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 Uз должно быть отрицательным относительно напряжений Uи и Uс. Основные носители зарядов обычно протекают от истока к стоку, поэтому напряжение Uс должно быть больше напряжения Uи. Например, Uзи = -1 В, Uси = +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 Uотс (например, Uотс = -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 Iс от напряжения сток - исток Uси при выбранном в качестве параметра Uотс (рис. 4.23, а). Из рис. видно, что при постоянном напряжении Uзи ток стока с увеличением напряжения Uси возрастает сначала линейно, транзистор ведет себя как сопротивление. При дальнейшем росте напряжения Uси ток Iс возрастает нелинейно и достигает точки перегиба ("колено"), причем напряжение Ucи, при котором наблюдается перегиб, равно разности напряжений Uзи - Uотс (или иначе говоря, разности модулей значений Uотс и Uзи). Дальнейшее увеличение напряжёния Uси вызывает изменение распределения потенциала в канале и появление сильного поля в области стока, поддерживающие постоянство тока Iс независимо от дальнейшего роста напряжения Uси. Область характеристики для напряжений превышающих напряжения, соответствующие точкам перегиба, называются областью насыщения или отсечки. Наибольший ток стока достигается при Uзи = 0, т. е. при коротком замыкании между затвором и истоком. Этот ток обозначается Iс нас. Стоковые характеристики полевых транзисторов с р-n переходом, так же как МОП-транзисторов, смещаются в область отрицательных напряжений Uзи, 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 Uзи, при котором прекращается ток стока, определяет напряжение отсечки Uотс.
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 Rн. Емкость Сзи лежит обычно в пределах 3-10 пФ, а емкость Сзсеще меньше.