Полевые транзисторы с р-п-затвором и их характеристики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Полевые транзисторы (ПТ) с р-п-затвором и их характеристики

напряжение полевой транзистор затвор

Работу ПТ с р-п - затвором рассмотрим на нижеописанном примере. В рабочем состоянии на затвор ПТ подается обратное напряжение Е₃ < 0, изменяющее ширину р-п переходов между затворными областями и каналом. При этом запорные слои р-п переходов «проникают» в канал, изменяют его сопротивление и соответственно значение тока: стока . Из-за малости обратного тока р-п переходов затвора мощность, затрачиваемая в его цепи на управление сопротивлением канала, чрезвычайно мала. В то же время выходной ток задаваемый внешним источником питания Е_с, может быть значительным. Поэтому при включении в цепь стока нагрузки ПТ может обеспечить значительное усиление сигналов по мощности.

Управление сопротивлением канала ПТ осуществляется напряжением не только на затворе, но и на стоке. Рассмотрим сначала влияние напряжения на затворе , полагая, что вывод стока заземлен (= 0), а затворы 3₁ и 3₂ соединены один с другим.

При подаче на затвор запирающего напряжения ( < 0 для ПТ с п - каналом) толщина канала будет изменяться одинаково по всей длине. При этом чем большее напряжение подано на затвор, тем тоньше становится канал и тем больше его сопротивление. При некотором напряжении на затворе = называемом напряжением отсечки, запорные слои обоих р-п переходов смыкаются один с другим, канал оказывается полностью перекрытым и его сопротивление достигает максимума.

Рассмотрим теперь случай, когда при заземленном затворе (=0) на сток ПТ с каналом п - типа подается положительное напряжение >О. Под действием этого напряжения в канале протекает ток стока . В результате протекания тока по всей длине канала возникает распределенное падение напряжения. Так, при подаче на сток напряжения =+10 В в канале всегда можно отыскать точку, потенциал которой по отношению к истоку будет равен +5 В. Вполне очевидно, что эта точка должна находиться примерно на его середине. При смещении от середины в направлении источника потенциал канала будет уменьшаться от нуля, а при приближении к стоку - увеличиваться до +10 В.

Падение напряжения в канале является запирающим для р-п переходов затвора («+» на п - области, а выводы р⁺ - областей заземлены). Поэтому в результате протекания тока в канале ширина запорных слоев р-п переходов затвора в направлении от истока к стоку додана увеличиваться, а толщина канала - уменьшаться. При некотором напряжении на стоке , называемом напряжением насыщения, канал со стороны стока полностью перекрывается. Нетрудно догадаться, что напряжение насыщения в рассматриваемом случае должно равняться напряжению отсечки: . При дальнейшем увеличении напряжения на стоке зона перекрытия канала пропорционально увеличивается. Таким образом, изменяя напряжение на стоке, можно обеспечить управление сопротивлением канала практически в тех же пределах, что и в случае подачи управляющего напряжения на затвор. Такой механизм управления каналом обязательно должен учитываться при объяснении свойств ПТ.

Режимы работы ПТ определяют по физическому состоянию его канала. При этом выделяют три режима работы ПТ: триодный, пентодный и отсечки, при которых канал находится соответственно в открытом, частично перекрытом и полностью закрытом состоянии.

Основным является пентодный режим. В этом режиме ПТ. как и БТ в активном режиме, обладает усилительными свойствами. Триодный режим и режим отсечки аналогичны режиму насыщения и режиму отсечки БТ и используются при работе в ключевых схемах. В триодном режиме канал открыт и сопротивление между стоком и потоком мало (десятки или сотни ом). В режиме отсечки сопротивление канала достигает нескольких мегаом и выходная цепь ПТ практически разомкнута.

Схемы включения ПТ. При построении электронных схем попользуют три схемы включения ПТ: с общим истоком (ОМ), общим затвором (03) и общим стоком (ОС).

