мощности и переворачивает фазу напряжения при усилении. Посколь­ку обычно R_н << R_i, то коэффициент усиления каскада по напряжению мож­но подсчитать по формуле

(7.6)

K  SR_н

которая аналогична формуле (6.4) для каскада с общим эмиттером.

На рисунке 7.5 показана эквивалентная схема (схема замещения) полевого тран­зистора для включения его с общим истоком. Поскольку R_вх очень велико, то его можно не учитывать. Для низ­ких частот во многих случаях можно исключить из схемы емкости. Генератор тока SU_{m вх} отражает усиление, даваемое транзистором, а сопротивление R_i пред­ставляет собой сопротивление канала переменному току, т. е. выходное сопро­тивление. К входным зажимам подклю­чается источник колебаний, а к выход­ным – нагрузка.

Рисунок 7.5 – Эквивалентная схема полевого транзистора

В практических усилительных каска­дах обычно применяется питание от одного источника Е₂, как это показано на рисунке 7.6 для транзистора с n-каналом. Для получения постоянного обратного напряжения на управляющем n–р-переходе в провод истока включается ре­зистор R_и, зашунтированный конденса­тором С_и. Постоянный ток стока I_c0 создает на резисторе R_н напряжение U_з-и0 = I_c0 R_и, которое через источник колебаний ИК подается на. n– р-переход. Сопротивление R_и рассчитывается по формуле R_и = U_з-и0/ I_c0. Величины U_з-и0 и I_c0 могут быть определены для выбранного режима работы из выходных характеристик. Через конденсатор С_и проходит переменная составляющая тока стока. Емкость С_и должна быть такой, чтобы емкостное сопротивление для низшей частоты f_и было во много раз меньше R_н. Тогда на емкости С_и будет небольшое переменное напряже­ние. Если конденсатора R_н. нет или его емкость недостаточна, то на R_и полу­чается значительное переменное напря­жение. Оно будет подаваться на вход транзистора в противофазе с входным напряжением u_вх (отрицательная обрат­ная связь). Результирующее переменное напряжение на входе транзистора станет меньше, и коэффициент усиления сни­зится.

Рисунок 7.6 – Питание полевого транзистора от одного источника

Следует заметить, что иногда такая отрицательная обратная связь применя­ется для улучшения работы усилителя (уменьшения искажений, повышения ус­тойчивости коэффициента усиления).

Схема на рисунке 7.6, называемая часто схемой с автоматическим напряжением смещения U_з-и0 n–р-перехода, непригод­на для запирания транзистора. Действи­тельно, напряжение смещения U_з-и полу­чается за счет тока стока I_c0, но у за­пертого транзистора этот ток равен нулю. Если нужно запереть транзистор при отсутствии входного напряжения u_вх, tq применяют схему, представлен­ную на рисунке 7.7. В ней напряжение источника Е₂ подано на делитель R₁R₂ и постоянное напряжение на резисторе R₁ является запирающим напряжением смещения U_з-и0. Сопротивление R₁ опре­деляется по формуле R₁ = U_з-и0/ I_д, где I_д — ток делителя, который выбирается сравнительно небольшим, чтобы на делителе не было значительной потери мощности источника Е₂. Но вместе с тем ток I_д должен быть в несколько раз больше тока I_c0, получающегося при подаче входного напряжения U_вх. Кон­денсатор С выполняет ту же роль, что и в предыдущей схеме.

Рисунок 7.7 – Схема питания, позволяющая запирать транзистор

Иногда источник колебаний ИК по­мимо переменного дает постоянное на­пряжение, которое не должно попадать на вход транзистора. В этом случае переменное входное напряжение подают через разделительный конденсатор С_р (рисунок 7.8), а напряжение смещения U_з-и0 – через резистор R_з, который должен иметь большое сопротивление, чтобы не снижа­лось входное сопротивление каскада.

Рисунок 7.8 – Подача входного напряжения через разделительный конденсатор

Рисунок 7.9 – Схемы включения полевого транзистора с общим затвором (а) и с общим стоком (б)

На рисунке 7.9 показано включение по­левого транзистора с каналом n-типа по схеме с общим затвором (ОЗ) и общим стоком (ОС). Схема с общим затвором аналогична схеме с общей базой. Она не дает усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Входное сопротивление данной схемы мало, так как входным током является ток стока. Фаза напряжения при усиле­нии не переворачивается. Каскад по схеме ОС подобен эмиттерному повто­рителю и может быть назван потоковым повторителем. Коэффициент усиления каскада по напряжению близок к едини­це. Выходное напряжение по значению н фазе повторяет входное. Для такого каскада характерно сравнительно неболь­шое выходное сопротивление и повы­шенное входное. Кроме того, значитель­но уменьшается входная емкость, что способствует увеличению входного со­противления на высоких частотах.

Усилительные каскады с полевым транзистором, включенным по схеме ОЗ или ОС, могут питаться от одного источника. На рисунке 7.10 показаны схемы питания для включения транзистора с общим затвором. В схеме на рисунке 7.10, а постоянный ток стока создает на ре­зисторе R падение напряжения U_з-и0 = I_c0R, которое подается на затвор. Если нужно, чтобы при отсутствии сиг­нала транзистор был заперт, то при­меняют схему, приведенную на рисунке 7.10, б, с делителем напряжения R₁R₂. В ней запирающее напряжение создается на резисторе R₁ от протекания по нему тока делителя I_д. Это напряжение равно U_з-и0 = I_дR₁. При отпирании транзистора к току делителя добавляется еще ток стока и напряжение на затворе возрастает. В обеих схемах конденсатор С служит для сгла­живания пульсаций.

Рисунок 7.10 – Питание схемы ОЗ от одного источника

Схема с общим истоком и питанием от одного источника дана на рисунке 7.11. На затвор подается постоянное отрица­тельное напряжение U_з-и0 = I_c0R_н с рези­стора нагрузки R_н. Если это напряжение слишком большое, то его уменьшают, подавая дополнительно на затвор некоторое положительное напряжение, например, с делителя напряжения, как это показано на рисунке 7.12. В этом случае на затвор подается напряжение U_з-и0 = I_c0R_н – I_дR₁. Возможны и другие схемы питания полевого транзистора от одного источника.

