У полевых транзисторов с управляющим (p)-(n)-переходом изменения температуры приводят к изменениям контактной разности потенциалов на (p)-(n)-переходе, обратного тока через переход, а также подвижности основных носителей заряда. Эти процессы имеют различное, иногда противоположное, влияние на характеристики транзистора в целом. Так, например, контактная разность потенциалов уменьшается при увеличении температуры, что приводит к уменьшению сопротивления управляющего перехода, увеличению напряжения отсечки и, соответственно, к росту тока через канал. Но с другой стороны, при увеличении температуры подвижность основных носителей заряда в полупроводнике уменьшается, т.е. сопротивление канала будет расти, а ток через него будет падать. При определенных условиях действие нескольких противоположных физических явлений может взаимно компенсироваться, и ток в канале полевого транзистора с управляющим переходом окажется неподвержен влиянию температурных колебаний. Точку на сток-затворных (передаточных) характеристиках полевого транзистора, в которой ток не зависит от температуры, называют термостабильной точкой.
На рис. 2-2.16 показаны передаточные характеристики (n)-канального полевого транзистора с управляющим (p)-(n)-переходом для различных значений температуры. Из этих характеристик видно, что с ростом температуры напряжение отсечки полевого транзистора увеличивается (по модулю), ток через канал с одной стороны от термостабильной точки растет, а с другой — падает, крутизна характеристики передачи уменьшается на всем ее протяжении (заметим, что уменьшение крутизны характеристики передачи транзистора приводит к заметному падению с ростом температуры общего коэффициента усиления каскада на полевом транзисторе, компенсация такого падения возможна с помощью цепей обратной связи).
Рис. 2-2.16. Влияние температуры на сток-затворные (передаточные) характеристики полевого транзистора с управляющим переходом
Обычно рабочую точку каскада на полевом транзисторе с управляющим (p)-(n)-переходом выбирают несколько выше термостабильной точки. Так что при повышении температуры ток стока транзистора незначительно падает, предотвращая саморазогрев, характерный для биполярных транзисторов при повышении температуры коллекторного перехода.
Важной, но достаточно редко упоминаемой, особенностью полевых транзисторов с управляющим переходом является большое влияние температуры на входные характеристики. Обычно говорится, что сопротивление обратносмещенного управляющего (p)-(n)-перехода очень велико, а это позволяет строить высокочувствительные схемы, в которых величина входного тока лежит в пикоамперном диапазоне. Все это так лишь до тех пор, пока температура перехода не превышает комнатную (15…25 °C). Обратный ток управляющего перехода резко (фактически экспоненциально) нарастает с ростом температуры (грубо говоря можно считать, что он удваивается на каждые 10 °C). Это приводит к тому, что входной ток (ток затвора в схемах с ОИ и с ОС) усилительного каскада на полевом транзисторе с управляющим (p)-(n)-переходом при температуре 50…60 °C может превысить входной ток аналогичного каскада на биполярном транзисторе (напомним, что ток утечки базы биполярного транзистора с ростом температуры имеет даже незначительную тенденцию к понижению). Дополнительное негативное влияние оказывает снижение общего коэффициента усиления каскада с ОИ или с ОС, обусловленное уменьшением входного сопротивления. Гораздо меньшее значение указанные эффекты имеют для схемы с общим затвором.
Учитывая все описанные выше физические процессы, легко понять, какое влияние оказывают изменения температуры на стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом (рис. 2-2.17). Очевидно, что снижение крутизны характеристики передачи с ростом температуры будет приводить к смещению стоковых характеристик в область более низих величин тока стока, а также к их более плотному расположению в этой области.
Рис. 2-2.17. Влияние температуры на стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с (p)-(n)-переходом
На практике, для компенсации температурных изменений характеристик полевых транзисторов в схемы смещения в большинстве случаев вообще не приходится вносить каких-либо изменений. Обусловлено это, во-первых, меньшей температурной зависимостью этих параметров по сравнению с биполярными транзисторами, во-вторых, как уже было указано, правильным выбором исходной рабочей точки по постоянному току (в районе термостабильной точки транзистора) и эти незначительные зависимости можно свести к минимуму. И наконец, в представленных на рис. 2-2.6, 2-2.9, 2-2.13, 2-2.15 цепях смещения для полевых транзисторов с управляющим переходом уже присутствует элемент, обеспечивающий отрицательную обратную связь, стабилизирующую рабочую точку каскада. Таким элементом является сопротивление (R_И) в цепи протекания тока истока. Его роль совершенно аналогична роли сопротивления в цепи протекания эмиттерного тока в каскадах на биполярных транзисторах. Остановимся на этом несколько подробнее.
Во всех указанных схемах (рис. 2-2.6, 2-2.9, 2-2.13, 2-2.15) падение напряжения на резисторе (R_И) при протекании через него тока истока (I_И) оказывает определяющее влияние на напряжение на управляющем переходе транзистора (U_{ЗИ}). Причем падение тока истока (I_И) (а соответственно и тока стока (I_С)) приводит к уменьшению падения напряжения на резисторе (R_И). Это, в свою очередь, означает, что уменьшится абсолютная величина напряжения обратного смещения, приложенного к управляющему переходу (U_{ЗИ}), т.е. увеличится электропроводность канала транзистора, и ток через него возрастет, вернувшись на прежний уровень. При увеличении тока истока имеют место аналогичные процессы, но в противоположном направлении.
Очевидно, что наличие отрицательной обратной связи в каскаде усиления оказывает влияние не только на его параметры по постоянному току. В рабочей полосе частот это приводит к понижению общего коэффициента усиления, понижению уровня нелинейных искажений и расширению динамического диапазона каскада. Иногда эти воздействия оказываются полезны, а иногда от них стремятся избавиться. Самым простым и распространенным методом является шунтирование истокового резистора конденсатором, чье сопротивление в рабочей полосе частот усилителя оказывается пренебрежимо малым по сравнению с сопротивлением резистора (R_И). Пример такой схемы приведен на рис. 2-2.18. Заметим, что данный метод во всем аналогичен тому, как устраняют влияние резистора в цепи эмиттера в каскадах на биполярных транзисторах.