Статические характеристики ПТ. Основными характеристиками ПТ являются выходные характеристики и характеристики прямой передачи.

Выходные характеристики ПТ для схемы ОИ представляют собой зависимости тока стока от напряжения на стоке при постоянных напряжениях на затворе: при . На каждой из этих характеристик можно выделить три участка: начальный крутой участок, затем пологий и участок пробоя при больших напряжениях.

Рассмотрим сначала характеристику, соответствующую =0. Она проходит через начало координат и ее начальный крутой участок соответствует работе ПТ в триодном режиме. При этом в области малых напряжений ток стока возрастает практически по линейному закону. В этом случае канал полностью открыт и ПТ обладает свойствами обычного омического сопротивления. С увеличением тока возрастает падение напряжения по длине канала, толщина какала с приближением к стоку уменьшается, а его сопротивление увеличивается. Поэтому характеристика становится нелинейной: ток нарастает медленнее, чем напряжение на стоке . В момент когда напряжение достигнет напряжения насыщения канал возле стока перекроется. При этом ток стока равен начальному току стока I_{с нач}.

При напряжениях > ПТ переводится в пентодный режим, а его ВХ выходит на пологий участок или участок насыщения (не путать с режимом насыщения БТ!). По этой причине величина и названа напряжением насыщения. В пределах пологого участка ток стока меняется незначительно, поскольку с увеличением напряжения возрастает длина перекрытого участка канала и соответственно его сопротивление. При очень больших напряжениях на стоке ( 20…300 В) возникает пробой р-п - затвора. Процесс пробоя начинается на участках вблизи стока, находящихся под максимальным напряжением., и имеет обычно лавинный характер.

Если на затвор подать запирающее напряжение , общая ширина канала уменьшится, его сопротивление возрастет и ВХ сместятся в область меньших токов . Перекрытое канала произойдет теперь при меньшем напряжении на стоке. Поскольку напряжение, приложенное к р - п - затвору вблизи стока, равно сумме напряжений на стоке и затворе, то в момент смыкания канала будет справедливо

Рис. 1

Отсюда . По этой же причине пробой ПТ при будет происходить при меньшем напряжении на стоке.

Таким образом, на каждой выходной характеристике ПТ можно выделить точку перегиба с координатой разграничивающую крутой и пологий участки. Если все эти точки соединить штриховой линией, то получим границу между областями триодного (область Ш) и пентодного (область П) режимов. Граница режима отсечки (область I) совпадает с характеристикой, снятой при . В этом случае канал перекрыт по всей длине даже при , ток стока ничтожно мал и образуется неосновными носителями, генерируемыми в р - п - затворе.

Передаточные характеристики ПТ представляют собой зависимость тока стока от напряжения на затворе при постоянных напряжениях на стоке: при (см. рис. 1, б). При этом постоянные напряжения на стоке выбираются такими, чтобы во всем диапазоне изменения напряжения ПТ находился в пентодном режиме. Как видно из ряс. 1, б, ток стока достигает максимального значения при нулевом напряжении на затворе. При подаче на затвор обратного смещения ток стока плавно уменьшается в связи с уменьшением ширины канала. При канал полностью перекрывается и ток стока может быть принят равным нулю. Поскольку ПТ с р- п - затворами эксплуатируются только при запирающих напряжениях на затворе, то «прямые» ветви передаточных характеристик не рассматриваются.

Температурные свойства ПТ. Полевой транзистор с р - п - затвором работает на основных носителях заряда, концентрация которых в пределах рабочего диапазона температур практически постоянна. Поэтому по своей термостабильности ПТ превосходят БТ. Влияние температуры на передаточные характеристики показано на рис. 1, в. Можно подобрать даже такой режим работы ПТ , при котором ток стока не зависит от температуры.

