Меню

Как определить ток стока полевого транзистора

Полевые транзисторы. For dummies

Введение

Определение не только подтвердило наши предположения, но и продемонстрировало особенность полевых транзисторов — управление выходным током происходит посредством изменения приложенного электрического поля, т.е. напряжения. А вот у биполярных транзисторов, как мы помним, выходным током управляет входной ток базы.

Еще один факт о полевых транзисторах можно узнать, обратив внимание на их другое название — униполярные. Это значит, что в процессе протекания тока у них участвует только один вид носителей заряда (или электроны, или дырки).

Три контакта полевых транзисторов называются исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители). Структура кажется простой и очень похожей на устройство биполярного транзистора. Но реализовать ее можно как минимум двумя способами. Поэтому различают полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.

Вообще, идея последних появилась еще в 20-х годах XX века, задолго до изобретения биполярных транзисторов. Но уровень технологии позволили реализовать ее лишь в 1960 году. В 50-х же был сначала теоретически описан, а затем получил воплощение полевой транзистор с управляющим p-n переходом. И, как и их биполярные «собратья», полевые транзисторы до сих пор играют в электронике огромную роль.

Перед тем, как перейти к рассказу о физике работы униполярных транзисторов, хочу напомнить ссылки, по которым можно освежить свои знания о p-n переходе: раз и два.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

Итак, как же устроен первый тип полевых транзисторов? В основе устройства лежит пластинка из полупроводника с проводимостью (например) p-типа. На противополжных концах она имеет электроды, подав напряжение на которые мы получим ток от истока к стоку. Сверху на этой пластинке есть область с противоположным типом проводимости, к которой подключен третий электрод — затвор. Естественно, что между затвором и p-областью под ним (каналом) возникает p-n переход. А поскольку n-слой значительно уже канала, то большая часть обедненной подвижными носителями заряда области перехода будет приходиться на p-слой. Соответственно, если мы подадим на переход напряжение обратного смещения, то, закрываясь, он значительно увеличит сопротивление канала и уменьшит ток между истоком и стоком. Таким образом, происходит регулирование выходного тока транзистора с помощью напряжения (электрического поля) затвора.

Можно провести следующую аналогию: p-n переход — это плотина, перекрывающая поток носителей заряда от истока к стоку. Увеличивая или уменьшая на нем обратное напряжение, мы открываем/закрываем на ней шлюзы, регулируя «подачу воды» (выходной ток).

Итак, в рабочем режиме полевого транзистора с управляющим p-n переходом напряжение на затворе должно быть либо нулевым (канал открыт полностью), либо обратным.
Если величина обратного напряжения станет настолько большой, что запирающий слой закроет канал, то транзистор перейдет в режим отсечки.

Даже при нулевом напряжении на затворе, между затвором и стоком существует обратное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к области стока.

Само собой разумеется, что можно сделать транзистор с каналом n-типа и затвором p-типа. Сущность его работы при этом не изменится.

Условные графические изображения полевых транзисторов приведены на рисунке (а — с каналом p-типа, б — с каналом n-типа). Стрелка здесь указывает направление от p-слоя к n-слою.

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Выходной (стоковой) называется зависимость тока стока от напряжения исток-сток при константном напряжении затвор-исток. На рисунке — график слева.

На графике можно четко выделить три зоны. Первая из них — зона резкого возрастания тока стока. Это так называемая «омическая» область. Канал «исток-сток» ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется напряжением на затворе транзистора.

Вторая зона — область насыщения. Она имеет почти линейный вид. Здесь происходит перекрытие канала в области стока, которое увеличивается при дальнейшем росте напряжения исток-сток. Соответственно, растет и сопротивление канала, а стоковый ток меняется очень слабо (закон Ома, однако). Именно этот участок характеристики используют в усилительной технике, поскольку здесь наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. К таким параметрам относятся крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления. Значения всех этих непонятных словосочетаний будут раскрыты ниже.

Третья зона графика — область пробоя, чье название говорит само за себя.