Рисунок 7.11 – Питание схемы ОИ от одного источника

Рисунок 7.12 – Питание схемы ОИ от одного источника с делителем напряжения

Помимо высокого входного сопро­тивления полевые транзисторы имеют ряд преимуществ по сравнению с би­полярными. Так как в полевом тран­зисторе ток i_c вызван перемещением основных носителей, концентрация кото­рых определяется преимущественно ко­личеством примеси и поэтому мало за­висит от температуры, то полевые тран­зисторы более температуростабильны, т. е. меньше изменяют свои характери­стики и параметры при изменении температуры. Они могут хорошо работать в более широком интервале температур. При повышении температуры наблюда­ется только значительное увеличение тока затвора (тока неосновных носите­лей), но все же он остается достаточно малым, и поэтому входное сопротивле­ние сохраняет высокие значения. Поле­вой транзистор создает меньшие шумы и обладает более высокой стойкостью к воздействию ионизирующего излуче­ния. По радиационной стойкости эти транзисторы приближаются к электрон­ным лампам. Недостаток многих поле­вых транзисторов – сравнительно невы­сокая крутизна.

Как правило, выпускаются кремние­вые полевые транзисторы. Кремний при­меняется потому, что ток затвора, т. е. обратный ток n – р-перехода, получается во много раз меньше, чем у германия. При температуре 20°С постоянный ток затвора может составлять всего лишь 1 нА, т.е. 10^–9 А.

Ответы на вопросы по полевым транзисторам

1. Устройство и принцип действия полевых транзисторов

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток создаётся только основными носителями зарядов под действием продольного электрического поля, а управляющее этим током осуществляется поперечным электрическим полем, которое создаётся напряжением, приложенным к управляющему электроду.

Несколько определений:

• Вывод полевого транзистора, от которого истекают основные носители зарядов, называется истоком.

• Вывод полевого транзистора, к которому стекают основные носители зарядов, называется стоком.

• Вывод полевого транзистора, к которому прикладывается управляющее напряжение, создающее поперечное электрическое поле называется затвором.

• Участок полупроводника, по которому движутся основные носители зарядов, между p-n переходом, называется каналом полевого транзистора.

Поэтому полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналом p-типа или n-типа.

Принцип действия рассмотрим на примере транзистора с каналом n-типа.

1) Uзи = 0; Ic1 = max;

2) |Uзи| > 0; Ic2 < Ic1

3) |Uзи| >> 0; Ic3 = 0

На затвор всегда подаётся такое напряжение, чтобы переходы закрывались. Напряжение между стоком и истоком создаёт продольное электрическое поле, за счёт которого через канал движутся основные носители зарядов, создавая ток стока.

1) При отсутствии напряжения на затворе p-n переходы закрыты собственным внутренним полем, ширина их минимальна, а ширина канала максимальна и ток стока будет максимальным.

2) При увеличении запирающего напряжения на затворе ширина p-n переходов увеличивается, а ширина канала и ток стока уменьшаются.

3) При достаточно больших напряжениях на затворе ширина p-n переходов может увеличиться настолько, что они сольются, ток стока станет равным нулю.

Напряжение на затворе, при котором ток стока равен нулю, называется напряжением отсечки.

Вывод: полевой транзистор представляет собой управляемый полупроводниковый прибор, так как, изменяя напряжение на затворе, можно уменьшать ток стока и поэтому принято говорить, что полевые транзисторы с управляющими p-n переходами работают только в режиме обеднения канала.

2. Чем объяснить высокое входное сопротивление полевого транзистора?

Т.к. управление полевым транзистором осуществляется электрическим полем, то в управляющем электроде практически нет тока, за исключением тока утечки. Поэтому полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление, порядка 10¹⁴ Ом.

3. От чего зависит ток стока полевого транзистора?

Зависит от подаваемых напряжений U_си и U_зи.

4. Схемы включения полевых транзисторов.

Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).

На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком даёт очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не даёт усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение в усилительной технике.

5. В чем отличие полевого транзистора от биполярного?

В полевом транзисторе управление током осуществляется электрическим полем, создаваемым приложенным напряжением, а не с помощью тока базы. Поэтому в управляющем электроде практически нет тока, за исключением токов утечки.

6. Статический режим включения транзистора. Статические характеристики полевых транзисторов.

К основным характеристикам относятся:

• Стокозатворная характеристика (рис. а) – это зависимость тока стока (Ic) от напряжения на затворе (Uси) для транзисторов с каналом n-типа.

• Стоковая характеристика (рис. б) – это зависимость Ic от Uси при постоянном напряжении на затворе Ic = f (Uси) при Uзи = Const.

Основные параметры:

• Напряжение отсечки.

• Крутизна стокозатворной характеристики. Она показывает, на сколько миллиампер изменится ток стока при изменении напряжения на затворе на 1 В.

7. Поясните влияние на ток стока напряжений U_зи и U_си.

Влияние подводимых напряжений в транзисторе в управляемом иллюстрируется на рисунке:

8. Как влияет нагрузка на ток стока.

9. Три основных рабочих режима транзистора.

В различных видах полевых транзисторов и при различных внешних напряжениях затвор может оказывать два вида воздействий на канал: в первом случае (например, в полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом при напряжениях на электродах, соответствующих рис. 2-1.5) он препятствует протеканию тока через канал, уменьшая число носителей зарядов, проходящих через него (такой режим называют режимом обеднения канала), во втором случае (например, в МДП-транзисторах с индуцированным каналом, включенных в соответствии с рис. 2-1.7) затвор, наоборот, стимулирует протекание тока через канал, увеличивая число носителей зарядов в потоке (режим обогащения канала). Часто просто говорят о режиме обеднения и режиме обогащения. Заметим, что МДП-транзисторы с индуцированным каналом могут находиться в активном режиме только в случае режима обогащения канала, а для МДП-транзисторов со встроенным каналом это может быть и режим обогащения, и режим обеднения. В полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом попытка приложить прямое смещение на этот переход вызывает его открытие и протекание существенного тока в цепи затвора. Реальные процессы в транзисторе в этом случае сильно зависят от его конструкции, практически никогда не документируются и трудно предсказуемы. Поэтому говорить о режиме обогащения для полевых транзисторов с управляющим переходом не принято да и просто бессмысленно.