Режим работы ПТ полностью определяется положением его рабочей точки на статических характеристиках. При включении в цепь стока полезной нагрузки (см. рис. 1, а) рабочую точку ПТ определяют по нагрузочной характеристике, которая для заданных значений напряжения источника питания Е_с и сопротивления нагрузки Р строится так же, как и нагрузочная характеристика КТ (рис. 2). Если на затвор ПТ подано напряжение , рабочей 6 удет точка А с координатами , находящаяся на пересечении нагрузочной прямой с характеристикой, снятой при .

Как и в случае БТ, по нагрузочной характеристике легко рассчитать переменные ток и напряжение на стоке при работе ПТ в режиме большого сигнала. Так, если кроме смещения на затвор подается переменный сигнал с амплитудой , рабочий участок нагрузочной характеристики будет ограничен точками , находящимися на пересечении с выходными характеристиками для . Амплитуды переменного напряжения и тока стока определяются теперь как разности соответствующих координат точки покоя А и точек или А». Зная величины и , можно оценить и усилительные свойства ПТ, рассчитав его коэффициент усиления по напряжению . Для оценки усилительных свойств ПТ используется также параметр , называемый крутизной и дающий связь между входным напряжением и выходным током. Можно доказать, что коэффициент усиления по напряжению

(1)

Введенные параметры называют рабочими или динамическими. Их значения зависят от свойств самого ПТ и от сопротивления нагрузки.

Допустимая рабочая область ПТ, работающего в усилительном режиме, на рис. 2 заштрихована. Границей для этой области служит линия: , отделяющая области триодного и пентодного режимов: при ограничивающая область отсечки; , отделяющая участки пробоя р-п - затвора; , которая, как и в случае БТ, исключает опасность теплового пробоя. Положение этой линии зависит от допустимой модности рассеивания ; при , разграничивающая области прямого и обратного смещения р-п - затвора.

Режим работы ПТ в усилительных устройствах следует выбирать так, чтобы рабочий участок нагрузочной характеристики не выходил за пределы допустимой области. Исключение составляют случаи работы ПТ в составе ключевых схем, когда рабочими являются области отсечки и триодного режима.

Параметры ПТ, характеризующие его свойства при работе в режиме больших сигналов, нами уже введены. К их числу относятся напряжение отсечки начальный ток стока I_{с нач,} допустимая мощность рассеивания и допустимое напряжение на стоке .

Для оценки усилительных свойств ПТ в режиме малого сигнала вводятся дифференциальные (малосигнальные) параметры. К ним относятся крутизна S, внутреннее сопротивление r_i- и коэффициент усиления . Поскольку эти параметры определяют по статическим ВАХ, их называют также статическими.

Статическая крутизна определяется как отношение малого приращения тока стока к вызвавшему его приращению напряжения на затворе , при постоянном напряжении на стоке:

(2)

Согласно условию (2) статическая крутизна S дает связь между переменным током и напряжением на затворе при отсутствии полезной нагрузки (). Если , то ток стока обязательно уменьшится и рабочая крутизна будет меньше статической: . Статическая крутизна ПТ с р-п - затворами составляет обычно несколько единиц миллиампер на вольт.

Крутизну S в каждом конкретном случае можно определить по передаточной характеристике, как это показано на рис. 1, б. Можно воспользоваться для этой цели и выходными характеристиками (см. рис. 1, а). Для этого через заданную точку А, в которой определяется параметр S проводят вертикальную линию, удовлетворяющую условию . Затем находят приращение тока между двумя ближайшими характеристиками, снятыми при напряжениях на затворе и . Тогда искомая крутизна .

Внутреннее сопротивление характеризует влияние напряжения и на значение тока стока и рассчитывается из соотношения

(3)

при .

Для определения этого параметра наиболее удобно использовать выходную характеристику. Для этого на пологой части характеристики задают приращение напряжения , вычисляют приращение тока и внутреннее сопротивление по формуле (З). Величина пропорциональна наклону пологой части выходной характеристики и составляет десятки и сотни килоом. Часто вместо внутреннего сопротивления вводится выходная проводимость .