С правой стороны рисунка показан график еще одной важной зависимости — стоко-затворной характеристики. Она показывает то, как зависит ток стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении между истоком и стоком. И именно ее крутизна является одним из основных параметров полевого транзистора.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Такие транзисторы также часто называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- или МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторами (англ. metall-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET). У таких устройств затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика. Физической основой их работы является эффект изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.
Устройство транзисторов такого вида следующее. Есть подложка из полупроводника с p-проводимостью, в которой сделаны две сильно легированные области с n-проводимостью (исток и сток). Между ними пролегает узкая приповерхностнаяя перемычка, проводимость которой также n-типа. Над ней на поверхности пластины имеется тонкий слой диэлектрика (чаще всего из диоксида кремния — отсюда, кстати, аббревиатура МОП). А уже на этом слое и расположен затвор — тонкая металлическая пленка. Сам кристалл обычно соединен с истоком, хотя бывает, что его подключают и отдельно.

Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток. Почему не через кристалл? Потому что один из p-n переходов будет закрыт.

А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения.
Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения. При этом сопротивление канала будет падать, а ток через него расти.

Рассмотренная выше конструкция транзистора с изолированным затвором похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом тем, что даже при нулевом токе на затворе при ненулевом напряжении исток-сток между ними существует так называемый начальный ток стока. В обоих случаях это происходит из-за того, что канал для этого тока встроен в конструкцию транзистора. Т.е., строго говоря, только что мы рассматривали такой подтип МДП-транзисторов, как транзисторы с встроенным каналом.

Однако, есть еще одна разновидность полевых транзисторов с изолированным затвором — транзистор с индуцированным (инверсным) каналом. Из названия уже понятно его отличие от предыдущего — у него канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.

Итак, мы подаем напряжение только на исток и сток. Ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт.
Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора. И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая инверсия типа проводимости. Т.е. концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа. Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе.
Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения.

Условные обозначения транзисторов с изолированным затвором следующие:

Здесь
а − со встроенным каналом n- типа;
б − со встроенным каналом р- типа;
в − с выводом от подложки;
г − с индуцированным каналом n- типа;
д − с индуцированным каналом р- типа;
е − с выводом от подложки.

Читайте также:  Цепь синусоидального тока с параллельным соединением rlc
Статические характеристики МДП-транзисторов

Те же характеристики для транзистора с идуцированным каналом:

Экзотические МДП-структуры

Чтобы не запутывать изложение, хочу просто посоветовать ссылки, по которым о них можно почитать. В первую очередь, это всеми любимая википедия, раздел «МДП-структуры специального назначения». А здесь теория и формулы: учебное пособие по твердотельной электронике, глава 6, подглавы 6.12-6.15. Почитайте, это интересно!

Общие параметры полевых транзисторов

  1. Максимальный ток стока при фиксированном напряжении затвор-исток.
  2. Максимальное напряжение сток-исток, после которого уже наступает пробой.
  3. Внутреннее (выходное) сопротивление. Оно представляет собой сопротивление канала для переменного тока (напряжение затвор-исток — константа).
  4. Крутизна стоко-затворной характеристики. Чем она больше, тем «острее» реакция транзистора на изменение напряжения на затворе.
  5. Входное сопротивление. Оно определяется сопротивлением обратно смещенного p-n перехода и обычно достигает единиц и десятков МОм (что выгодно отличает полевые транзисторы от биполярных «родственников»). А среди самих полевых транзисторов пальма первенства принадлежит устройствам с изолированным затвором.
  6. Коэффициент усиления — отношение изменения напряжения исток-сток к изменению напряжения затвор-исток при постоянном токе стока.

Схемы включения

Как и биполярный, полевой транзистор можно рассматривать как четырехполюсник, у которого два из четырех контактов совпадают. Таким образом, можно выделить три вида схем включения: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком. По характеристикам они очень похожи на схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором для биполярных транзисторов.
Чаще всего применяется схема с общим истоком (а), как дающая большее усиление по току и мощности.
Схема с общим затвором (б) усиления тока почти не дает и имеет маленькое входное сопротивление. Из-за этого такая схема включения имеет ограниченное практическое применение.
Схему с общим стоком (в) также называют истоковым повторителем. Ее коэффициент усиления по напряжению близок к единице, входное сопротивление велико, а выходное мало.

Отличия полевых транзисторов от биполярных. Области применения

Как уже было сказано выше, первое и главное отличие этих двух видов транзисторов в том, что вторые управляются с помощью изменения тока, а первые — напряжения. И из этого следуют прочие преимущества полевых транзисторов по сравнению с биполярными:

  • высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление;
  • высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей);
  • поскольку усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены переносом основных носителей заряда, их верхняя граница эффективного усиления выше, чем у биполярных;
  • высокая температурная стабильность;
  • малый уровень шумов, так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда, которое и делает биполярные транзисторы «шумными»;
  • малое потребление мощности.