Режим насыщения — характеризует состояние не всего транзистора в целом, как это было для биполярных приборов, а только токопроводящего канала между истоком и стоком. Данный режим соответствует насыщению канала основными носителями зарядов. Такое явление как насыщение является одним из важнейших физических свойств полупроводников. Оказывается, что при приложении внешнего напряжения к полупроводниковому каналу, ток в нем линейно зависит от этого напряжения лишь до определенного предела (напряжение насыщения), а по достижении этого предела стабилизируется и остается практически неизменным вплоть до пробоя структуры. В приложении к полевым транзисторам это означает, что при превышении напряжением сток—исток некоторого порогового уровня оно перестает влиять на ток в цепи. Если для биполярных транзисторов режим насыщения означал полную потерю усилительных свойств, то для полевых это не так. Здесь наоборот, насыщение канала приводит к повышению коэффициента усиления и уменьшению нелинейных искажений. До достижения напряжением сток—исток уровня насыщения ток через канал линейно увеличивается с ростом напряжения (т.е. ведет себя так же, как и в обычном резисторе). Автору неизвестно какого-либо устоявшегося названия для такого состояния полевого транзистора (когда ток через канал идет, но канал ненасыщен), будем называть его режимом ненасыщенного канала (он находит применение в аналоговых ключах на полевых транзисторах). Режим насыщения канала обычно является нормальным при включении полевого транзистора в усилительные цепи, поэтому в дальнейшем при рассмотрении работы транзисторов в схемах мы не будем делать особого акцента на этом, подразумевая, что между стоком и истоком транзистора присутствует напряжение, достаточное для насыщения канала.

10. Чем характеризуется ключевой режим работы транзистора?

Ключевым называют такой режим работы транзистора, при котором он может быть либо полностью открыт, либо полностью закрыт, а промежуточное состояние, при котором компонент частично открыт, в идеале отсутствует. Мощность, которая выделяется в транзисторе, в статическом режиме равна произведению тока, протекающего через выводы сток-исток, и напряжения, приложенного между этими выводами.

В идеальном случае, когда транзистор открыт, т.е. в режиме насыщения, его сопротивление межу выводами сток-исток стремится к нулю. Мощность потерь в открытом состоянии представляет произведение равного нулю напряжения на определённую величину тока. Таким образом, рассеиваемая мощность равна нулю.

В идеале, когда транзистор закрыт, т.е. в режиме отсечки, его сопротивление между выводами сток-исток стремится к бесконечности. Мощность потерь в закрытом состоянии есть произведение определённой величины напряжения на равное нулю значение тока. Следовательно, мощность потерь равна нулю.

Выходит, что в ключевом режиме, в идеальном случае, мощность потерь транзистора равна нулю.

11. Что называют усилительным каскадом?

Соединение нескольких усилителей, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала. Подразделяют на каскады предварительного усиления и выходные каскады. Первые предназначены для повышения уровня сигнала по напряжению, а выходные каскады – для получения требуемых тока или мощности сигнала.

5.2. Малосигнальные параметры полевого транзистора

Режим полевого транзистора определяется напряжениями на его элек­тродами и токами через них. На семействах выходных и проходных ха­рактеристик режим дают координаты точки А (рис. 5.2, 5.3), которая назы­вается рабочей точкой. В малой окрестности этой точки характеристики можно считать линейными, а транзистор – линейным трёхполюсни­ком для малого сигнала. Основными параметрами такого трёхполюсника являются:

крутизна;

внутреннее сопротивление ;

статический коэффициент усиления .

Эти параметры связаны между собой соотношением

. (5.3)

Параметры ,,зависят от координат точки А, т.е. от режима. Они определяются из статистических характеристик. КрутизнуS можно также определить путём дифференцирования выражения (5.2)

Если U_зат = 0, то S = S_max= .

5.3. Эквивалентная схема полевого транзистора для малого сигнала

Как отмечалась ранее, для малого сигнала полевого транзистора пред­ставляется линейным трехполюсником. Эквивалентная схема его показана на рис. 5.5.

На ней изображены три электрода транзистора – сток, исток и затвор. Тот факт, что ток в цепи сток – исток зависит от напряжения между, сто­ком и истоком, отражается на эквивалентной схеме сопротивлением. Зависимость этого же тока от напряжения на затворе от­ражена источником тока. Емкости и – барь­ерные емкости запертого p-n-перехода. Они определяют частотные свойства транзистора. На низких частотах их влияние пренебрежимо мало.

Эквивалентную схему (рис. 5.5) можно изобразить и иначе, заменив ис­точник тока эквивалентной эдс. Для эквивалентной эдс с учётом выра­же­ния (5.3) имеем

(5.4)

Эквивалентная схема с источником эдс показана на рис. 5.6.

Изображение полевых транзисторов с p-n-переходом на электриче­ских схемах приведено на рис. 5.7.

n-канал р-канал

Рис. 5.6 Рис. 5.7

5.4. Полевые транзисторы с изолированным затвором

Полевой транзистор с p-n-переходом имеет два недостатка: через вывод затвора протекает, хотя и не большой, но отличный от нуля ток за­крытого p-n-перехода.

Во избежание открывания p-n-перехода напряжение на затворе мо­жет быть только одной определенной полярности – отрицательной для n-ка­на­ла и положительной для p-канала. Этих недостатков нет у полевых транзисторов с изолированным затвором. У них затвор изолирован от ка­нала пленкой диэлектрика. Существуют две разновидности полевых тран­зис­то­ров со встроенным каналам. На рис. 5.8 схематически показан тран­зистор со встроенным каналом. В положение (П) из p-кремния имеются две сильно легированные n-области, от которых делаются выводы ис­тока и стока. Между этим областями образован канал из n-кремния. Ме­таллическая пленка затвора нанесена на предварительно окисленную по­верхность над каналом. Двуокись кремния является хорошим диэлектри­ком и изолирует канал от затвора.

Такие транзисторы называются МДП-транзисторами (металл-диэлек­трик-полупроводник), а частном случаем МОП-транзисторами (металл-окисел-полупроводник). Подложка обычно соединяется с истоком. Если,то при изменение напряжения на стоке ток стока зависит от напря­жения на стоке, как в полевых транзисторах с p-n-переходом (рис. 5.9).