Рис. 2-2.18. Шунтирование истокового резистора конденсатором для устранения его влияния на коэффициент усиления в рабочей полосе частот каскада
Условия эксплуатации и предъявляемые требования к стабильности рабочей точки усилительного каскада могут быть очень разнообразными. Поэтому обратная связь по току, реализуемая с помощью резистора в цепи протекания тока истока, хотя и является универсальным средством, но не всегда может быть достаточна для надежной и стабильной работы каскада. Особенно в тех случаях, когда принятая рабочая точка транзистора значительно отклоняется от его термостабильной точки (это часто имеет место в каскадах, рассчитанных на высокие, близкие к предельно допустимым, уровни сигналов, например, в выходных каскадах усилителей низкой частоты или в усилителях мощности). В таких ситуациях в дополнение к ООС по току для компенсации температурных и иных воздействий в каскадах на полевых транзисторах могут применятся все те же решения, которые были разработаны для схем на биполярных транзисторах. В первую очередь, это, конечно, параметрическая компенсация с помощью терморезисторов с правильно подобранным температурным коэффициентом сопротивления.
Но терморезисторы никак не могут защитить от нетемпературных внешних воздействий, например, от изменения питающих напряжений. Поэтому не редким является и применение параллельной ООС по напряжению, реализуемой за счет подключения одного из резисторов входного делителя напряжения не напрямую к источнику питания, а через контур протекания тока стока (рис. 2-2.19). При таком включении увеличение тока через канал транзистора вызывает уменьшение напряжения, подаваемого на затвор, и, как следствие, увеличение обратного смещения на управляющем переходе затвор—исток — ток через канал падает, возвращаясь к своему прежнему уровню.
Рис. 2-2.19. Использование ООС по напряжению в схеме смещения полевого транзистора с управляющим переходом
Чтобы устранить влияние ООС по напряжению на сигналы в рабочем диапазоне частот в рассматриваемом случае, так же, как и в схеме с ООС по току, используют шунтирующие конденсаторы (рис. 2-2.20).
Рис. 2-2.20. Устранение влияния ООС по напряжению и току на сигналы в рабочем диапазоне частот усилителя с помощью шунтирующих конденсаторов
Для достижения оптимальных характеристик на практике чаще всего применяются разнообразные комбинированные схемы, в которых в зависимости от условий эксплуатации и назначения конкретного каскада подбирается глубина и устанавливается разумный баланс между разными видами ООС (рис. 2-2.21).
Рис. 2-2.21. Пример комбинированной схемы смещения полевого транзистора с управляющим переходом (здесь глубина ООС по напряжению зависит от соотношения номиналов резисторов (R_{С1}), (R_{С2})
Особенности физических процессов, протекающих в полевых транзисторах при колебаниях температуры, как правило позволяют обеспечить стабильность рабочей точки по постоянному току гораздо легче, чем это имеет место в каскадах на биполярных транзисторах. Однако здесь преобладает проблема иного характера. Крутизна характеристики передачи в полевых транзисторах значительно изменяется при колебаниях температуры (уменьшается при разогреве). В большей степени этот эффект выражен у МДП приборов, но и у полевых транзисторов с управляющим переходом он достаточно заметен.
В конечном счете крутизна характеристики передачи непосредственно определяет общий коэффициент усиления каскада. Иногда его колебания могут оказаться вредны и приводить к общей неустойчивости усилителя в определенных внешних условиях. Поэтому в схемах с полевыми транзисторами часто приходится применять специальные методы, компенсации температурного изменения крутизны характеристики передачи. Самым простым и эффективным решением является охват усилителя цепями обратной связи. Это могут быть как цепи обратной связи, охватывающие сразу весь многокаскадный усилитель, так и отдельные цепочки внутрикаскадных обратных связей. Более подробно возможные способы введения обратных связей в различные усилительные каскады на полевых транзисторах мы будем рассматривать позднее. Однако здесь мы опишем одну важную возможность.
Существуют (хотя и достаточно редки) полевые транзисторы с управляющим переходом, в которых выполнен отдельный вывод от подложки кристаллической структуры (от той части полупроводника, в которой располагается канал). В таких транзисторах возможно очень эффективное управление крутизной передаточной характеристики путем подачи управляющего напряжения между истоком и подложкой. Фактически подложка играет роль второго затвора, напряжение на котором оказывает такое же влияние на ток в канале, как и напряжение на первом (основном) затворе. Описанная конструкция полевого транзистора позволяет вводить в каскад цепи коррекции коэффициента усиления, которые в случае его падения (например, при повышении температуры) обеспечивают изменение (в нашем случае уменьшение) напряжения между подложкой и истоком, что приводит к обратному процессу — увеличению коэффициента усиления каскада. Такой метод удобен для нейтрализации не только температурных влияний, но и любых других внешних факторов, способных оказать воздействие на коэффициент усиления каскада.
На рис. 2-2.22 приведен пример усилительного каскада на (n)-канальном полевом транзисторе с управляющим (p)-(n)-переходом и отдельным выводом подложки (например, это может быть транзистор КПС315 или КПС316). В данной схеме включена цепочка, которая обеспечивает коррекцию напряжения ({U_{ПИ}}_0) между подложкой и истоком в случае изменения температуры. Используется метод параметрической стабилизации на основе прямосмещенного диода (VD1). При увеличении температуры падение напряжения на прямосмещенном диоде (VD1) уменьшается, увеличивается ток через делитель напряжения (R3), (R4), а следовательно, увеличивается напряжение между подложкой и корпусом схемы. Таким образом, отрицательное относительно истока напряжение на подложке по абсолютной величине уменьшается, что приводит к росту крутизны передаточной характеристики транзистора и возвращению коэффициента усиления каскада к необходимому уровню. Конденсаторы (C1), (C2) предотвращают влияние цепей смещения на сигналы в рабочем диапазоне частот усилительного каскада.
