Вольт-амперные характеристики транзистора с р-п-затвором

Выходные характеристики. Выходные характеристики полевого транзистора в схеме с общим истоком (ОИ) определяют зависимость тока стока I _с от напряжения стока U _сипри заданных величинах напряжения затвора

U _зи: I _с = f (U _си) при U _зи =const.

Пусть напряжение затвора равно нулю. Канал имеет постоянную начальную толщину 2у _o и электрическое сопротивление R _кo. При подаче на сток положительного напряжения вдоль канала появляется падение напряжения U_x, под его действием р-n-переходы расширяются, при этом, как указывалось, чем ближе к стоку, тем уже становится ка­нал (рис. 7.2,б).

При повышении положительного напряжения стока U _cи выход­ной ток I _с возрастает, но при этом одновременно уменьшается толщина канала по всей его длине и увеличивается сопротивление канала. По­этому зависимость тока от напряжения оказывается нелинейной: ток нарастает медленнее, чем это следует из закона Ома (начальный участок на рис. 7.3). Когда напряжение стока достигает величины на­пряжения насыщения, канал в области стока перекрывается и дальнейший рост тока стока прекращается. Это соответствует горизонтальному участку выходной характеристики полевого транзистора, называемому участком насыщения.

При дальнейшем повышении напряжения стока сверх значения U _нас участок перекрытого канала расширяется в сторону стока и на нем падает избыток напряжения U _си- U _нас. На неперекрытом участке канала напряжение остается равным U _нас, поэтому поддержи­вается постоянным ток в канале, а следовательно, и ток стока I _с = I _{с max} (рис. 7.3). Через перекрытый участок канала шириной δ носители заряда, экстрагируемые из канала, переносятся ускоряющим полем на сток. Незначительное увеличение тока стока I _с в режиме насыщения при повышении напряжения U _си объясняется

некоторым уменьшением эффективной длины неперекрытой части канала при расширении перекрытого участка. В результате и в режиме насыщения выходная дифференциальная проводимость транзистора сток — исток имеет конечное значение.

При чрезмерно большом увеличении напряжения стока U _си наступает пробой р-n-перехода и ток в цепи сток – затвор лавинообразно нарастает. Пробой возникает в области стока, где разность потенциалов на переходе максимальна.

Если на затвор подано обратное напряжение U _зи (отрицательное для транзистора с n-каналом), то перекрытие канала в соответствии с выражением (7.8) наступает при меньшем напряжении стока, при этом оказывается меньшим и максимальный ток стока, выходная характеристика располагается ниже, чем при U _зи = 0. При еще большем обратном напряжении затвора выходная характеристика идет еще ниже и т. д. (рис. 7.3). Пробивное напряжение стока при этом тоже уменьшается на величину U _зи.

Передаточные характеристики. В схеме ОИ передаточные характеристики определяют зависимость I _с = f(U _зи ) при U _си = соnst (рис. 7.4). Ток имеет максимальную величину при напряжении затвора, равном нулю, когда толщина канала максимальна. При подаче обратного напряжения на затвор р-n-переход расширяется, толщина канала уменьшается, его сопротивление возрастает и ток становится меньше. Когда напряжение затвора достигает величины напряжения отсечки, канал полностью перекрывается и ток в выходной цепи падает до минимального значения, определяемого концентрацией неосновных носителей заряда. Эта составляющая выходного тока является неуправляемой, ее величина при нормальной температуре составляет единицы наноампер, а при повышенной температуре — единицы микроампер.

Передаточную характеристику полевого транзистора в режиме насыщения удобно аппроксимировать зависимостью

I _с =I _cmах (1–U _зи /U _oтс )². (7.13)

Опыт показывает, что это уравнение хорошо отображает реальные характеристики независимо от закона распределения примесей в канале *.

* В зависимости от закона распределения примесей в канале показатель степени изменяется в пределах от 2 до 2,25,

Параметры этой зависимости определяют следующим образом. Начальный ток I _сmах измеряют при U _зи = 0, а для нахождения U _отсизмеряют напряжение U_зи при I_с =¹/4 I_сmax. Нетрудно убедиться из (7.8), что U_отс = 2 U_зи. Такой способ нахождения напряжения отсечки дает более точный результат, чем при непосредственном измерении в режиме запирания, где передаточная характеристика идет плавно.

Входные характеристики. Входные характеристики представляют собой зависимость тока затвора I ₃ от напряжения затвора U _зи при U _си = соnst. Они определяются свойствами р-n-перехода затвора и в первом приближении описываются известным соотношением (2.57):

I _з = I _о(ехр хU _зи – 1). (7.14)

Однако в отличие от полупроводникового диода на ток экстракции I _о здесь влияет также ударная ионизация носителей заряда в перекрытой части канала. Этот процесс обусловливает зависимость тока затвора от тока и напряжения стока, особенно при низких температурах, когда термоток перехода мал.

Поскольку полевой транзистор работает при обратном напряжении затвора, ток в его входной цепи очень небольшой: I ₃ = I _о. При прямом смещении транзисторы с р-n-затвором не используют, так как в этом режиме резко возрастает ток затвора, а эффективность управления снижается.

Влияние температуры на вольт-амперные характеристики. Температурная зависимость тока стока обусловлена влиянием температуры на подвижность носителей заряда в канале и на контактную разность потенциалов р-n-переходов затвора и подложки.

С ростом температуры подвижность носителей заряда в канале падает, что приводит к повышению сопротивления канала, т. е. к уменьшению тока стока. С другой стороны, контактная разность потенциалов с ростом температуры уменьшается [см. формулу (2.31)], что влечет за собой расширение канала в соответствии с выражением (7.1), т. е. увеличение тока стока.

Расчет дает следующее выражение для температурного коэффициента тока стока в режиме насыщения:

(7.15)

Первый член определяется влиянием температуры на контактную разность потенциалов, второй член — на подвижность. Величину т определяют из выражения, аппроксимирующего температурную зависимость подвижности в рабочем диапазоне частот:

mT^m = const. (7.16)

Обычно можно принять, что m ≈2, а dj _к /dТ ≈2 мВ/К.

Из формулы (7.15) вытекает, что существует такая величина тока стока, при которой температурный коэффициент равен нулю. На рис. 7.5 показана

температурная зависимость передаточных характе­ристик полевого транзистора. В точке пересечения характеристик ток стока не зависит от температуры. Это свойство полевого транзистора является полезным на практике. Величину тока стока I _Т в термостабильной точке можно определить путем приравнивания кулю выражения (7.15):

(7.17)

В целом температурные коэффициенты у полевого транзистора значительно лучше, чем у биполярного, и обычно не превышают 0,2% на 1 К, причем с ростом температуры ток стока (выше термостабильной точки) падает. Так, например, из рис. 7.5 получим, что при U _зи = 0 в области положительных значений температур в соответствии с выражением (7.15)

Температурная зависимость тока затвора подчиняется соотношениям, известным для р-n-перехода.

Дата добавления: 2015-07-08