Рис. 5.8 Рис. 5.9

При напряжении на затворе, отличном от нуля, электрическое поле затвора проникает в полупроводник и либо притягивает в канал из под­ложки носители заряда (режим обогащения), либо, наоборот, отталкивает их (режим обеднения). Соответственно проводимость канала либо возрас­тает, либо уменьшается (рис. 5.9). Таким образом, снимается ограничение на полярность приложенного к затвору напряжения.

Стокозатворная характеристика МДП-транзистора показана на рис. 5.10. Разумеется, МДП-транзистора могут быть как с каналом n, так и ка­налом p типа.

Вполевых транзисторах с индуцированным каналом прика­нала нет. Если обратиться к рис. 5.8, то в таких транзисторах нет области .

Две сильно легированные области n⁺ истока и стока с подложкой обра­зуют два встречно включенных диода, а при любой полярности напряже­ния один из диодов будет закрыт, тока в цепи сток–исток не будет. Только при подаче положительного напряжения на затвор область под за­твором обогащается электронами, и при некотором напряжение на за­творе происходит инверсия типа проводимости. Полупроводник p-типа под затвором превращается в полупроводник n-типа, образуется канал. Напряжение на затворе при образовании канала называется пороговым на­пряжением. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным кана­лом может работать только в режиме обогащения. Его стокозатвор­ная характеристика показана на рис. 5.11.

МДП-транзисторы характеризуются теми же малосигнальными пара­метрами, что и полевые транзисторы с p-n-переходом, и имеют такую же эквивалентную схему для малого сигнала.

Обозначения МДП-транзисторов на схемах даны на рис. 5.12.

Рис. 5.12

3.9 Усилительные каскады на полевых транзисторах

Принцип построения усилительных каскадов на полевых транзисторах тот же, что и каскадов на биполярных транзисторах. Особенность заключается в том, что полевой транзистор управляется по входной цепи напряжением, а не током. По этой причине задание режима покоя в каскадах на полевых транзисторах осуществляется подачей во входную цепь каскада постоянного напряжения соответствующей величины и полярности.

Полевые транзисторы имеют три включения (см. рис. 2.1). В соответствии с названиями электродов различабт каскады с общим стоком (ОС), общим истоком (ОИ) и общим затвором (ОЗ). Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное применение. Поэтому, ниже рассматриваются толко каскады ОИ и ОС. рассмотрение ведется только для транзисторов с каналом n-типа. С учетом изменения полярности напряжений питания его можно рассматривать и для усилительных каскадов на транзисторах с каналом p-типа.

Схема усилительного каскада ОИ приведена на рис. 3.28. Каскад выполнен на МДП- транзисторе со встроенным каналом n-типа. Работа транзистора возможна как в режиме обогаения, так и в режиме обеднения. Основными элементами каскада являются транзистор Т, резистор R_c и источник питания +Е_с. Элементы R_з, R₁, R_н предназначены для задания напряжения затвор-исток в режиме покоя U_зип. Резистор Rн создает в каскаде отрицательную обратную связь по постоянному току, служащую для стабилизации режима покоя при изменении температуры и разбросе параметров транзистора.

Рис. 3.28

Принцип выбора режима покоя тот же, что и для схемы на биполярном транзисторе, и показан на рис. 3.28. Для исключения возможных искажений усиливаемого сигнала параметры режима покоя должны удовлетворять следующим условиям:

; (3.70)

Iсп>Iсm. (3.71)

Точка покоя Р располагается на линии нагрузки, проходящей через две точки с координатами А(0, Е_с) и Б(Е_с/R_с, 0).

Ток стока покоя I_сп и напряжения сток-исток покоя U_сип связаны соотношением

(3.72)

и определяются напряжением затвор-исток U_зип точки покоя. Напряжение U_зип представляет собой параметр стоковой характеристики, проходящей через точку покоя Р (рис. 3.29).

Для рассматриваемого типа МДП-транзистора в режиме покоя напряжение на затворе может иметь как положительную, так и отрицательную полярность относительно истока или быть равным нулю.

Рассмотрим случай, когда U_зип<0. Такой режим обеспечивается только резисторами R_з и R_н, резистор R₁ не нужен (см. рис. 3.28). Необходимые величины и полярность напряжения получаются на R_н в результате протекания через него тока I_ип=I_сп. В связи с этим выбор резистора R_н производят как

R_н=U_зип/I_сп. (3.73)

Резистор R₃ предназначен для обеспечения потенциала затвора равным потенциалу нижнего вывода резистора R_н, т.е. для подачи напряжения U_зип с резистора R_н между затвором и истоком транзистора. R_э выбирают на несколько порядков меньше

Рис. 3.29

входного сопротивления транзистора. Это необходимо для исключения влияния температурной нестабильности и разброса значения входного сопротивления транзистора на величину входного сопротивления каскада. Эначения R₃ принимают равным 1-2 мОм.

Резистор Rн создает также отрицательную обратную связь в каскаде, стабилизирующую положение точки каскада. С целью повышения стабильности R_н необходимо увеличить сверх значения, нужного для обеспечения напряжения U_зип. Требуемая при этом компенсация избыточного напряжения U_зип осуществляется подачей на затвор соответствующего напряжения U_зп путем включения в схему резистора R₁. Из условия указанной компенсации получается соотношение, которое может быть использовано для расчета R₁:

; (3.74)

. (3.75)

Величину U_ип определяют с учетом выбора напряжения питания:

. (3.76)

Повышение напряжения U_ип так же, как и в каскаде ОЭ напряжения U_эп, благополучно сказывается на стабильности точки покоя из-за увеличения сопротивления R_и, одноко при этом возрастает требуемое напряжение источника питания E_c. поэтому выбирают напряжение (0,1-0,3) Е_с, и тогда

. (3.77)

При U_зип>0 обязательно включение резистора R₁, а наличие R_н необходимо для стабилизации режима покоя. Выбор элементов производится с использованием соотношений (2.74)-(3.77). При этом в выражениях (3.74) и (3.76) следует соответственно либо положить напряжение U_зип равным нулю, либо изменить знак перед напряжением U_зип. Режим U_зип>0 является типичным для полевых транзисторов с индуцированным каналом.

