Меню

Формула для тока стока

Полевые транзисторы. For dummies

Введение

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

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

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!

Читайте также:  Резкая боль в левой ноге как ток

Общие параметры полевых транзисторов

  1. Максимальный ток стока при фиксированном напряжении затвор-исток.
  2. Максимальное напряжение сток-исток, после которого уже наступает пробой.
  3. Внутреннее (выходное) сопротивление. Оно представляет собой сопротивление канала для переменного тока (напряжение затвор-исток — константа).
  4. Крутизна стоко-затворной характеристики. Чем она больше, тем «острее» реакция транзистора на изменение напряжения на затворе.
  5. 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.
  6. 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!

Источник

ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК

Полевые транзисторы получают все более широкое распространение как в качестве дискретных элементов, так и в качестве элементов и компонентов интегральных микросхем. Главным достоинством полевых транзисторов является высокое входное сопротивление, обусловленное очень малым током затвора.

Существуют следующие разновидности полевых транзисторов:

— полевые транзисторы с р-n переходом (рис.5.1,а,б);

— полевые транзисторы с изолированным затвором, которые также называются МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП (металл-оксид-полупроводник), в свою очередь, подразделяются на:

а) МДП — транзисторы с индуцированным каналом (рис. 5.1, в, г,)

б) МДП — транзисторы со встроенным каналом (рис.5.1, д, е,)

Полевые транзисторы бывают с каналом р- типа (см.рис. 5,1 а,в,д,) и с каналом n-типа (см.рис.5.1,б,г,е). Различие состоит в знаке используемых подвижных носителей заряда. При включении транзисторов с различными каналами в схемы, полярность подключения источников питания у них противоположная.

Ток утечки затвора, как уже отмечалось, очень мал. Например у транзистора КП103 Iз.ут≤20нА (при Uси=0 В, Uзи=10 В), у транзистора КП301Iз.ут≤0,3нА (при Uзи=-30 В).

Поэтому входные характеристики полевых транзисторов не рассматриваются.

Управляющее действие затвора наглядно иллюстрируют управляющие (стоко-затворные или переходные, проходные) характеристики выражающие зависимость.

IВЫХ = f (UВХ ) при Uвых = const (5.2)

IС = f (UЗИ ) при Ucи = const

Однако эти характеристики неудобны для расчетов, и поэтому чаще пользуются выходными характеристиками.

Выходные характеристики (стоковые) выражают зависимость (рис. 5.2)

IВЫХ = f (UВЫХ ) при Uвх = const (5.3)

IС = f (UСИ ) при Uзи = const

Они показывают, что с увеличением Uси ток стока Ic сначала довольно быстро, а затем это нарастание замедляется и почти совсем прекращается, т.е. наступает явление, напоминающее насыщение. Работа транзистора обычно происходит на пологих участках характеристик, в области, которую не совсем удачно называют областью насыщения (на рис.5.2 отмечено пунктиром).

Напряжение, при котором начинается эта область, иногда называют напряжением насыщения. Запирающее напряжение затвора (при котором ток стока равен нулю Iс= 0) называют напряжением отсечки.

Типовые вольт-амперные характеристики представлены на рис. 5.3-5.5.

На рис. 5.3 — планарный полевой транзистор КП601 с управляющим р-n-переходом и каналом n-типа. На рис. 5.4 — кремниевый эпитаксиально планарный полевой транзистор КП717 с изолированным затвором индуцированным каналом (с обогащением канала) n-типа. На рис. 5.5 — диффузионно-планарный МДП- транзистор КП305 со встроенным канатом n-типа.

Полевой транзистор характеризуется следующими параметрами. Основным параметром является.

S — крутизна, отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком

S = ΔIС / ΔUЗИ при Uси = const (5.4)

Вторым параметром является: Ri — внутреннее (выходное) дифференциальное сопротивление представляющее собой сопротивление транзистора между стоком и истоком (сопротивление канала) для переменного тока,

Ri = ΔUСИ / ΔIС при Uзи = сonst (5.5)

На пологих участках выходных характеристик Ri достигает сотен килоом и оказывается во много раз больше сопротивления транзистора постоянному току Ro.