Рис. 2-2.22. Усилительный каскад на полевом транзисторе с управляющим (p)-(n)-переходом и отдельным выводом от подложки с цепью коррекции температурных колебаний коэффициента усиления
Следует понимать, что описанный метод коррекции становится возможным только при условии некоторого резервирования усилительной способности транзистора за счет работы при ненулевом напряжении между подложкой и истоком. Когда требуется обеспечить максимально возможный коэффициент усиления каскада не взирая на прочие условия, все приведенные цепи коррекции оказываются вредны, а единственно возможным решением является соединение выводов подложки и истока.
Полевые транзисторы известны как приборы с невероятно большим числом разновидностей. Выше мы рассмотрели только наиболее распространенные виды транзисторов с управляющими (p)-(n)-переходами. Схемы задания смещения для полевых транзисторов с управляющими переходами Шоттки или гетеропереходами в большинстве случаев идентичны приведенным схемам. Упомянем также еще один достаточно редкий подвид — двухзатворные транзисторы с управляющими переходами. В них имеется два управляющих перехода, каждый из которых выполняет ту же функцию, что и единственный управляющий переход обычного транзистора. Т.е. мы можем управлять характеристиками транзистора аналогично тому, как это было описано для транзистора с отдельным выводом от подложки. Если кто-то еще не догадался, уточним: конечно же есть транзисторы с двумя затворами и отдельным выводом от подложки (например, КП322). Ясно, что с характеристиками таких приборов мы можем делать практически все что угодно.
| < Предыдущая | Следующая > |
|---|
Подсток-затворной
характеристикой
полевого транзистора понимается
зависимость тока стока от напряжения
затвор-исток при постоянном значении
напряжения сток-исток:
IС
= f
(UЗИ)
UСИ
= const (8)
Н
а рис. 5 приведено семейство
сток-затворных характеристик полевого
транзистора с каналомp-типа.
Характеристика 1 соответствует напряжению
сток-исток UСИ1
= -10
В.
Из зависимости 1 следует, что при
некотором
напряжении UЗИ
= UЗОТС
ток стока IС
= 0.
Минимальное напряжение затвор-исток,
при котором ток стока равен нулю,
называется напряжением
отсечки UЗОТС.
Значение напряжения отсечки определяется
равновесной шириной канала.
Р
ис.
5. Сток-затворные характеристики полевоготранзистора
с управляющим p-n
переходом
и каналом р-типа
При
UЗИ
=
0 через
полевой транзистор протекает максимальный
ток, сечение канала в этом случае
максимальное, а сопротивление канала
наименьшее. При увеличении напряжения
затвор-исток управляющий p-n
переход расширяется в область
слаболегированного полупроводника
p-типа
(lОБР
увеличивается) и сечение канала
уменьшается, что приводит к росту
сопротивления канала rK
= lK
/(
SK
)
и уменьшению тока стока.
При
напряжении на затворе равном напряжению
отсечки, сечение
канала
становится приблизительно нулевым,
транзистор запирается, а
ток
стока стремится к нулю (рис. 5(1)).
При
подаче на сток напряжения UСИ2
= -15
В
ток стока изменится незначительно, так
как это напряжение соответствует
рабочему режиму полевого транзистора,
поэтому сток-затворная характеристика
в этом случае (зависимость 2 рис. 5) пойдет
несколько выше, чем зависимость 1 при
напряжении UСИ1
= -10
В.
Отсюда следует, что при разных напряжениях
сток-исток в рабочем режиме сток-затворные
характеристики полевого транзистора
идут очень близко друг к другу, а
напряжение отсечки практически не
изменяется. С учетом этого факта в
справочниках приводится сток-затворная
характеристика полевого транзистора
с управляющим p-n
переходом при одном напряжении сток-исток.
2.4. Влияние температуры на сток-затворную характеристику полевого транзистора с управляющим p-n переходом
При
изменении температуры окружающей среды
на ход сток-затворной характеристики
полевого транзистора влияют два фактора:
1)
с ростом температуры уменьшается
подвижность носителей заряда в канале,
которая определяется соотношением —
= АТ-3/2;
2)
с увеличением температуры уменьшается
контактная разность потенциалов К,
а, следовательно, и lОБР
.
С
ток-затворные характеристики с
учетом изменения температуры окружающей
среды представлены на рис. 6. Зависимость
1 рис. 6 соответствует комнатной температуре
— T1
= +20С,
а зависимость 2 — T2
= +70C.
Рис.
6. Сток-затворные характеристики полевого
транзистора с управляющим p-n
переходом
при различных температурах окружающей
среды: 1 — T1
= +20С, 2
— T2
= +70C
На
участке AB зависимости 1 рис. 6 при повышении
температуры преобладает первый фактор.
При увеличении температуры уменьшается
подвижность носителей заряда, это
приводит к уменьшению электропроводности
канала, следовательно, к росту сопротивления
канала и снижению значения тока стока,
что и нашло отражение в зависимости 2
рис. 6 на участке AB. На участке AC
сток-затворной характеристики полевого
транзистора при повышении температуры
окружающей среды преобладающим является
второй фактор. При этом повышение
температуры ведет к снижению высоты
потенциального барьера управляющего
p-n
перехода, к уменьшению его ширины, а
следовательно, к увеличению сечения
канала, росту тока стока и напряжения
отсечки. Для T2
(зависимость 2 рис. 6) напряжение отсечки
равно U’ЗОТС
.
Участок
AC сток-затворной характеристики полевого
транзистора получил наименование
термостабильной области. В точке A
сток-затворной характеристики оба
фактора влияния температуры компенсируют
друг друга и точка A называется
термостабильной
точкой.