При выборе типа транзистора учитывают максимальный ток стока I_{с max}, максимальное напряжение U_{си max} и максимальную рассеиваемую мощность в транзисторе P_{с max} (рис. 3.29).

Каскад ОИ, так же как и схема ОЭ на биполярном транзисторе, осуществляет поворот по фазе 180₀ усиливаемого сигнала.

Определим основные показатели усилительного каскада. С этой целью воспользуемся его эквивалентной схемой, представленной на рис. 3.28 а. Схема построена с испольованием эквивалентной схемы МДП-транзистора (рис. 3.27). На схеме рис. 3.30 емкость С_и не показана, так как считается достаточно большой и ее сопротивление по переменному току близко к нулю. Поэтому не показан и резистор R_n.

Выражение для коэффициента усиления каскада по напряжению для средних частот. когда сопротивления всех конденсаторов в схеме замещения еще достаточно велики, записывается в виде

(3.78)

или (3.79)

Рис. 3.30

Произведение Sr_i называют статическим коэффициентом усилителя полевого транзистора. С учетом Sr_i=m выражение (3.75) принимает вид . (3.80)

На основании выражения (3.80) возможен второй вариант построения схемы замещения каскада ОИ — с источником напряжения mU_вх (рис. 3.30 б).

Если учесть, что R_c<<r_c, то коэффициент усиления каскада по напряжению

. (3.81)

Входное сопротивление каскада ОИ определяется параллельно соединенными сопротивлениями R₁, R₃:

R_вх=R₁||R₃. (3.82)

Выходное сорпротивление каскада ОИ

. (3.83)

При работе в области высоких частот необходимо учитывать входную и выходную емкости каскада.

При расчете входной емкости должны быть учтены межэлектродные емкости C_зи, С_зо транзистора (рис. 3.30 а), а также емкость монтажа входной цепи С_м (емкость деталей и проводников входной цепи каскада). Указанные емкости создают на высоких частотах реактивные составляющие токов входной цепи, определяющие суммарный входной ток каскада

. (3.84)

Токи определяются входным напряжениемкаскада, а ток— напряжением сток-затвор. Так как напряжение на стоке находится в противофазе с входным напряжением, напряжение между затвором и стоком составит ??????

Тогда емкостный ток каскада

(3.85)

или , (3.86)

где С_вх — входная емкость каскада,

. (3.87)

Например, при С_зи=10пФ, С_зс=2пФ, С_м=2пФ и K_U=50 входная емкость составит 114 пФ, причем определяющим будет второе слагаемое в выражении (3.87).

Выходная емкость каскада зависит от межэлектродных емкостей С_си и С_сз, а также емкости монтажа выходной цепи. Рассчитывается выходная емкость аналогично входной емкости

. (3.88)

Усилительный каскад ОС (истоковый повторитель)

На рис. 3.31 а показана схема каскада с общим стоком, выполненная наполевом транзисторе со встроенным каналом, а его эквивалентная схема — на рис. 3.31 б.

Рис. 3.31

Элементы R₁, R₃ совместно с R_н используются для задания режима покоя транзистора.

Для истокового повторителя напряжение на нагрузке совпадает по фазе с входным напряжением и связано с ним соотношением

U_н=U_вх-U_зи (3.89)

Напряжение U_н в соответствии со схемой замещения транзистора (рис. 3.27) является функцией напряжения U_зи, действующего на входе транзистора:

(3.90)

или . (3.91)

Выражения (3.89) и (3.91) используем для определения коэффициента усиления каскада по напряжению

(3.92)

для r_i>>R_н.

Коэффициент усиления K_U зависит от крутизны транзистора и нагрузки каскада R_U. С увеличеним S и R_н K_U стремится к единице. В связи с этим для истокового повторителя целесообразно использовать транзисторы с повышенными значениями крутизны. С приближением K_U к единице уменьшается влияние емкости затвор- исток на входную емкость каскада.

Схему замещения истокового повторителя часто представляют с источником напряжения в выходной цепи, подобно схеме рис. 3.30 б для каскада ОИ. Для нахождения эквивалентных параметров схемы замещения преобразуем выражение (3.90), заменив в нем S=m/r_i и раскрыв r_i||R_н=r_iR_н/(r_i+R_н).

. (3.93)

Поделив числитель и знаменатель правой части выражения (3.93) на 1+m и заменив K_U=U_н/U_вх, находим

. (3.94)

На основании выражения (3.94) на рис. 3.31 б построена схема замещения каскада. В ее выходную цепь входит эквивалентный источник напряжения с эквивалентным внутренним сопротивлением r_i/1+m. Входная цепь схемы замещения состоит из тех же элементов, что и схема замещения каскада ОИ.

По схеме замещения находим выходное сопротивление каскада ОС

. (3.95)

Величина Rвых в схеме ОС меньше, чем в схеме ОИ и составляет 100…3000 Ом.

Поскольку напряжение затвор-исток в схеме истокового повторителя равно разности U_вх-U_вых, собственный входной ток транзистора получается существенно меньшим, чем в схеме ОИ, и температурная нестабильность сопротивления участка затвор-исток проявляется слабее, что допускает применение более высокоомных резисторов R₁, R₃. А это обеспечивает существенно большее сопротивление R_вх, чем каскады ОИ.

Для истокового повторителя необходимо учитывать емкостные составляющие входного тока цепей затвор-сток и затвор-исток транзистора, а также тока емкости монтажа входной цепи каскада. Так как напряжение стока неизменное, составляющая тока емкости С_зс определяется, как и для емкости монтажа С_м, напряжением . Составляющая тока емкости С_зи зависит от напряжения . Суммарный емкостный входной ток

, (3.96)

откуда

. (3.97)

При С_зи=10пФ, С_зс=2пФ, С_м=2пФ и K_U=0,85 емкость С_вх=5,5 пФ против 114 пФ в схеме ОИ. соотношение (3.97) показывает целесообразность увеличения K_U до единицы, так как при этом уменьшается влияние на входную емкость одной из самых значительных емкостей транзистора — С_зи.