Следующий важный параметр — коэффициент усиления, который показывает, во сколько раз сильнее действует на ток стока изменение напряжения затвора, нежели изменение напряжения стока

μ = — ΔUСИ /ΔUЗИ при Iс = const. (5.7)

Коэффициент усиления m выражается отношением таких изменений ∆Uси и ∆Uзи, которые компенсируют друг друга по действию на ток стока , в результате чего этот ток остаётся постоянным. Так как для подобной компенсации ∆Uси и ∆Uзи должны иметь разные знаки (например, увеличение Uси должно компенсироваться уменьшением Uзи, то в правой части формулы (5.7) стоит знак «минус». Иначе, вместо этого можно взять абсолютное значение правой части, т.e. m >0. Коэффициент усиления m связан с параметрами Ri и S простой зависимостью

m=S Ri (5.8)

К параметрам полевого транзистора, которые, как правило, указываются в справочной литературе, относятся:

Iс.нач — начальный ток стока, ток стока при напряжении между затвором и истоком, равном нулю, и при напряжении на стоке, равном или превышающем напряжение насыщения;

Iс.оcт — остаточный ток стока при напряжении между затвором и истоком, превышающем напряжение отсечки;

Iз.ут— ток утечки затвора, ток затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой;

Iзио — обратный ток перехода затвор-исток. при разомкнутом выводе, ток, протекающий по цепи затвор-исток, при заданном обратном напряжении между затвором и истоком и разомкнутыми выводами.

Uзиотс — напряжение отсечки полевого транзистора, напряжение между затвором и истоком транзистора с р-n-переходом или МДП транзистора со встроенным каналом, при котором ток стока достигает заданного низкого значения;

Uзипор- пороговое напряжение полевого транзистора, напряжение между затвором и истоком МДП — транзистора с индуцированным каналом, при котором ток стока достигает заданного низкого значения;

Rсuoтк — сопротивление сток-исток в открытом состоянии транзистора, сопротивление между стоком и истоком в открытом состоянии транзистора при заданном напряжении сток-исток, меньшем напряжения насыщения.

Указанные параметры можно определить экспериментально либо по статистическим вольт-амперным характеристикам. В справочниках нередко приводят только один из видов характеристик. Чаще всего стоковые характеристики Ic=f(Ucи) при Uзи=const .

Рассмотрим пример построения семейства стоко-затворных характеристик Ic=f(Uзи) при Ucи=const для полевого транзистора КП312Б (рис.5.6,а,б). Графическими построениями находим значения токов и напряжений и заносим в табл.5.1

По полученным данным строим семейство кривых, обозначающих зависимость Ic=f(Uзи) при Uси =const (рис.5.б,в). Если в справочнике приведены только стоко-затворные характеристикиIc=f(Uзи) при Uси =const , то, используя их, можно построить семейство выходных характеристик.

Рассмотрим пример построения семейства стоковых характеристик Ic= f(Ucи) при Uзи =const. по известному семейству стоко-затворных характеристик транзистора КП601 (рис.5.7,а). По графикам определяем значения токов и напряжений и заносим в табл.5.2.

Uси, В 0,5
Uзи=-8В Iс, мА
Uзи=-4В Iс, мА
Uзи=-2В Iс, мА
Uзи=0В Iс, мА

По полученным данным строим семейство кривых, обозначающих стоко-затворные характеристики Ic=f(Uзи) при Uси = const (5,7,б).

Рассмотрим пример определения параметров S, Ri, μ и Rо транзистора КП10З по выходным стоковым характеристикам.

Задаем режим работы транзистора по постоянному току (задаем положение исходной рабочей точки).

Ucио=-8В, Uзио = 1В (5.9)

Наносим положение ИРТ на характеристику Uзи=1В=const при Uси =-8В и определяем (рис.5.8) ток стока: Iсо = 0,4 мА (5.10)

Определение параметра S

В соответствии с формулой (5.4) для выполнения условия Ucи = const выше и ниже ИРТ на характеристике Uзи = 0,5В и Uзи=1,5 В выберем две точки, для которых Uси=-8В (см, рис.5.8)

Для т.А: Uзиа = 0,5В ; Iса=0,8мА; Ucиа=-8В.

Для т.В:Uзив = 1,5В ; Iсв = 0,15 мА; Ucив = -8В. (5.11)

Для ИРТ:Uзио = 1,0В ; Iсо = 0,4 мА; Ucио = -8В.

Как видно, для всех трех точек выполняется условие Ucи =-8 В = const. По графикам (см.рис.5.8) определяем приращение ∆Uзи и ∆Ic между точками т.А и т.В и находим крутизну S :

Согласно справочным данным для транзистора КП103 крутизна составляет S=0,4. 3,0мА/В.

Определение параметра Ri

В соответствии с формулой (5.5) для выполнения условия) Uзи =const выберем на характеристике Uзи = 1,0 В две точки левее и правее ИPT (рис.5.9)

Для т.С: Uси с = -12В ; Iсс = 0,42 мА; Uзис=1,0 В.