Таким
образом, в зависимости от режима работы
полевого транзистора результирующий
температурный коэффициент напряжения
может быть положительным, отрицательным
и даже нулевым. От напряжения отсечки
до точки A (рис. 6) сток-затворная
характеристика с увеличением температуры
идет выше первоначальной или сливается
с ней, а левее точки A — идет ниже, то есть
из-за увеличения rK
(2) ток
стока IC
уменьшается.
Для маломощных полевых транзисторов с
управляющим p-n
переходом
термостабильная область (точка) лежит
в интервале небольших токов стока: IC
= (50500)
мкА.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
ЛАБОРАТОРНАЯ
РАБОТА №5
Снятие статических характеристик полевого транзистора с р—n переходом
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Изучение полевых
транзисторов с n и p каналом, снятие статических выходных
характеристик и сток-затворную характеристику. Исследовать влияние сопротивления
нагрузки на сток-затворную характеристику и коэффициент усиления напряжения.
ТЕОРИЯ
Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток
через канал управляется электрическим полем, возникающим при подаче напряжения
между затвором и истоком.
В отличие от
биполярных транзисторов, в полевых транзисторах в переносе тока участвуют
только электроны или только дырки.
Рис.1 Структура полевого
транзистора с управляющим p—n-переходом.
Транзистор имеет
структуру, представленную на рис.1. Между затвором 3 и каналом 1 образуется р-n-переход, обедненный слой которого
сосредоточен главным образом в объеме канала, выполненного из материала с
низким содержанием примеси. От канала сделаны выводы 3 и 4 – сток и исток.
Исток И обычно заземляют, а на сток С подают напряжение, при котором
основные носители заряда устремляются к нему. Канал — это область полупроводника, в которой поток носителей зарядов
регулируется изменением ее поперечного сечения. Истоком называется электрод
полевого транзистора, через который в канал втекают носители зарядов, собираемые
при выходе из канала другим электродом — стоком. Затвор — это электрод, на
который подается управляющее напряжение.
Принцип действия
полевых транзисторов с каналом n или p типов идентичен. Поэтому в
дальнейшем будем рассматривать работу полевых кремниевых транзисторов с
управляющим p-n-переходом на примере транзистора с каналом p
типа. На затвор относительно истока подается положительное напряжение. В этом
случае p-n-переход затвор-исток находится под обратным смещением. На
сток относительно истока должно подаваться отрицательное напряжение. Схема
включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом p
типа приведена на рисунке 3 а).
Управление
током транзистора основано на изменении сечения канала путем регулирования
ширины p-n-перехода при подаче входного напряжения (напряжения затвора). При подаче на затвор
относительно истока положительного напряжения область p-n-перехода будет
расширяться.
P-n-переход расширяется в
соответствии с выражением:
, (1)
где 
— ширина p-n-перехода в
равновесном состоянии. Исходная пластинка кремниевого полупроводника p
типа слабо легирована примесями, поэтому NД>>Nа
и расширение p-n-перехода c увеличением 
(1)
произойдет в область полупроводника p типа, сечение канала Sк
уменьшится, а его сопротивление rк увеличится.
Электрическое сопротивление канала rк зависит от
его толщины, ширины и длины:
,
(2)
где w — толщина канала, lк — длина канала, h
— ширина канала, s — электропроводность
полупроводника p типа, mp —
подвижность дырок,
pp — концентрация дырок (основных носителей зарядов) в
области полупроводника p типа, Sк — сечение канала.
В соответствии с
соотношениями (1) и (2) при изменении напряжения на затворе меняется ширина p-n-перехода,
сечение канала и его электрическое сопротивление. В результате чего будет
изменяться величина протекающего тока стока. С увеличением rк
ток стока 
уменьшается. Сечение канала Sк
изменяется неравномерно. Со стороны истока имеем более широкий канал, а со
стороны стока сечение канала уменьшается. Это происходит потому, что сечение
канала является функцией двух напряжений: 
. Напряжение
у стока будет больше, чем у истока, поэтому расширение p-n-перехода в
области стока больше, чем в области истока (рис.2).
Напряжение 
распределяется
вдоль канала, оно больше у стока и меньше у истока. За счет этого сечение
канала, расположенного со стороны стока, всегда будет значительно меньше, чем
со стороны истока.
Рис.2. Структура полевого
транзистора при различных напряжениях между стоком и истоком.
Входной ток
полевого транзистора равен току затвора Iвх = Iз и он обусловлен
переносом неосновных носителей зарядов через p-n-переход.
Выходные характеристики полевого транзистора с управляющим
p-n-переходом
Под выходными
характеристиками полевого транзистора с управляющим p-n-переходом понимаются
зависимости тока стока от напряжения сток-исток при постоянном напряжении на
затворе:
при 
(3)
Рассмотрим семейство выходных характеристик полевого транзистора при
различных напряжениях на затворе. Эти зависимости представлены на
рисунке 3 б).
Характеристика при 
= 0 начинается из
начала координат. При подаче напряжения на сток в канале возникает ток , а p-n-переход получает обратное смещение
и расширяется. На участке ОА при увеличении напряжения выходной
ток растет
линейно, подчиняясь закону Ома. Плотность дрейфового тока через канал
определяется выражением:
, (4)
 |
где
jдр —
плотность дрейфового тока, E — напряженность электрического поля, v —
дрейфовая скорость движения носителей зарядов в полупроводнике р типа.
При увеличении растет дрейфовая скорость
носителей зарядов, а, следовательно, и ток стока. При протекании тока стока
появляется падение напряжения в канале, под его действием p-n-переход
получает обратное смещение и расширяется в область малолегированного канала.