5.1.4. Параметры полевых транзисторов

Значение параметров определяется в пологой части выходной характеристики, там где выбирается рабочая точка. К ним относятся следующие: крутизна характеристики S, коэффициент усиленияК_U, внутреннее диффференциальное сопротивлениеR_i.

1. Крутизна характеристики рассчитывается из соотношения

. (5.11)

Крутизна характеристики показывает, на сколько мА увеличивается ток стока I_cпри изменении напряжения затвора на 1 В. Для определения крутизныSследует продифференцировать выражение (5.6) для входной характеристики:

,

где – максимальное значение крутизны приU_зи=0,

I_cmax,U_отс– справочные параметры.

Следовательно, выражение для крутизны имеет вид

. (5.12)

Пример. По формуле (5.12) рассчитать значение крутизны S при U_зи= –2 В, если I_cmax=5 мА, U_отс= –5 В.

Сначала рассчитаем .Следовательно,

. Таким образом, при увеличении по абсолютной величине напряжения на затворе значение крутизны характеристики уменьшается.

2. Коэффициент усиления К_Uполевого транзистора характеризует изменение напряжения на стокеU_сив зависимости от изменения напряженияU_зина затворе транзистора и определяется из соотношения

. (5.13)

3. Внутреннее (выходное) дифференциальное сопротивление полевого транзистора R_i характеризуется сопротивлением канала в области насыщения и определяется из соотношения

. (5.14)

Между коэффициентами К_U,SиR_icуществует связь:

. (5.15)

Действительно, . ПолагаяS=0,1…5мА/В,R_i=10²кОм, для величиныμполучаем значения от 10 до 500.

5.1.5. Частотные свойства полевых транзисторов

Частотные свойства полевых транзисторов являются количественной характеристикой их быстродействия. Для оценки частотных свойств транзистора рассмотрим малосигнальную эквивалентную схему полевого транзистора при подаче на его вход переменного сигнала высокой частоты (рис. 5.10).

На этой схеме:С_зи≈1…5 пФ – входная емкость затвор-исток;С_зс≈0,2 пФ – проходная емкость затвор-сток;С_си≈2…5 пФ – выходная емкость сток-исток;R_i≈0,1…1 МОм – внутреннее сопротивление транзистора;SU_зи– генератор токаI_св цепи стока.

Быстродействие ПТ с затвором в виде р-nпереходов обусловлено зарядкой барьерных емкостейС_зизатворныхр-nпереходов через сопротивление каналаR_i. Постоянная времени затвора

τ_з=С_зи·R_i.

Граничная частота усиленияω_гр=1/τ_з= (С_зи·R_i)^-1 — это значение частоты, на которой коэффициент усиления полевого транзистораК_U=1. Подставляя в это выражение значениеR_i=К_U /S, гдеК_Uпринято равным единице, получим:

, или . (5.16)

Пример. Рассчитать граничную частоту f_гр полевого транзистора с крутизной S=5 мА/В и емкостью С_зи=5 пФ:

.

Для ПТШ транзисторов, в которых емкость С_зимала, физически достижимое быстродействие определяется временем пролётаt_прносителей заряда через канал длинойL_кполевого транзистора. Время пролёта определяется соотношением, гдеv_др– скорость дрейфа носителей в электрическом поле с напряженностьюЕ.

Величину времени пролёта можно оценить из выражения для подвижности носителей заряда, например, электронов, μ_n:

,

где U_си– напряжение, приложенное к каналу.

Отсюда, время пролета равно

,

а граничная частота (5.17)

Пример. Рассчитать граничную частоту полевого транзистора, если μ_n=0,8 м²/В·с, U_cи=5 В, L_к=5·10^-6 м.

.

Таким образом, реальная граничная частота усиления полевого транзистора значительно ниже физически достижимой граничной частоты. Это связано с наличием паразитной входной емкости транзистора С_зи и высоким сопротивлением канала.

10.2. Характеристики и параметры полевых транзисторов с управляющимpn-переходом

В качестве статических характеристик полевых транзисторов используются функциональные зависимости между токами и напряжениями, прикладываемыми к их электродам:

— входная характеристика при;

— характеристика обратной передачи при;

— характеристика прямой передачи при;

— выходная характеристика при.

На практике используются лишь две последние характеристики. Входная характеристика и характеристика обратной передачи используются редко, так как в абсолютном большинстве случаев применения входные токи полевых транзисторов (10^-8. . . 10^-12А) пренебрежимо малы по сравнению с токами, протекающими через элементы, подключенные к их входам.

Основные параметры могут быть получены из семейства выходных характеристик, называемых стоковыми. Поэтому они заслуживают более подробного рассмотрения.

Для их получения рассмотрим работу полевого транзистора с управляющим pn-переходом и каналомn-типа, включенного по схеме с общим истоком (рис. 10.4).

структура	схема включения
Рис. 10.4

Рассмотрим вначале характер одной зависимости при.

Поскольку между истоком и стоком включен источник напряжения такой полярности, что потенциал стока положителен относительно потенциала истока, через канал происходит дрейф основных носителей заряда (для каналаn— типа – электронов) от истока к стоку. Таким образом, через канал будет протекать ток. Характеристика выходит из начала координат под углом, соответствующим начальному статическому сопротивлению канала.

Потенциал канала меняется по его длине : потенциал истока равен нулю, в сторону стока он растет, достигая у стока величины. Напряжение смещения наpn— переходах, отделяющих канал от областейp— типа соответственно у истока равно, а далее растет и вблизи стока достигает величины.Таким образом, из-за наличияи конечной длиныканала, толщинаpn— перехода различна по длине канала, в связи с чем меняется и поперечное сечение канала, уменьшаясь от истока к стоку (рис. 10.5).

Рис. 10.5

Сказанное объясняет почти линейный рост тока с постепенным замедлением роста по мере увеличения. Этот участок называется крутой частью вольтамперной характеристики. При некотором напряжении на стоке, называемом напряжением насыщения, происходит перекрытие канала из-за увеличения толщиныpn— перехода затвора. Ток стока приназывается начальным током стока.