Для т.Д:Uси д = -4В ; Iсд = 0,38 мА; Uзид = 1,0В. (5.13)

Для ИРТ:Uсио = -8В ; Iсо = 0,4 мА; Uзио = 1,0 В.

Как видно для всех трех точек выполняется условие Uзи = 1,0 В =const.

По графикам (см.рис.5.9) определяем приращения ∆Ic и ∆Ucи и находим параметр Ri

Определение параметра μ

В результате того, что коэффициент усиленияμ имеет довольно большую величину, то его нередко невозможно измерить в указанной рабочей точке. Тогда коэффициент μ находят по формуле (5.8) после определения параметров S и Ri

μ = S Ri = 0.65мА/в 200 кОм =130 (5.15)

Действительно, легко проверить, что для такого значения μ изменению напряжения сток-исток на 4 вольта (∆Uси = 4 В) соответствует изменение напряжения затвор-исток ∆Uзи = 30 мВ. По вольт — амперным характеристикам такие вычисления можно выполнять только при малом значении μ.

Определение параметра

Сопротивление транзистора постоянному току определяем для заданной рабочей точки как отношение постоянного выходного напряжения Ucио к соответствующему постоянному выходному току Iсо по формуле (5.6) (см.рис.5.8)

R = UСИ0 / IС0 = 8В / 0,4 мА = 20 кОм (5.16)

Следует подчеркнуть, что значения рассчитанных параметров зависят от выбранного положения ИРT. Для подтверждения на рис.5.10 приведен график зависимости крутизны S от тока стока Iсо для транзистора КП313. Читатель может убедиться в этом и непосредственно, рассчитав значение крутизны S по изложенной выше методике для различных положений ИРТ.

Данные параметры можно определить и по семейству сток-затворных характеристик. Рассмотрим на примере транзистора КП313 для рабочей точки:

Uзио = 1В, Uсио=10 В (5.17)

Наносим положение ИРТ на характеристику Uси=10В=const при Uзи=1В и определяем ток стока (рис.5.11): Iсо = 10 мА (5.I8)

В соответствии с формулой (5.4) для выполнения условия Ucи =const выберем две точки т.А и т.В на характеристике Ucи = 10В (см.рис.5.11).

Для т.А: Uзиа = 1,3 В;Icа = 12,5мА; Uсиа = 10 В

Для т.А: Uзив = 0,7 В;Icв = 7,5мА; Uсив = 10 В (5.19)

Для ИРТ: Uзио = 1 В; Icо = 10мА; Uсио = 10 В

Видно, что для всех трех точек выполняется условие Uси =10В=const. По графикам (см.рис.5.11) определяем приращение ∆Uзи и ∆Ic между точками т.А и т.В и определяем крутизну S.

Для сравнения: по справочнику у транзистора КП313 крутизна S составляет

S = 4,5 . 10,5 мА/В . (5.21)

Определение параметра Ri

Для определения параметра Ri в соответствии с формулой (5.5) для выполнения условия Uзи = const выберем т.С на характеристике Uси = 15 В, соответствующую Uзи =1В (рис.5.12)

Для т.С: Uсис = 15В; Icc = 11мА;Uзис = 1В (5.22)

Для ИРТ: Uсио = 10В; Icо = 10мА;Uзио = 1В

Рис.5.12

Для этих двух точек выполняется условие Uзи = 1В = const. По графикам (см. рис.5.12) находим приращения ∆Ic и ∆Uси и определяем параметр Ri

Определение коэффициента усиления μ

Для определения коэффициента усиления μ в соответствии с формулой (5,7) для выполнения условия Ic = const выберем на характеристике Ucи = 15 В точку т.Д, для которой Ic = 10 мА (рис. 5,13)

Рис. 5.13

Для т.Д: Uсид = 15В; Uзид = 0,85В; Iсд = 10мА (5.24)

Для ИРТ: Uсио = 10В; Uзид = 1В; Iсо = 10мА

Для этих двух точек выполняется условие Iс = 10мА=const.

По графикам (см.рис.5.13) находим приращения ∆Uзи и ∆Ucи и определяем коэффициент усиления μ..