Чем ближе к стоку, тем больше смещение p-n-перехода и тем уже в этом месте
канал. На участке АВ кривой 1 рост тока стока замедляется из-за
уменьшения сечения канала Sк и зависимость тока стока от напряжения сток-исток не
подчиняется закону Ома. В точке В напряжение стока возросло настолько,
что из-за уменьшения сечения канала и увеличения его сопротивления (2)
наступает ограничение роста тока 
. Напряжение стока в точке В называется напряжением
насыщения UH0 и
отражает прекращение нарастания тока стока . Участок ОА кривой 1 называется областью
проводимости канала (омический участок), а пологий участок BC — областью
насыщения, который и является рабочим участком выходной характеристики полевого
транзистора с управляющим p-n-переходом. Незначительное изменение тока
стока на рабочем участке объясняется двумя причинами:
1. С увеличением напряжения сток-исток почти пропорционально возрастает
сопротивление канала (2) за счет его сужения.
2. С дальнейшим ростом напряжения сток-исток приблизительно все внутреннее
падение напряжения сосредоточено в самой узкой части канала со стороны стока.
В результате в области канала напряженность электрического поля может
быть высокой. В этом случае плотность дрейфового тока (4) достигает насыщения и
не зависит от напряжения сток-исток. Это происходит потому, что подвижность
носителей mp уменьшается с
увеличением напряженности электрического поля E, а дрейфовая скорость v их
движения достигает насыщения:
,
(5)
то есть можно
отметить, что при увеличении напряжения сток-исток происходит возрастание
напряженности электрического поля, уменьшение подвижности носителей зарядов и
плотность дрейфового тока на рабочем участке BC приблизительно
постоянна:
. (6)
Лишь при значительном увеличении напряжения сток-исток может наступить
пробой p-n-перехода и ток стока 
будет лавинообразно возрастать. На рисунке 3 отмечена нерабочая область
полевого транзистора с управляющим p-n-переходом, которая ограничивается
тремя параметрами: максимально-допустимым током стока – макс; максимально-допустимым напряжением
сток-исток — 
доп; максимально-допустимой
мощностью рассеяния стока – 
макс.
На рабочем участке BC угол наклона выходной характеристики близок
к нулю, поэтому выходное сопротивление Rвых полевого
транзистора с управляющим p-n-переходом велико и имеет значения порядка
сотен кОм.
Если на затвор относительно истока подать положительное напряжение 
=+2В, то исходное сечение канала Sк
уменьшается, сопротивление канала rк возрастает и выходная
характеристика 2 =f(
) при 
>0 в
области проводимости пойдет под меньшим углом наклона 
,
а в режиме насыщения ниже, чем выходная характеристика 1. Насыщение канала для
выходной характеристики 2 наступает при меньшей величине напряжения сток-исток:
(7)
При дальнейшем увеличении напряжения затвор-исток 
=+4В
происходит уменьшение тока стока и выходная характеристика 3 пойдет еще ниже, как это показано на рисунке
3.
Сток-затворные
характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом
Под
сток-затворной характеристикой полевого транзистора понимается зависимость тока
стока от напряжения затвор-исток при постоянном значении напряжения сток-исток:
при 
(8)
На рисунке 4 приведено семейство сток-затворных характеристик полевого
транзистора с каналом p-типа. Характеристика 1 соответствует напряжению
сток-исток 
=-10В. Из зависимости 1 следует, что при
некотором напряжении 
=Uзотс ток
стока =0. Минимальное
напряжение затвор-исток, при котором ток стока равен нулю, называется
напряжением отсечки Uзотс. Значение напряжения отсечки
определяется равновесной шириной канала. При 
=0
через полевой транзистор протекает максимальный ток, сечение канала в этом
случае максимальное, а сопротивление канала наименьшее. При увеличении
напряжения затвор-исток управляющий p-n-переход расширяется в область
слабо легированного полупроводника p-типа (lобр
увеличивается) и сечение канала уменьшается, что приводит к росту сопротивления
канала rк=lк/(sSк) и уменьшению тока стока.
 |
При напряжении на затворе равным напряжению отсечки сечение канала становится
приблизительно нулевым, транзистор запирается, а ток стока стремится к нулю
(рисунок 4 (1)).
При подаче на сток напряжения 
=-15В ток стока
изменится незначительно, так как это напряжение соответствует рабочему режиму
полевого транзистора, поэтому сток-затворная характеристика в этом случае
(зависимость 2 рисунка 4) пойдет несколько выше, чем зависимость 1 при напряжении
=-10В. Отсюда следует, что при разных
напряжениях сток-исток в рабочем режиме сток-затворные характеристики полевого
транзистора идут очень близко друг к другу, а напряжение отсечки практически не
изменяется. С учетом этого факта в справочниках приводится сток-затворная
характеристика полевого транзистора с управляющим p-n-переходом при
одном напряжении сток-исток.
На сток-затворную характеристику полевого транзистора с управляющим p-n-переходом
значительное влияние оказывает температура окружающей среды. При изменении
температуры окружающей среды на ход сток-затворной характеристики полевого
транзистора влияют два фактора:
1. При увеличении температуры уменьшается подвижность носителей заряда в
канале, которая определяется соотношением — m=AT-3/2, это приводит к уменьшению
электропроводности канала, следовательно, к росту сопротивления канала и
снижению значения тока стока.
2. Повышение температуры ведет к снижению высоты потенциального барьера
управляющего p-n-перехода, к уменьшению его ширины, а, следовательно, к
увеличению сечения канала, росту тока стока и напряжения отсечки.
Параметры полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом
Параметры полевых транзисторов определяются из связи между выходным током
— током стока и напряжениями затвор-исток, сток-исток:
=f(,
).
(9)
Из функционального уравнения (9) получаем дифференциальное уравнение в
частных производных вида:
d=(¶/¶)¶+(¶/¶)¶. (10)
Другая запись уравнения (10) имеет вид:
d=Sd+(1/Ri)d.
(11)
Из уравнения (11) находятся основные статические параметры полевых
транзисторов: крутизна характеристики — S; внутреннее
сопротивление — Ri; статический коэффициент усиления
по напряжению —
.
Эффективность управляющего действия затвора в полевых транзисторах
оценивается крутизной сток-затворной характеристики. Крутизна характеристики
S показывает на сколько миллиампер изменяется величина тока стока при изменении
напряжения на затворе на один вольт.