Однако, привсем при этом у полевых транзисторов есть и недостаток — они «боятся» статического электричества, поэтому при работе с ними предъявляют особо жесткие требования по защите от этой напасти.

Где применяются полевые транзисторы? Да практически везде. Цифровые и аналоговые интегральные схемы, следящие и логические устройства, энергосберегающие схемы, флеш-память… Да что там, даже кварцевые часы и пульт управления телевизором работают на полевых транзисторах. Они повсюду, %хабраюзер%. Но теперь ты знаешь, как они работают!

Источник



Как проверить полевой транзистор и снять его основные характеристики?

Простое универсальное устройство для измерения параметров JFET-транзисторов
со встроенным p-n переходом обеднённого типа и MOSFET-транзисторов обогащён-
ного типа.

В последнее время в радиолюбительской практике всё чаще встречаются устройства, построенные на полевых транзисторах. Причиной этого является ряд полезных качеств полевиков, таких как: высокое входное сопротивление, низкий уровень собственных шумов, малая проходная ёмкость, высокая температурная стабильность и т. д. и т. п.

Казалось бы — вот оно счастье! Ан нет — главным ограничением при использовании любых полевых транзисторов является разброс параметров. Эти параметры индивидуальны для каждого конкретного экземпляра и могут существенно различаться даже у однотипных полевых транзисторов из одной партии.

В разных источниках можно найти всевозможные описания измерителий параметров ПТ, но они либо сложны, либо представляют собой простейшие тестеры для определения начального тока стока и напряжения отсечки.
Предлагаемый к рассмотрению довольно простой прибор позволяет измерять величину напряжения затвор-исток при различных (задаваемых) токах стока. Это даёт возможность не только сразу и точно рассчитать номиналы резисторов, задающих режим работы каскада, но и снять вольт-амперные характеристики полупроводника, а при выполнении пары простейших манипуляций с калькулятором — вычислить крутизну передаточной характеристики.
Объектами для снятия характеристик могут быть как JFET-транзисторы со встроенным p-n переходом, так и MOSFET транзисторы обогащённого типа. Параметры считываются при помощи внешнего вольтметра или мультиметра (наличие которого предполагается у каждого радиолюбителя) в количестве — одна штука.

Рис.1 Схема устройства для измерения характеристик полевых транзисторов

Представленный на Рис.1 измерительный прибор довольно универсален и адаптирован для работы с любыми полевыми транзисторами, для которых необходимо как положительное смещение затвора относительно истока, так и отрицательное. С учётом различной проводимости ПТ таких типов полупроводников набралось 4 штуки: JFET n-типа, JFET p-типа, MOSFET n-типа и MOSFET p-типа.
Для того, чтобы избежать обустройства сложной коммутации в устройстве было решено под каждый вид полевика использовать отдельные клеммы подключения.

По большому счёту, схема представляет собой линейный стабилизатор тока. Токовым датчиком здесь является пара резисторов R3, R5 (или R4, R6), суммарное сопротивление которой рассчитывается исходя из формулы R ≈ 0,6/Iнагр .
При увеличении тока через испытуемый ПТ падение напряжения на датчике растёт. При достижении им значения 0,6В транзистор T2 начинает открываться, уровень напряжения на затворе ПТ падает, ток уменьшается. Таким образом происходит стабилизация Iс полевого транзистора.

Поскольку для нормальной работы n-канального JFET транзистора значение Uзи должно находиться в отрицательной области, напряжение на его истоке зафиксировано на уровне 5,2В посредством делителя R1, R2 и эмиттерного повторителя Т1.
Для n-канального MOSFET транзистора значение Uзи должно находиться в положительной области, поэтому его исток посажен на землю.

Для р-канальных транзисторов всё происходит аналогичным образом, но с обратной полярностью, для чего схема управления на транзисторах Т3 и Т4 перевёрнута относительно питания и земли.