Расчет по формуле (5.8)

μ = S Ri = 8,3 мА 5кОм = 41,5 (5.26)

дает удовлетворительное согласование с (5.25). Небольшие расхождения обусловлены неизбежными погрешностями графических построений и не играют существенной роли. Как уже отмечалось выше, существует разброс параметров у транзисторов.

| следующая лекция ==>
КОНВЕНЦИОНАЛИЗМ А. ПУАНКАРЕ (1854-1912) |

Дата добавления: 2015-11-20 ; просмотров: 4318 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

Ток насыщения Iс0 в цепи стока транзистора, включённого по схеме с общим истоком, при затворе накоротко замкнутым с истоком (т. е. при Uз.и=0) — характерен лишь для полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом.

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

где Uотс — напряжение отсечки.

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

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

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

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

Крутизна полевых транзисторов

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

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

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

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

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

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

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

Читайте также:  Законы параллельного последовательного соединения источников тока

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

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

Динамическое сопротивление канала rк определяется выражением

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

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

Зависимости сопротивления канала ПТ от напряжения на затворе

Минимальное значение сопротивления канала rк0 наблюдается при Uз.и = 0: при увеличении обратного напряжения на затворе сопротивление канала нелинейно увеличивается (см. рис. 10). Значение rк0 определяется по стоковой характеристике транзистора как тангенс угла наклона касательной к кривой Iс=f(Uс) при Uз.и = 0 в точке Uс.и=0.

Для приближенных расчётов имеет место простое соотношение

Источник



Полевой транзистор. Расчёт усилительных каскадов на n–канальных и
р–канальных полевых транзисторах.

Как просто рассчитать режимы работы и номиналы элементов схем на полевых транзисторах в различных схемах включения: c общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС, он же истоковый повторитель) и общим затвором (ОЗ).

Несмотря на крайне богатую терминологию различных типов полевых транзисторов, в большинстве практически встречающихся случаев мы имеем дело: либо с полевыми транзисторами со встроенным p-n переходом обеднённого типа (JFET-транзисторы), либо с полевыми МОП-транзисторами с изолированным затвором (они же MOSFET-ы в основном обогащённого типа), полное название которых звучит, как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors.
И тот и другой типы полевиков могут быть любого знака полярности, т. е. как n-канальными, так и р-канальными.

ВАХ обеднённых JFET и обогащённых MOSFET полевых транзисторов n-типа

Независимо от типов полевых транзисторов, они имеют схожие графики зависимости выходного тока от напряжения затвор‑исток, измеряемые при фиксированном значении напряжения стока.
Пример подобных вольт-амперных характеристик приведён на рисунке ниже.

Рис.1 ВАХ обеднённых JFET (1) и обогащённых MOSFET (2) полевых транзисторов n-типа.
Для p-канальных транзисторов — полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды, а также направление тока стока противоположны.

Как можно увидеть, вольт-амперные характеристики обеднённых (1) и обогащённых (2) и полевых транзисторов отличаются только сдвигом напряжения отсечки затвор-исток. При этом n — канальный МОП‑транзистор обогащённого типа не проводит ток до тех пор, пока напряжение Uзи не достигнет некоторого положительного уровня Uотс, в то время как ток стока транзистора обеднённого типа при напряжении Uзи = 0 будет близок к максимальному.

Полевые транзисторы с р‑n ‑переходом – это всегда приборы обеднённого типа и смещение затвора относительно истока должно находиться в отрицательной области (для n — канального ПТ), а если и заходить в положительную, то не более чем на +0,5В во избежание открывания диодного перехода затвор‑канал.

Схема с общим эмиттером ОЭ

Давайте рассмотрим, как можно рассчитать режимы работы полевика по постоянному току. Для примера возьмём распространённый транзистор 2SK117, широко используемый в каскадах усиления звукового диапазона частот. Приведём две его статических характеристики из datasheet-а и до кучи схему усилительного каскада с общим истоком.

Рис.2 Статическая характеристика транзистора 2SK117 и схема каскада с общим истоком

Что нам советуют делать при расчёте усилительных каскадов на ПТ практически все умные книжки?
Построить на семействе выходных вольт-амперных характеристик транзистора динамическую линию, также называемую нагрузочной прямой. Далее по пересечению этой нагрузочной линии с одним и графиков семейства выходных характеристик найти исходную рабочую точку, которая определяет ток стока и напряжение Uси в режиме покоя. И только после этого переходить к стоково-затворной характеристике ПТ, чтобы определить необходимую величину Uзи.

Конечно, ни один опытный схемотехник этого делать не будет! А делать он будет следующее:

1. Для начала надо определиться с током покоя транзистора Ic. Критериев выбора величины этого тока может быть множество, как с точки зрения достижений необходимой нагрузочной способности, так и других факторов, таких как: быстродействие, шумовые характеристики, энергопотребление, стабильность параметров и т. д. и т. п.
Поскольку 2SK117 является малошумящим полупроводником, а параметр шумовых характеристик в datasheet-е нормируется при токе стока Id=0.5 mA, то и мы для расчёта выберем этот ток равным Iс = 0,5мА .