при =const.
(12)
При определении
крутизны S напряжение сток-исток должно оставаться постоянным.
Графически величина S соответствует наклону касательной в заданной точке
сток-затворной характеристики: S=tg(a), где a— угол наклона касательной.
Поскольку ток стока нелинейно зависит от напряжения на затворе, то и крутизна
характеристики является функцией напряжения на затворе: S=f(). В зависимости от типа полевого
транзистора крутизна маломощных транзисторов имеет среднее значение порядка: S=(1,5-2,0)
мА/В.
Внутреннее сопротивление полевого транзистора Ri характеризуется
воздействием напряжения стока на ток стока и определяется из выражения:
при =const
(13)
Внутреннее сопротивление полевого транзистора — это отношение изменения
выходного напряжения (напряжения сток-исток) к изменению выходного тока (тока
стока) при постоянном напряжении на затворе. Этот параметр
показывает сопротивление полевого транзистора переменному току и составляет
сотни кОм в зависимости от типа полевого транзистора. Графически внутреннее
сопротивление соответствует наклону касательной в заданной точке выходной
характеристики полевого транзистора: Ri = ctg(a), где a — угол
наклона касательной. Чем положе идет выходная характеристика полевого
транзистора, тем большее значение имеет внутреннее сопротивление.
Статическим
коэффициентом усиления по напряжению 
называют отношение
изменения напряжения сток-исток к изменению напряжения затвор-исток при
неизменном токе стока:
при 
=const (14)
Статический коэффициент усиления по напряжению показывает во сколько раз
напряжение на затворе сильнее влияет на ток стока по сравнению с напряжением на
стоке. Значение 
, как правило, много больше единицы. Если дифференциальное
уравнение (11) приравнять нулю, то получим:
, (15)
или
. (16)
Уравнение (16)
получило название внутреннего уравнения. Это уравнение широко
применяется на практике для вычисления третьего параметра по двум известным.
Чтобы определить
параметры полевого транзистора с управляющим p-n-переходом необходимо
иметь семейство выходных характеристик. Крутизну характеристики и внутреннее
сопротивление могут быть определены графически по выходным характеристикам на
рабочем участке (рисунок 5).
Крутизну характеристики S=(D
/D
) при 
=const
определяют по точкам A
и B зависимостей 1 и 2 рисунка 5. Приращение тока стока находят как разность
значений токов стока в точках A и B при напряжении сток-исток =
, D
, а
приращение напряжения затвор-исток — как разность напряжений на затворе между
зависимостями 1 и 2 рисунка 5: D=
—
.
Внутреннее сопротивление Ri=D/D при =const определяют по точкам B и
C рисунка 5, расположенных на рабочем участке, при напряжении 
=
=const:
D=ном—
; D=
—
.
Значение статического коэффициента усиления по напряжению определяется из
уравнения (16) по найденным S и Ri.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ
ЧАСТЬ
Задание
Протестировать
транзисторы типа n и типа p с помощью мультиметра, снять
статические выходные характеристики и сток-затворную характеристику.
Исследовать влияние сопротивления нагрузки на сток-затворную характеристику
и коэффициент усиления напряжения.
Порядок
выполнения экспериментов
1. Переключите мультиметр в
режим тестирования диодов и измерьте падение напряжения на p—n переходах транзисторов по первым
четырём схемам, приведённым в табл. 2.8.
Примечание: в режиме тестирования диодов
мулътиметр измеряет падение напряжения на открытом р-п переходе при
определённом токе (примерно 1 мА), создаваемом самим прибором. В обратном
направлении он показывает обрыв цепи (1 в старшем разряде).
2. Переключите мультиметр в
режим измерения сопротивлений и измерьте сопротивление «сток — исток» при Uзи = 0 по двум последним схемам табл.
1.
Таблица
1
3. Соберите цепь для снятия
характеристик транзистора (рис. 6). Диод включен в схему для предотвращения
подачи отрицательного напряжения на транзистор при снятии выходных
характеристик, а между точками А и В включена перемычка, удалив которую можно
включить в цепь стока сопротивление нагрузки.
Рис.6
4. Включите блок генераторов
напряжений и мультиметры. Регулируя напряжение на затворе потенциометром,
определите начальный ток стока и напряжение отсечки.
5. Изменяя напряжение на
затворе потенциометром от нуля до напряжения отсечки, снимите сток-затворную
характеристику (табл. 2).
Таблица
2
|
UЗИ, В |
0 |
-0,5 |
-1 |
-1,5 |
-2 |
|
IС, мА |
6. Постройте график стоко- затворной
характеристики (рис. 7) и определите крутизну:
;
Рис.
7
7. Для снятия выходных
характеристик транзистора переключите питание на регулируемый источник
постоянного напряжения -13…+13 В, как показано на схеме пунктиром, установите
напряжение на затворе равным нулю и переключите вольтметр для измерения
напряжения Uси
8. Регулируя напряжение питания
от 0 до максимального значения (13… 14 В), снимите зависимость Iс(Uси) при Uзи=0 (табл. 3).
Таблица
3
|
Uси, В |
0 |
0,5 |
1 |
1,5 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
8 |
12 |
||
|
Iс, мА |
при Uзи=0В |
||||||||||||
|
при Uзи=0,5В |
|||||||||||||
|
при Uзи=1В |
|||||||||||||
|
при Uзи=1,5В |
|||||||||||||
9. Переключите снова
вольтметр для измерения напряжения Uзи, установите потенциометром Uзи = -1В, переключите вольтметр обратно для измерения напряжения Uси и снимите зависимость (Uси) при Uзи = -1 В.
10. Аналогично
снимите выходные характеристики при других значениях Uзи
11. На рис. 7
постройте графики выходных характеристик.
