Теоретические сведения. Статические характеристики полевого транзистора

СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

Цель работы: Целью работы является изучение устройства и принципа

действия полевого транзистора и определение его основных выходных характеристик.

Теоретические сведения.

Полевыми (униполярными) называются транзисторы, работа которых основана на управлении размерами токопроводящей области (канала) посредством изменения напряженности поперечно-приложенного электрического поля. Проводимость канала в таких приборах определяется основными носителями заряда (НЗ). Структура и схема включения полевого транзистора с двухсторонним р-n-переходом представлена на рис. 1. Транзистор состоит из полупроводникового кристалла (имеющего форму бруска) с омическми контактами на концах и р- n-перехода на боковых гранях. Боковой р-n-переход, называемый затвором, включается в обратном направлении. Поскольку р- n -переход несимметричный (р_р >>n _п), область его объемного заряда расположена в кристалле n –типа (заштрихованные области). Ток между омическими контактами, один из которых называется истоком И, а другой стоком С, протекает по каналу, остающемуся между областями объемного заряда.

При изменении отрицательного напряжения на затворе U_з (входная цепь) ширина области объемного заряда изменяется. Соответственно изменяется и ширина канала, а следовательно, и ток в выходной цепи. Ток во входной цепи равен обратному току р-n-перехода, который можно считать практически равным нулю. Поэтому, в отличие от биполярного транзистора, действующего на основе изменения сопротивления коллекторного р-n-перехода, носителями заряда, инжектированными из эмиттера при протекании тока во входной цепи, управляющая цепь полевого транзистора тока практически не потребляет. При этом управление осуществляется за счет изменения электрическим полем ширины канала, по которому протекает выходной ток.

Напряжение U_с между истоком и стоком распределяется вдоль кристалла и складывается с U_з. В результате ширина области объемного заряда вблизи стока больше, чем вблизи истока. Соотношение длины кристалла и протяженности р-n-перехода вдоль кристалла подбирают близким к единице, вследствие чего напряжение на р-n-переходе у истока U_p-n ~ U_з, а у стока U_p-n ~ U_з+ U_с.

Усилительные свойства полевого транзистора определяются глубиной модуляции сопротивления между стоком и истоком, которое называется сопротивлением канала R_к.

Главной характеристикой полевого транзистора является зависимость тока через канал I_с от напряжения на затворе: I_с = f (U_з). Эта зависимость имеет вид:

(1)

Здесь - минимальное сопротивление канала при U_з = 0; - напряжение, при котором области объемного заряда смыкаются, т.е. h = 0. Это напряжение называется напряжением отсечки.

Приведенная зависимость I_с = f (U_з) справедлива только при h >0, т.е. U_p-n =U_з+ U_с < U_зо и канал не перекрыт.

При увеличении напряжения на р-n-переходе U_p-n перекрытие канала происходит сначала в самом верхнем его сечении, где выполняется условие:

U_p-n =U_з+ U_с =U_зо (2)

Перекрытие канала может произойти из-за увеличения U_з или U_с. Возможность перекрытия канала и отсечки тока до нуля за счет увеличения U_з до U_зо очевидна. Увеличение же U_с при U_з=const приводит к иным последствиям, которые заключаются в следующем. При U_з=0 (т.е затвор короткозамкнут) увеличение U_с приводит к росту I_с. Рост тока через канал вызывает увеличение запирающего напряжения на р-n-переходе U_p-n и уменьшение сечения канала, т.е. уменьшение тока. Таким образом, увеличение тока создает условия, приводящие к его же уменьшению, т.е. наступает самоограничение тока.

Отсечки тока до нуля в этом случае не происходит, так как уменьшение сечения канала порождается самим ростом тока и если I_с уменьшается до нуля, то запирающее напряжение тоже станет равным нулю, т.е. канал откроется. Поэтому с ростом U_с происходит не отсечка тока, а отсечка его приращения. Это означает, что с увеличением U_с происходит насышение тока I_с, т.е. дальнейшее увеличение напряжения не приводит к росту тока.

Насышение тока происходит при значениях U_с, близких к U_зо. При малых U_с зависимость I_с = f (U_с) почти линейна (рис.2). Если на затвор подано запирающее напряжение U_з < U_зо, то насышение тока наступает при меньших значениях U_с в соответствии с (2).

Величина тока насышения равна:

(3)

Наиболее удобным рабочим участком выходной ВАХ (рис.2) является область насышения тока, так как в этой области ток не зависит от U_с, а зависит только от входного напряжения U_з. Усилительные свойства полевого транзистора характеризуются крутизной характеристики

(4)

Знак минус появляется за счет того, что увеличению U_з соответствует уменьшение I_с и наоборот. В области насышения

(5)

Из этой формулы следует, что g максимальна при малых U_з. Однако такой режим работы невыгоден с энергетической точки зрения, так как через полевой транзистор течет большой ток I_с и рассеивается большая мощность. Поэтому обычно выбирают U_з ≥ 0,75 U_зо.

Дата добавления: 2015-07-08