2. Мысленно проводим на графике зависимости тока стока от напряжения затвор-исток красную линию (Рис.2 слева), пересекающую mA. Величина напряжения затвор-исток, исходя из графика, получается Uзи ≈ -0,23В .

3. Поскольку крутизна передаточной характеристики полевого транзистора S = ΔIc/ΔUзи является величиной непостоянной, и существенно зависящей от тока покоя стока, то в datasheet-ах на современные транзисторы она либо отсутствует, либо не имеет большого практического смысла.
Давайте оценим её значение по всё тому же графику. Изменение напряжения Uзи в интервале — (0,3 . 0,1) В приводит к росту стока 0,25. 1,3 мА, что даёт нам ориентировочное значение параметра крутизны при заданном токе S ≈ (1,3-0,25)/(0,3-0,1) = 5,25 мА/В .

4. Всё. Теперь можно вспомнить закон Ома и переходить к расчётам.
Rи = Uзи/Ic = 0,23/0,5 = 0,46 кОм .

Падение напряжения на резисторе Rc имеет смысл выбрать таким, чтобы напряжение стока в режиме покоя находилось в центре линейной области выходной характеристики транзистора. Это требование выполняется при условии Uc = (Eп + Uи)/2 .
Если, для примера, напряжение питания выбрать равным 12В, то Uc = (12 + 0,23)/2 = 6,1 В , а
Rc = (Eп — Uс)/Iс = (12 — 6,1)/0,5 ≈ 12 кОм .

Схема с общим эмиттером ОЭ

Расчёт по постоянному току окончен. Для того, чтобы рассчитать коэффициент передачи каскада ОИ с резистором в истоке (при отсутствии шунтирующего конденсатора), необходимо воспользоваться следующей редкой формулой:
Кu = Rc*S/(1 +Rи*S) .
Подставив все цифры, получим значение Кu = 18,2 .

А теперь давайте проверим полученные расчёты в симуляторе.

Глядя на показания измерительных приборов, убеждаемся, что Uc (5,45В) и Ic (0,545мА) находятся в приемлемом диапазоне по отношению к расчётным значениям.

На диаграммах осциллографа синим цветом указана входная осциллограмма сигнала, имеющего амплитуду 100 мВ, а красным — выходного с амплитудой около 1,8 В, что выдаёт нам в сухом остатке Кu = 18, что так же полностью совпадает с расчётной величиной.

Каскад с общим истокомКаскад с общим истоком
Рис.3

Для увеличения усиления каскада с общим истоком (Рис.2 справа) резистор Rи можно зашунтировать конденсатором Си и резистором Rи1. Тогда в формулу для расчёта Ku вместо значения Rи следует подставлять величину, равную Rи ll Rи1.
Если резистор Rи1 имеет нулевое значение, то формула для расчёта коэффициента усиления каскада приобретает совсем простой вид: Кu = Rc*S .
А ёмкость шунтирующего конденсатора Си (исходя из минимальной (нижней) усиливаемой частоты) можно рассчитать по формуле:
Си(МкФ) > 1600/[Fмин(Гц)*Rи(кОм)] .

Точно таким же образом рассчитываются режимы по постоянному току и номиналы резисторов для схем с общим затвором (Рис.4б) и с общим стоком, в миру — истоковым повторителем (Рис.4в).

Рис.4 Схемы каскадов на полевых транзисторах ОИ, ОЗ, ОС и ОС со смещением

В случае использования ПТ с низким значением модуля Uотс — напряжение на истоке транзистора в каскаде с ОС (истоковый повторитель) может оказаться слишком мало для достижения необходимых динамических характеристик. В таком случае на затвор транзистора подают напряжение смещения Eсм, а номинал резистора Rи рассчитывают по формуле Rи = (Есм — Uзи)/Ic .

Все расчёты, проведённые выше, были проделаны для наиболее распространённых в маломощных аналоговых цепях полевых транзисторов со встроенным p-n переходом обеднённого типа (JFET-транзисторы).
На самом же деле, все приведённые формулы и принципы расчёта справедливы и по отношению к МОП-транзисторам с изолированным затвором обогащённого типа (MOSFET-ы). Однако если всё ещё остались какие-либо вопросы, то на следующей странице проведём подобные манипуляции и для них.

Источник