12. Для
исследования влияния нагрузочного сопротивления на крутизну сток-затворной
характеристики и коэффициент усиления напряжения вновь переключите питание на
нерегулируемый источник +15 В, удалите из схемы перемычку и включайте вместо
неё различные сопротивления нагрузки, указанные в табл. 4.
13. При каждом
сопротивлении записывайте в табл. значения Iс и Uси при двух значениях
напряжения на затворе.
14. Вычислите по
этим значениям коэффициенты усиления напряжения и крутизну затворно-стоковой характеристики.
На рис. 8 постройте графики и проанализируйте их.
Таблица
4
Рис.8
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.
В чем принципиальное отличие полевых транзисторов
от биполярных?
2.
Какова структура полевого транзистора с управляемым
р-п переходом?
3.
Какой полярности
напряжение должно подаваться на затвор относительно истока для эффективного
управления током транзистора с каналом р—типа?
4.
Чем объясняется высокое входное сопротивление
полевых транзисторов?
5.
Объясните принцип усиления сигналов с помощью
полевого транзистора?
6.
Объясните, по каким причинам происходит насыщение
тока стока на выходной характеристике?
7.
Каковы основные параметры полевых транзисторов и в
чем их физический смысл?
8.
Какое напряжение называется напряжением отсечки?
9.
Какое напряжение называется напряжением насыщения?
10. Каковы основные характеристики полевого транзистора с управляемым р-п
переходом?
Время прочтения
8 мин
Просмотры 560K
Введение
А теперь давайте поговорим о полевых транзисторах. Что можно предположить уже по одному их названию? Во-первых, поскольку они транзисторы, то с их помощью можно как-то управлять выходным током. Во-вторых, у них предполагается наличие трех контактов. И в-третьих, в основе их работы лежит p-n переход. Что нам на это скажут официальные источники?
Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, обычно с тремя выводами, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля. (electrono.ru)
Определение не только подтвердило наши предположения, но и продемонстрировало особенность полевых транзисторов — управление выходным током происходит посредством изменения приложенного электрического поля, т.е. напряжения. А вот у биполярных транзисторов, как мы помним, выходным током управляет входной ток базы.
Еще один факт о полевых транзисторах можно узнать, обратив внимание на их другое название — униполярные. Это значит, что в процессе протекания тока у них участвует только один вид носителей заряда (или электроны, или дырки).
Три контакта полевых транзисторов называются исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители). Структура кажется простой и очень похожей на устройство биполярного транзистора. Но реализовать ее можно как минимум двумя способами. Поэтому различают полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.
Вообще, идея последних появилась еще в 20-х годах XX века, задолго до изобретения биполярных транзисторов. Но уровень технологии позволили реализовать ее лишь в 1960 году. В 50-х же был сначала теоретически описан, а затем получил воплощение полевой транзистор с управляющим p-n переходом. И, как и их биполярные «собратья», полевые транзисторы до сих пор играют в электронике огромную роль.
Перед тем, как перейти к рассказу о физике работы униполярных транзисторов, хочу напомнить ссылки, по которым можно освежить свои знания о p-n переходе: раз и два.
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
Итак, как же устроен первый тип полевых транзисторов? В основе устройства лежит пластинка из полупроводника с проводимостью (например) p-типа. На противополжных концах она имеет электроды, подав напряжение на которые мы получим ток от истока к стоку. Сверху на этой пластинке есть область с противоположным типом проводимости, к которой подключен третий электрод — затвор. Естественно, что между затвором и p-областью под ним (каналом) возникает p-n переход. А поскольку n-слой значительно уже канала, то большая часть обедненной подвижными носителями заряда области перехода будет приходиться на p-слой. Соответственно, если мы подадим на переход напряжение обратного смещения, то, закрываясь, он значительно увеличит сопротивление канала и уменьшит ток между истоком и стоком. Таким образом, происходит регулирование выходного тока транзистора с помощью напряжения (электрического поля) затвора.
Можно провести следующую аналогию: p-n переход — это плотина, перекрывающая поток носителей заряда от истока к стоку. Увеличивая или уменьшая на нем обратное напряжение, мы открываем/закрываем на ней шлюзы, регулируя «подачу воды» (выходной ток).
Итак, в рабочем режиме полевого транзистора с управляющим p-n переходом напряжение на затворе должно быть либо нулевым (канал открыт полностью), либо обратным.
Если величина обратного напряжения станет настолько большой, что запирающий слой закроет канал, то транзистор перейдет в режим отсечки.
Даже при нулевом напряжении на затворе, между затвором и стоком существует обратное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к области стока.
Само собой разумеется, что можно сделать транзистор с каналом n-типа и затвором p-типа. Сущность его работы при этом не изменится.
Условные графические изображения полевых транзисторов приведены на рисунке (а — с каналом p-типа, б — с каналом n-типа). Стрелка здесь указывает направление от p-слоя к n-слою.
Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом
Поскольку в рабочем режиме ток затвора обычно невелик или вообще равен нулю, то графики входных характеристик полевых транзисторов мы рассматривать не будем. Перейдем сразу к выходным или стоковым. Кстати, статическими их называют потому, что на затвор подается постоянное напряжение. Т.е. нет необходимости учитывать частотные моменты, переходные процессы и т.п.
Выходной (стоковой) называется зависимость тока стока от напряжения исток-сток при константном напряжении затвор-исток. На рисунке — график слева.
На графике можно четко выделить три зоны. Первая из них — зона резкого возрастания тока стока. Это так называемая «омическая» область. Канал «исток-сток» ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется напряжением на затворе транзистора.
Вторая зона — область насыщения. Она имеет почти линейный вид. Здесь происходит перекрытие канала в области стока, которое увеличивается при дальнейшем росте напряжения исток-сток. Соответственно, растет и сопротивление канала, а стоковый ток меняется очень слабо (закон Ома, однако). Именно этот участок характеристики используют в усилительной технике, поскольку здесь наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. К таким параметрам относятся крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления. Значения всех этих непонятных словосочетаний будут раскрыты ниже.