Как было сказано, регулировка тока стока тестируемого транзистора задаётся изменением величины сопротивления токового датчика. Для удобства пользования прибором весь диапазон регулировки тока разбит на 2 поддиапазона: 0,2. 3мА и 2. 35мА.
Для того чтобы избежать необходимости использования дополнительного измерительного прибора, потенциометры следует снабдить шкалой и проградуировать. Ввиду того, что далеко не каждый JFET транзистор в состоянии выдать ток истока — 35мА, градуировку лучше выполнять с каким-нибудь не сильно мощным MOSFET транзистором, например, MOSFET n-типа из серии 2N7000 — 2N7002.
Далее всё просто: 1. Установить полевой транзистор; 2. В разрыв между его стоком и плюсом источника питания временно включить амперметр; 3. Нанести на шкалу резисторов отметки, соответствующие показаниям прибора в обоих поддиапазонах изменения тока.

Как пользоваться прибором?

1. Начальный ток стока полевого транзистора (только для JFET-ов) — это ток стока при Uзи = 0.
Крутим потенциометр, пока вольтметр не покажет Uзи = 0В. Показания на шкале потенциометра и будут являться искомым значением начального тока стока.
В принципе этот параметр имеет практический смысл только при расчёте каскадов с общим истоком, в которых исток без резистора посажен напрямую на землю (или шину питания для р-типа).

2. Напряжения отсечки полевого транзистора — это напряжение между затвором и истоком, при котором ток стока достигает заданного низкого значения (10мкА. 1мА).
Параметр для аналоговой электроники мало информативный, а для switch MOSFET-ов задаётся при токе 250мкА и выше — поэтому 200мкА, выдаваемые прибором для измерения Uзи_отс, вполне достаточны для практического использования.

3. Напряжения Uзи при заданном токе стока — это главный параметр для расчёта усилительного каскада на полевом транзисторе.
Критериев выбора значения тока стока может быть множество, как с точки зрения достижений необходимой нагрузочной способности, так и других факторов, таких как: быстродействие, шумовые характеристики, энергопотребление, стабильность параметров и т. д. Исходя из этих критериев, разработчик, как правило, заранее знает при каком токе будет работать тот или иной каскад на ПТ.
Поэтому и тут всё очень просто: устанавливаем потенциометром необходимый ток стока и измеряем вольтметром Uзи.
Как дальше (с учётом снятых параметров) рассчитать элементы каскадов на полевых транзисторах мы подробно рассмотрели на страницах ссылка на страницу 1 и ссылка на страницу 2.

4. Крутизна передаточной характеристики — немаловажный параметр для расчёта коэффициента усиления каскада на полевом транзисторе.
Поскольку существует довольно сильная зависимость крутизны от начального тока стока транзистора, то и измерять её надо в непосредственной близи от заданного тока стока.
Предположим, что каскад будет работать при токе Iс=2мА. Тогда измерения напряжений Uзи можно провести при токах 1,5 и 2,5 мА, а значение крутизны вычислить по формуле S = ΔIc/ΔUзи (мА/В).

Источник

ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК

Полевые транзисторы получают все более широкое распространение как в качестве дискретных элементов, так и в качестве элементов и компонентов интегральных микросхем. Главным достоинством полевых транзисторов является высокое входное сопротивление, обусловленное очень малым током затвора.

Существуют следующие разновидности полевых транзисторов:

— полевые транзисторы с р-n переходом (рис.5.1,а,б);

— полевые транзисторы с изолированным затвором, которые также называются МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП (металл-оксид-полупроводник), в свою очередь, подразделяются на:

а) МДП — транзисторы с индуцированным каналом (рис. 5.1, в, г,)

б) МДП — транзисторы со встроенным каналом (рис.5.1, д, е,)

Полевые транзисторы бывают с каналом р- типа (см.рис. 5,1 а,в,д,) и с каналом n-типа (см.рис.5.1,б,г,е). Различие состоит в знаке используемых подвижных носителей заряда. При включении транзисторов с различными каналами в схемы, полярность подключения источников питания у них противоположная.

Ток утечки затвора, как уже отмечалось, очень мал. Например у транзистора КП103 Iз.ут≤20нА (при Uси=0 В, Uзи=10 В), у транзистора КП301Iз.ут≤0,3нА (при Uзи=-30 В).

Поэтому входные характеристики полевых транзисторов не рассматриваются.

Управляющее действие затвора наглядно иллюстрируют управляющие (стоко-затворные или переходные, проходные) характеристики выражающие зависимость.