Следует учитывать условность понятия «перекрытие канала» при увеличении напряжения на стоке и неизменном напряжении на затворе относительно истока, так как перекрытие канала является при указанных условиях следствием увеличения тока стока. Таким образом, можно считать, что в результате увеличения тока стока или напряжения на стоке автоматически устанавливается некое малое сечение канала со стороны стокового электрода.

При дальнейшем увеличении напряжения на стоке увеличивается длина перекрытой части канала и растет статическое сопротивление канала. Если бы длина перекрытой части канала увеличивалась пропорционально напряжению на стоке, то ток стока не изменялся бы при напряжениях на стоке, превышающих напряжение насыщения. Однако длина перекрытой части канала увеличивается из-за увеличения толщиныpn-перехода с ростом напряжения на стоке, а толщинаpn-перехода пропорциональна либо корню квадратному, либо корню кубическому из напряжения. Поэтому в этой части характеристики наблюдается некоторое увеличение тока стока при увеличении напряжения на стоке. Этот участок называется пологой частью вольтамперной характеристики.

Наконец, при больших напряжениях на стоке может возникнуть пробой pn-перехода затвора.

Статическая характеристика при, построенная в соответствии со сказанным приведена на рис. 10.6.

Рассмотрим далее смещение и изменение статических характеристик с изменением напряжения на затворе.

	При подаче на затвор напряжения такой полярности относительно истока, которая соответствует обратному смещению pn-перехода затвора, и при увеличении этого напряжения по абсолютному значению уменьшается начальное поперечное сечение канала.
Рис. 10.6

Поэтому начальные участки выходных статических характеристик при напряжениях на затворе имеют другой наклон, соответствующий большим начальным статическим сопротивлениям канала.

При меньших начальных поперечных сечениях перекрытие канала из-за увеличения напряжения на стоке происходит при меньших напряжениях насыщения.

Напряжение, приложенное к pn-переходу затвора у стокового конца канала, является суммой напряжений на стоке и на затворе. Таким образом, пробой транзистора может происходить при разных напряжениях на стоке в зависимости от напряжения на затворе. Чем больше по абсолютной величине напряжение на затворе, тем меньше напряжение на стоке, при котором произойдет пробойpn— перехода затвора. Поскольку полевые транзисторы делают на основе кремния, то пробой таких транзисторов носит лавинный характер.

Построенное в соответствии со сказанным семейство выходных статических характеристик приведено на рис. 10.6.

Геометрическое место граничных точек, разделяющих выходные вольтамперные характеристики на крутую и пологую части, представляет собой параболу (штриховая кривая на рис. 10.6). Область, лежащая правее этой кривой является рабочей областью выходных характеристик для активных линейных (усилительных) устройств, где транзистор ведет себя как управляемый источник тока.

Обратное напряжение смещения наpn— переходе, при котором наступает перекрытие канала () и транзистор оказывается закрытым (режим отсечки), ток через него не протекает, называется напряжением отсечки.

Статические характеристики передачи полевого транзистора представляют собой зависимости тока стока от напряжения на затворе при различных постоянных напряжениях на стоке. Таким образом, они являются управляющими стоко — затворными характеристиками. Так как основным рабочим режимом полевых транзисторов является режим насыщения тока стока, что соответствует пологим участкам выходных характеристик (рис. 10.6), то наибольший интерес представляет зависимость тока насыщения от напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке. Характер этой зависимости (рис. 10.7) ясен из принципа действия полевого транзистора с управляющимpn-переходом.

	При изменении напряжения на стоке смещением характеристик передачи практически можно пренебречь в связи с малым изменением тока в пологой части выходных характеристик. По статической характеристике передачи можно определить еще один из основных
Рис. 10.7

параметров полевого транзистора, характеризующий его усилительные свойства, — крутизну характеристики передачи полевого транзистора , которая представляет собой отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком:. Пользуясь характеристикой передачи, крутизну можно определить по касательной в точке А (рис. 10.7). Крутизна характеристики полевого транзистора составляет обычно несколько (от 0,2 до 10) миллиампер на вольт.

Анализ статических характеристик полевых транзисторов показывает, что они могут быть использованы как:

— усилительные элементы – усилители тока, управляемые напряжением;

— нелинейные сопротивления, а на крутом участке вольтамперной характеристики как линейные сопротивления;

— ключи, поскольку есть участок с и участок (режим отсечки) с.

По статическим характеристикам могут быть определены следующие основные параметры полевого транзистора с управляющим переходом.

1. — напряжение отсечки.

2. — максимальное значение тока стока прии.

3. — крутизна характеристики передачи.

4. — внутреннее (выходное) сопротивление – сопротивление между стоком и истоком (сопротивление канала) для переменного тока, определяемое как. Это сопротивление на крутом участке выходной вольтамперной характеристики имеет величину 75 . . . 200 Ом, а на пологом участке – 10³. . 10⁵Ом, что во много раз больше сопротивления транзистора постоянному току.

5. — коэффициент усиления по напряжению, который показывает во сколько раз сильнее действует на изменение тока стокаизменение напряжения на затворе, чем изменение напряжения на стоке. Он определяется в соответствии с выражением.выражается отношением таких измененийи, которые компенсируют друг друга по действию на величину, в результате чего токостается практически постоянным. Так как для подобной компенсацииидолжны иметь разные знаки (например, увеличениедолжно компенсироваться уменьшением), то в правой части формулы стоит знак «минус». Для пологих участков выходных вольтамперных характеристикдостигает сотен и тысяч. Коэффициент усиления по напряжению связан с крутизной и выходным сопротивлением простой зависимостью.

6. — входное сопротивление для переменного тока, определяемое как. Поскольку входной ток— обратный токpn-перехода, который очень мал, величиналежит в диапазоне 10⁶. . . 10⁸Ом.

7. — входная емкость между затвором и истоком, которая является барьерной емкостьюpn-перехода и составляет единицы пикофарад;— проходная емкость, расположенная между затвором и стоком и составляющая 0,1 . . . 20 пикофарад. Емкость каналаобычно не учитывается.

Полевые транзисторы, как и биполярные, характеризуются эксплуатационными параметрами, предельные значения которых указывают на возможности их практического применения.

При работе в качестве усилительных приборов используются рабочие области характеристик полевых транзисторов, показанные на рис. 10.8.