Третья зона графика — область пробоя, чье название говорит само за себя.
С правой стороны рисунка показан график еще одной важной зависимости — стоко-затворной характеристики. Она показывает то, как зависит ток стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении между истоком и стоком. И именно ее крутизна является одним из основных параметров полевого транзистора.
Полевой транзистор с изолированным затвором
Такие транзисторы также часто называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- или МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторами (англ. metall-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET). У таких устройств затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика. Физической основой их работы является эффект изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.
Устройство транзисторов такого вида следующее. Есть подложка из полупроводника с p-проводимостью, в которой сделаны две сильно легированные области с n-проводимостью (исток и сток). Между ними пролегает узкая приповерхностнаяя перемычка, проводимость которой также n-типа. Над ней на поверхности пластины имеется тонкий слой диэлектрика (чаще всего из диоксида кремния — отсюда, кстати, аббревиатура МОП). А уже на этом слое и расположен затвор — тонкая металлическая пленка. Сам кристалл обычно соединен с истоком, хотя бывает, что его подключают и отдельно.
Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток. Почему не через кристалл? Потому что один из p-n переходов будет закрыт.
А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения.
Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения. При этом сопротивление канала будет падать, а ток через него расти.
Рассмотренная выше конструкция транзистора с изолированным затвором похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом тем, что даже при нулевом токе на затворе при ненулевом напряжении исток-сток между ними существует так называемый начальный ток стока. В обоих случаях это происходит из-за того, что канал для этого тока встроен в конструкцию транзистора. Т.е., строго говоря, только что мы рассматривали такой подтип МДП-транзисторов, как транзисторы с встроенным каналом.
Однако, есть еще одна разновидность полевых транзисторов с изолированным затвором — транзистор с индуцированным (инверсным) каналом. Из названия уже понятно его отличие от предыдущего — у него канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.
Итак, мы подаем напряжение только на исток и сток. Ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт.
Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора. И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая инверсия типа проводимости. Т.е. концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа. Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе.
Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения.
Условные обозначения транзисторов с изолированным затвором следующие:
Здесь
а − со встроенным каналом n- типа;
б − со встроенным каналом р- типа;
в − с выводом от подложки;
г − с индуцированным каналом n- типа;
д − с индуцированным каналом р- типа;
е − с выводом от подложки.
Статические характеристики МДП-транзисторов
Семейство стоковых и стоко-затворная характеристики транзистора с встроенным каналом предсталены на следующем рисунке:
Те же характеристики для транзистора с идуцированным каналом:
Экзотические МДП-структуры
Чтобы не запутывать изложение, хочу просто посоветовать ссылки, по которым о них можно почитать. В первую очередь, это всеми любимая википедия, раздел «МДП-структуры специального назначения». А здесь теория и формулы: учебное пособие по твердотельной электронике, глава 6, подглавы 6.12-6.15. Почитайте, это интересно!
Общие параметры полевых транзисторов
- Максимальный ток стока при фиксированном напряжении затвор-исток.
- Максимальное напряжение сток-исток, после которого уже наступает пробой.
- Внутреннее (выходное) сопротивление. Оно представляет собой сопротивление канала для переменного тока (напряжение затвор-исток — константа).
- Крутизна стоко-затворной характеристики. Чем она больше, тем «острее» реакция транзистора на изменение напряжения на затворе.
- Входное сопротивление. Оно определяется сопротивлением обратно смещенного p-n перехода и обычно достигает единиц и десятков МОм (что выгодно отличает полевые транзисторы от биполярных «родственников»). А среди самих полевых транзисторов пальма первенства принадлежит устройствам с изолированным затвором.
- Коэффициент усиления — отношение изменения напряжения исток-сток к изменению напряжения затвор-исток при постоянном токе стока.
Схемы включения
Как и биполярный, полевой транзистор можно рассматривать как четырехполюсник, у которого два из четырех контактов совпадают. Таким образом, можно выделить три вида схем включения: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком. По характеристикам они очень похожи на схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором для биполярных транзисторов.
Чаще всего применяется схема с общим истоком (а), как дающая большее усиление по току и мощности.
Схема с общим затвором (б) усиления тока почти не дает и имеет маленькое входное сопротивление. Из-за этого такая схема включения имеет ограниченное практическое применение.
Схему с общим стоком (в) также называют истоковым повторителем. Ее коэффициент усиления по напряжению близок к единице, входное сопротивление велико, а выходное мало.
Отличия полевых транзисторов от биполярных. Области применения
Как уже было сказано выше, первое и главное отличие этих двух видов транзисторов в том, что вторые управляются с помощью изменения тока, а первые — напряжения. И из этого следуют прочие преимущества полевых транзисторов по сравнению с биполярными:
- высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление;
- высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей);
- поскольку усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены переносом основных носителей заряда, их верхняя граница эффективного усиления выше, чем у биполярных;
- высокая температурная стабильность;
- малый уровень шумов, так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда, которое и делает биполярные транзисторы «шумными»;
- малое потребление мощности.
Однако, привсем при этом у полевых транзисторов есть и недостаток — они «боятся» статического электричества, поэтому при работе с ними предъявляют особо жесткие требования по защите от этой напасти.
Где применяются полевые транзисторы? Да практически везде. Цифровые и аналоговые интегральные схемы, следящие и логические устройства, энергосберегающие схемы, флеш-память… Да что там, даже кварцевые часы и пульт управления телевизором работают на полевых транзисторах. Они повсюду, %хабраюзер%. Но теперь ты знаешь, как они работают!
Список источников:
ru.wikipedia.org
dssp.petrsu.ru
zpostbox.narod.ru
electrono.ru
radio.cybernet.name
Полезные комментарии:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133493/#comment_4435883
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133493/#comment_4436509
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133493/#comment_4441531
Рекомендую почитать:
«Основы на пальцах», автор DI HALT (за наводку спасибо AlexeiKozlov)