Статический коэффициент усиления определяют как отношение таких приращений напряжений на стоке и затворе , при одновременном действии которых ток стока остается постоянным:

(4)

при .

Согласно принятому определении параметр - это коэффициент усиления ПТ, измеренный в режиме холостого хода на выходе, когда и переменный ток в цепи стока отсутствует. Поэтому по величине можно судить о предельных усилительных способностях ПТ. Рабочий коэффициент усиления , измеренный при конечной нагрузке , всегда будет меньше статического: .

Малосигнальные параметры связаны между собой уравнением

(5)

Зная два из этих параметров, из соотношения (5) всегда можно вычислить третий.

Эквивалентная схема ПТ. Как и любой другой электронный прибор, ПТ может быть заменен упрощенной моделью или эквивалентной схемой. Один из вариантов такой схемы для ПТ с р-п - затвором показан на рис. 3.

Рис. 3

Управляющий р-п переход представлен на этой схеме двумя -цепочками, а именно сопротивлением и барьерной емкостью С_зи части перехода, обращенной к истоку, а также сопротивлениям и емкостью С_зс части перехода, примыкающей к стоку. Так как переход имеет обратное смешение, то сопротивления и , определяющие входное сопротивление ПТ, достаточно велики и могут составлять несколько мегаом. Емкости С_зи и С_зс не превышают единиц пикофарад. Область канала показана на схеме, двумя элементами: внутренним сопротивлением и генератором тока , отражающим усилительные свойства транзистора.

Приведенная схема замещения пригодна для расчетов в широком диапазоне частот. На НЧ ее можно упростить, исключив из ее состава все емкостные элементы.

Инерционность ПТ проявляется в том, что с ростом частоты сигнала на входе его усилительные свойства ухудшаются, а при работе в импульсном режиме он имеет ограниченное быстродействие. Как следует из принципа действия ПТ, в. нем отсутствуют такие явления, как накопление неосновных носителей, а также медленные процессы их диффузии. Причинами инерционности ПТ являются конечная скорость движения носителей в канале, а также процессы перезаряда барьерных емкостей С_зи и С_зс.

Инерционность ПТ определяется прежде всего процессами перезаряда емкостей С_зи и С_зс. При этом характер их действия различен. Емкость С_зи шунтирует вход ПТ. С ростом частоты ее сопротивление уменьшается, что приводит к пропорциональному уменьшению входного сопротивления. Затраты мощности входного сигнала на управление ПТ возрастают и его усиление падает.

Емкость С_зс образует цепь частотно-зависимой обратной связи в транзисторе: с повышением частоты часть мощности выходного сигнала через эту цепь попадает на вход, а не в нагрузку. Это не только снижает усиление, но может сделать работу усилителя неустойчивой и даже привести к его самовозбуждению. Поэтому пои производстве ПТ принимают все возможные меры, способствующие уменьшению емкостей С_зи и С_зс, а также сопротивлений в цепях их перезаряда.

Если предположить, что действие емкостей затвора сведено к минимуму, то инерционность ПТ в конечном счете будет определяться временем распространения сигналов по длине канала . На схеме рис. 3 этот фактор учитывается тем, что крутизна ПТ считается частотно-зависимой величиной вида

, (6)

где - значение крутизны на НЧ; - предельная частота ПТ, на которой его крутизна принимает значение 0,707 . Частота является важнейшим параметром ПТ, приводимым в его паспорте.

Время движения носителей в канале в значительной степени зависит от их подвижности. С этой точки зрения ПТ с каналами п - типа более предпочтительны, поскольку электроны в кристалла полупроводника имеют более высокую подвижность, чем дырки. Серийно выпускаемые ПТ по своему диапазону рабочих частот и быстродействию пока существенно уступают БТ.

Размещено на Allbest.ru