Кроме этих электрических параметров определяется температурный диапазон от – 60⁰С до +125⁰С. Следует отметить, что влияние температуры отличается от наблюдаемого в биполярных транзисторах. У полевых транзисторов с управляющим переходом с ростом температуры уменьшается контактная разность потенциалов, что способствует увеличению тока стока. Одновременно с повышением температуры уменьшается подвижность носителей в канале, что приводит к уменьшению тока стока. При определенном напряжениивлияние изменения контактной разности потенциалов и изменения подвижности носителей в канале на ток стокаоказываются одинаковыми. В этом случае у полевых транзисторов с управляющим переходом наблюдается точка температурной стабильности (тс) тока стока.

Указанное свойство иллюстрируется рис. 10.9, где приведены входные характеристики при различных температурах.
	Рис. 10.9

Из этого же рисунка видно резкое изменение входной характеристики при изменении температуры.

Частотные свойства полевых транзисторов с управляющим pn-переходом характеризуются частотойили— частотой, на которой крутизнахарактеристики передачи тока уменьшается по сравнению с крутизной в области низких частот враз. При передаче импульсных сигналов полевой транзистор ведет себя как инерционное звено. Инерционные свойства полевого транзистора в основном обусловлены процессами заряда и разряда входной емкости, поэтому, где. С учетом этого частотную характеристику крутизны, т.е. зависимость крутизны от частоты можно представить в следующей форме:или в операторном виде, откуда следуют аналитические выражения для амплитудно-частотной характеристикии фазочастотной характеристикикрутизны. Их графическое изображение приведено на рис. 10.10.

	Пользуясь операторным представлением частотной характеристики крутизны можно записать выражение для переходной характеристики.
Рис. 10.10

Вид переходной характеристики позволяет изобразить (рис. 10.11) реакцию транзистора на воздействие прямоугольного импульса на входе, где.
	Рис. 10.11

Различают линейные и нелинейные модели полевых транзисторов. Линейные модели используются для анализа работы транзистора усилительном режиме и могут быть физическими и четырехполюсными.

Физическая схема замещения полевых транзисторов при малых сигналах (рис. 10.12) отражает их работу на пологой части характеристик, т.е. там, где наступает насыщение тока стока, и справедлива до частот порядка 20 мегагерц.
	Рис. 10.12

Сопротивления R_ИиR_Спредставляют собой объемные сопротивления кристалла полупроводника на участках между концами канала и контактами истока и стока соответственно. Эти сопротивления зависят от конструкции транзистора и технологии его изготовления. Общее для входной и выходной цепи сопротивлениеR_Иявляется сопротивлением внутренней обратной связи в полевом транзисторе, включенном по схеме с общим истоком. Падение напряжения на этом сопротивлении при прохождении тока стока оказывается обратным дляpn-перехода. В свою очередь, увеличение обратного напряжения наpn-переходе затвора транзистора приводит к уменьшению тока стока. На низких частотах влиянием сопротивленийR_ИиR_Сможно пренебречь по сравнению с большим дифференциальным сопротивлением каналаr_iи обычно большим сопротивлением нагрузки в цепи стока. ЕмкостиС_ЗИиС_ЗС, сопротивленияr_ЗИ,r_ЗСзамещают в этой эквивалентной схемеpn-переход с его барьерной емкостью и большим активным дифференциальным сопротивлением при обратном смещении. Источник тока, включенный параллельно сопротивлению каналаr_i, отражает усилительные свойства транзистора. Ток источника пропорционален входному напряжению, коэффициентом пропорциональности является крутизнаSхарактеристики передачи.

Так как в большинстве практических применений можно считать r_ЗИ,r_ЗСбесконечно большими, аR_И,R_С– сопротивления пассивных областей истока и стока – достаточно малыми по сравнению с сопротивлением внешних элементов, то применяют упрощенную схему замещения (рис.10.13а). А при анализе устройств, работающих в диапазоне низких и особенно звуковых частот, пренебрегают влиянием небольших емкостей и используют низкочастотную модель (рис. 10.13б).

а	б
Рис. 10.13

Полевой транзистор может использоваться в трех схемах включения: с общим истоком; с общим стоком; с общим затвором, когда указанный в названии электрод является общим для входной и выходной цепи (рис. 10.14).

с общим истоком	с общим стоком	с общим затвором
Рис. 10.14

Так как для расчета электронных схем, содержащих транзисторы, широко используют метод узловых напряжений, то удобнее всего дифференциальные параметры транзистора описывать с помощью линейного четырехполюсника (рис. 10.15).
	Рис. 10.15

Поскольку входные и выходные сопротивления полевых транзисторов велики, то удобнее измерять и задавать комплексные параметры проводимостей его формальной эквивалентной схемы, т.е. описывать его в системе — параметров:

(10.1)

где

— входная проводимость;

— выходная проводимость;

— передаточная проводимость с входа на выход;

— передаточная проводимость с выхода на вход, отражающая обратную связь.

Для приведенных величин равенство нулю Ú₁илиÚ₂означает, что измерение соответствующего параметра производится в режиме короткого замыкания по переменному току (постоянные токи через выводы транзистора равны статическим значениям).

В системе уравнений (10.1) все индексы определяются схемой включения транзистора. Для схемы с общим истоком I₁ = I_З,I₂ = I_С,U₁ = U_ЗИ,U₂=U_СИ. ВсеY-параметры записываются с индексом «И», например:Y_21И– передаточная проводимость от затвора к стоку в схеме с общим истоком.

Схемная интерпретация соотношений (10.1), приведенная на рис. 10.16а и 10.16б, позволяет сделать вывод, что полевой транзистор представляет собой источник тока, управляемый напряжением.

а	б
Рис. 10.16

Сравнение физической схемы замещения полевого транзистора (рис. 10.13б) со схемой четырехполюсника, описываемого Y-параметрами (рис. 10.16б), показывает их идентичность приY₂₁ = S,Y₂₂ = (r_i)^-1.

При анализе на ЭВМ используется нелинейная математическая модель, достаточно хорошо аппроксимирующая выходную характеристику полевого транзистора с управляющим p-n-переходом иn-каналом:

(10.2)

где В – удельная крутизна транзистора, которая причисленно равна крутизне. Максимальное значение крутизны.