Электроника в вопросах и ответах

Характеристика МОП транзистора типа «нормально включенного» показана на рис. 4.19, б.

Статическая характеристика, представляющая зависимость тока стока от напряжения U_зи при напряжении U_си, взятом в качестве параметра, называется входной характеристикой (стоко-затворной характеристикой или характеристикой управления — прим. перев.). Примеры таких характеристик для транзисторов обоих типов представлены на рис. 4.20, а и б.

Рис. 4.20. Статические передаточные характеристики МОП транзистора типа:

_{а —} «нормально выключенный»; б — «нормально включенный»

Каковы структура и принцип действия полевого транзистора с р-n переходом?

Упрощенная конструкция униполярного транзистора с управляющим переходом показана на рис. 4.21. Канал n– типа охватывается кольцевой областью затвора p– типа, в результате чего между затвором и каналом образуется р-n переход. По обеим противоположным сторонам канала расположены металлические электроды истока и стока.

Рис. 4.21. Физическая структура полевого транзистора с р-n переходом (а) и его условное графическое изображение (б):

_{1 — исток (И); 2 — затвор p– типа (3); 3 — сток (С); 4 — канал n– типа}

Обычно транзистор работает с переходами, смещенными в обратном направлении. Это означает, что для конструкции, представленной на рисунке, напряжение U_з должно быть отрицательным относительно напряжений U_и и U_с. Основные носители зарядов обычно протекают от истока к стоку, поэтому напряжение U_с должно быть больше напряжения U_и. Например, U_зи = —1 В, U_си = +10 В. В канале под затвором возникает запирающий слой (рис. 4.22) р-n перехода, уменьшающий ширину канала, т. е. увеличивающий его сопротивление. Протекающий через канал ток стока зависит от площади поперечного сечения канала, не занятой запирающим слоем. Обычно затвор смещен в обратном направлении и запирающий слой расширяется (т. е. уменьшается ширина канала), если затвор становится более отрицательным. Ток стока убывает и в конце концов при напряжении затвора, когда запирающий слой захватывает весь канал, протекание тока от истока к стоку прекращается. Такое напряжение затвора называют напряжением отсечки и обозначают через U_отс (например, U_отс = —3 В).

Рис. 4.22. Запирающий слой в канале полевого транзистора с p-n переходом:

_{1 — канал; 2 — запирающие слои пространственного заряда}

Что такое статическая характеристика полевого транзистора с р-n переходом?

Выходная стоковая характеристика полевого транзистора с переходом представляет собой зависимость тока стока I_с от напряжения сток — исток U_си при выбранном в качестве параметра U_отс (рис. 4.23, а). Из рис. видно, что при постоянном напряжении U_зи ток стока с увеличением напряжения U_си возрастает сначала линейно, транзистор ведет себя как сопротивление. При дальнейшем росте напряжения U_си ток I_с возрастает нелинейно и достигает точки перегиба («колено»), причем напряжение U_cи, при котором наблюдается перегиб, равно разности напряжений U_зи — U_отс (или иначе говоря, разности модулей значений U_отс  и U_зи). Дальнейшее увеличение напряжёния U_си вызывает изменение распределения потенциала в канале и появление сильного поля в области стока, поддерживающие постоянство тока I_с независимо от дальнейшего роста напряжения U_си. Область характеристики для напряжений превышающих напряжения, соответствующие точкам перегиба, называются областью насыщения или отсечки. Наибольший ток стока достигается при U_зи = 0, т. е. при коротком замыкании между затвором и истоком. Этот ток обозначается I_{с нас}. Стоковые характеристики полевых транзисторов с р-n переходом, так же как МОП-транзисторов, смещаются в область отрицательных напряжений U_зи, однако работа транзисторов этого типа при таких условиях невозможна из-за большого тока затвора.

Входная характеристика (сток-затворная характеристика — прим. перев.) полевого транзистора с управляющим р-n переходом представляет собой зависимость тока стока от напряжения затвор-исток (рис. 4.23, б). Напряжение U_зи, при котором прекращается ток стока, определяет напряжение отсечки U_отс.

Рис. 4.23. Статические выходные (а) и передаточная (б) характеристики полевого транзистора с р-n переходом

Каковы свойства полевых транзисторов?

Важный параметр униполярных транзисторов — большое входное сопротивление. Оно является следствием протекания очень малого тока затвора, который для полевых транзисторов с р-n переходом равен от 1 до 10 мА, а для МОП транзисторов — в 1000 раз меньше.

Большое входное сопротивление допускает управление полевым транзистором по напряжению от генератора (источника), практически такой транзистор не нагружает источник, не отбирает от него мощность.

Выходное сопротивление (внутреннее сопротивление — прим. перев.) полевых транзисторов (определяется в режиме насыщения) также велико и может быть равно нескольким сотням килоом

Важным параметром полевого транзистора является крутизна или иначе проводимость прямой передачи, которая определяется как

ее значение может изменяться от нескольких миллисименсов до 1 См. Обычно крутизна полевых транзисторов меньше крутизны биполярных. Усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены относительно небольшим напряжением, подведенным между затвором и истоком и вызывающим большое изменение тока стока, а следовательно, и большое изменение падения напряжения на сопротивлении нагрузки.

В каких схемах работает полевой транзистор и какова его эквивалентная схема?

Полевой транзистор, так же как и биполярный, может работать в следующих усилительных схемах, упрощенно показанных на рис. 4.24; схема с общим истоком (ОИ) — аналог схемы ОЭ; схема с общим затвором (ОЗ) — аналог схемы ОБ, схема с общим стоком (ОС) — аналог схемы ОК.

Рис. 4.24. Схемы включения полевого транзистора:

а — с общим истоком; б — с общим затвором; в — с общим стоком

Для каждой из этих схем можно определить соответствующую эквивалентную схему. На рис. 4.25 показана упрощенная физическая модель полевого транзистора, работающего в схеме с ОИ с нагрузкой в цепи стока — резистором сопротивлением R_н. Емкость С_зи лежит обычно в пределах 3—10 пФ, а емкость С_зс еще меньше.

Рис. 4.25. Физическая модель полевого транзистора, работающего в схеме с ОИ и нагрузкой R_н

Входная емкость транзистора в схеме с ОИ выражается зависимостью

С_вх= С_зи = k·С_зс

причем коэффициент k зависит от S и R_н и он тем больше, чем больше S и R_н. Емкость эквивалентной схемы достаточно просто можно измерить либо найти в справочниках, однако в них чаще даются «четырехполюсниковые» параметры транзистора. При этом следует помнить, что имеются следующие соотношения:

С_зс = С₁₂; С_зс + С_зи = С₁₁

Параметр S можем определить из характеристик. Коэффициент усиления по напряжению в схеме с ОИ рассчитывается по формуле

K_U = U_вых/U_вх= — S·R_н

Знак минус обозначает переворачивание фазы на 180° в схеме с ОИ.