3.1.Вольтамперные характеристики полевого транзистора с p-n переходом

С ростом напряжения , ток стока с одной стороны будет увеличиваться, но с другой стороны его рост будет замедляться за счет уменьшения проводимости канала. При некотором напряжении сток – исток, называемом напряжением насыщения , произойдет практически полное перекрытие канала, несмотря на то, что ток стока по нему будет протекать. Дальнейший рост напряжения вызовет пропорциональное увеличение длины проводящей зоны канала и, соответственно, его сопротивления. При этом величина тока стока, равная

будет оставаться практически неизменной вплоть до пробоя перехода затвор-сток.

Графики зависимостей тока стока от напряжения при различных значениях приведены на рис. 4.4. На каждом из них можно выделить два участка: первый (омический) при и второй (участок насыщения) - при . На омическом участке с ростом напряжения происходит изменение сечения канала и , где – некоторый коэффициент. На втором участке меняется длина проводящей зоны канала и .

Рис. 4.4. Семейство выходных характеристик

полевого транзистора с p-n переходом.

При подаче на затвор относительно истока некоторого запирающего напряжения происходит дополнительное уменьшение сечения канала и, соответственно, снижение тока стока при тех же напряжениях . В режим насыщения транзистор также будет переходить при меньшей величине разности потенциалов .

Напряжение отсечки является некоторой константой конкретного полевого транзистора, причем .

Совокупность приведенных на рис. 4.4 зависимостей тока стока от напряжения сток – исток, снятых при различных потенциалах затвора, образует семейство выходных характеристик полевого транзистора.

На начальном участке выходные характеристики представляют собой отрезки практически прямых линий, наклон которых зависит от величины управляющего напряжения на затворе (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Начальные участки семейства выходных

характеристик полевого транзистора.

Так как линейная связь между током и напряжением описывается законом Ома: , то из рис. 4.5 следует, что в данном режиме ( ) полевой транзистор может выполнять функции управляемого резистора, величина которого , зависит от напряжения .

Линейность выходных характеристик при смене полярности напряжения сохраняется пока переход затвор-сток остается запертым.

Вольтамперная характеристика полевого транзистора, связанная с цепью управления (затвором) называется стокозатворной. Она представляет собой зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при постоянном значении и имеет параболическую форму (рис. 4.6).

Как следует из предыдущих рассуждений, с увеличением запирающего напряжения ток стока уменьшается и при некотором его значении , обращается в ноль. При положительной полярности на затворе управляющий p-n переход откроется, начнется инжекция дырок в область истока, при этом потечет ток затвора, и, сначала немного возрастет, а потом будет уменьшаться ток стока. Такой режим работы полевого транзистора с открытым управляющим p-n переходом обычно не используется, считается нерабочим.

Рис. 4.6. Семейство стокозатворных характеристик полевого

транзистора с управляющим p-n переходом и n-каналом.

При уменьшении напряжения характеристика пойдет несколько ниже, а при изменении температуры станет поворачиваться вокруг некоторой, так называемой «термостабильной» точки. Это связано с тем, что, к примеру, при увеличении температуры с одной стороны уменьшается подвижность носителей, что приводит к росту сопротивления канала и падению тока стока, а с другой - уменьшается контактная разность потенциалов, что вызывает расширение токопроводящего канала. При малых токах преобладает первый эффект, а при больших – второй. При некотором токе они компенсируют друг друга, и положение такой точки на ВАХ не меняется с температурой.

Напряжение отсечки по данной характеристике обычно отсчитывается на уровне тока стока, равном 10 мкА.

Предыдущие рассуждения касались функционирования полевого транзистора при включении его с общим истоком. Однако, в качестве общего для входной и выходной цепей электрода можно использовать затвор и исток.

В малосигнальном режиме, когда , , полевой транзистор может считаться линейным устройством. Его работу можно смоделировать, используя набор линейных элементов, отражающих ту или иную особенность функционирования реального транзистора, то есть представить его в виде эквивалентной схемы, один из вариантов которой приведен на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Эквивалентная схема полевого транзистора

при включении с общим истоком.

Так как управление током стока осуществляется под действием напряжения во входной цепи практически без потребления тока, то какие либо элементы во входной цепи должны отсутствовать. В принципе туда можно ввести некоторое сопротивление , характеризующее наличие входного тока из-за конечного сопротивления запертого p-n перехода, а также емкость , отражающую факт наличия барьерной емкости запертого p-n перехода. Эта емкость называется входной.

То, что при наличии входного напряжения , в выходной цепи течет ток , моделируется введением в состав эквивалентной схемы генератора тока с внутренним сопротивлением , причем . Из стокозатворной характеристики следует, что пропорционален . Этот факт можно записать в виде , где S – некоторый коэффициент, называемый «крутизной» и имеющий размерность , либо . В последнем случае значение крутизны показывает, на сколько миллиампер изменяется ток стока при изменении на 1В.

С ростом частоты усилительные свойства полевого транзистора, как и у биполярного, ухудшаются. Это в основном связано с наличием соответствующих емкостей и конечной скоростью движения носителей. Для учета частотных свойств в состав его эквивалентной схемы вводят конденсаторы, емкости которых соответствуют входной и проходной .

В отличие от ситуации с биполярным транзистором, параметры активных элементов эквивалентной схемы полевого, можно определить непосредственно из соответствующих вольтамперных характеристик.

, , .

Отношение изменения выходного напряжения ко входному называется коэффициентом усиления полевого транзистора .

В отличие от биполярного, полевой транзистор обладает симметричной структурой, поэтому его параметры в нормальном и «инверсном» включении, когда выводы стока и истока меняются местами, будут практически одинаковыми.

В высокочастотных разновидностях полевых транзисторов применяются металлические затворы и переходы Шоттки. В качестве полупроводника при этом обычно используется арсенид галлия. Особенность полевых транзисторов являются малые шумы, вносимые в усиливаемый сигнал.

В качестве параметров для оценки характеристик и сравнения полевых транзисторов с управляющим переходом, используются: крутизна характеристики, напряжение отсечки, начальный ток стока – это ток стока при нулевом напряжении на затворе, ток утечки затвора – это обратный ток через запертый переход затвор-исток, ёмкости – входная, выходная и проходная. Кроме того, вводятся предельные параметры: максимально допустимое напряжение на электродах, токи через них и мощность, рассеиваемая на транзисторе.