IВЫХ = f (UВХ ) при Uвых = const (5.2)

IС = f (UЗИ ) при Ucи = const

Однако эти характеристики неудобны для расчетов, и поэтому чаще пользуются выходными характеристиками.

Выходные характеристики (стоковые) выражают зависимость (рис. 5.2)

IВЫХ = f (UВЫХ ) при Uвх = const (5.3)

IС = f (UСИ ) при Uзи = const

Они показывают, что с увеличением Uси ток стока Ic сначала довольно быстро, а затем это нарастание замедляется и почти совсем прекращается, т.е. наступает явление, напоминающее насыщение. Работа транзистора обычно происходит на пологих участках характеристик, в области, которую не совсем удачно называют областью насыщения (на рис.5.2 отмечено пунктиром).

Напряжение, при котором начинается эта область, иногда называют напряжением насыщения. Запирающее напряжение затвора (при котором ток стока равен нулю Iс= 0) называют напряжением отсечки.

Типовые вольт-амперные характеристики представлены на рис. 5.3-5.5.

На рис. 5.3 — планарный полевой транзистор КП601 с управляющим р-n-переходом и каналом n-типа. На рис. 5.4 — кремниевый эпитаксиально планарный полевой транзистор КП717 с изолированным затвором индуцированным каналом (с обогащением канала) n-типа. На рис. 5.5 — диффузионно-планарный МДП- транзистор КП305 со встроенным канатом n-типа.

Полевой транзистор характеризуется следующими параметрами. Основным параметром является.

S — крутизна, отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком

S = ΔIС / ΔUЗИ при Uси = const (5.4)

Вторым параметром является: Ri — внутреннее (выходное) дифференциальное сопротивление представляющее собой сопротивление транзистора между стоком и истоком (сопротивление канала) для переменного тока,

Ri = ΔUСИ / ΔIС при Uзи = сonst (5.5)

На пологих участках выходных характеристик Ri достигает сотен килоом и оказывается во много раз больше сопротивления транзистора постоянному току Ro.

Следующий важный параметр — коэффициент усиления, который показывает, во сколько раз сильнее действует на ток стока изменение напряжения затвора, нежели изменение напряжения стока

μ = — ΔUСИ /ΔUЗИ при Iс = const. (5.7)

Коэффициент усиления m выражается отношением таких изменений ∆Uси и ∆Uзи, которые компенсируют друг друга по действию на ток стока , в результате чего этот ток остаётся постоянным. Так как для подобной компенсации ∆Uси и ∆Uзи должны иметь разные знаки (например, увеличение Uси должно компенсироваться уменьшением Uзи, то в правой части формулы (5.7) стоит знак «минус». Иначе, вместо этого можно взять абсолютное значение правой части, т.e. m >0. Коэффициент усиления m связан с параметрами Ri и S простой зависимостью

m=S Ri (5.8)

К параметрам полевого транзистора, которые, как правило, указываются в справочной литературе, относятся:

Iс.нач — начальный ток стока, ток стока при напряжении между затвором и истоком, равном нулю, и при напряжении на стоке, равном или превышающем напряжение насыщения;

Iс.оcт — остаточный ток стока при напряжении между затвором и истоком, превышающем напряжение отсечки;

Iз.ут— ток утечки затвора, ток затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой;

Iзио — обратный ток перехода затвор-исток. при разомкнутом выводе, ток, протекающий по цепи затвор-исток, при заданном обратном напряжении между затвором и истоком и разомкнутыми выводами.

Uзиотс — напряжение отсечки полевого транзистора, напряжение между затвором и истоком транзистора с р-n-переходом или МДП транзистора со встроенным каналом, при котором ток стока достигает заданного низкого значения;

Uзипор- пороговое напряжение полевого транзистора, напряжение между затвором и истоком МДП — транзистора с индуцированным каналом, при котором ток стока достигает заданного низкого значения;

Rсuoтк — сопротивление сток-исток в открытом состоянии транзистора, сопротивление между стоком и истоком в открытом состоянии транзистора при заданном напряжении сток-исток, меньшем напряжения насыщения.

Указанные параметры можно определить экспериментально либо по статистическим вольт-амперным характеристикам. В справочниках нередко приводят только один из видов характеристик. Чаще всего стоковые характеристики Ic=f(Ucи) при Uзи=const .

Рассмотрим пример построения семейства стоко-затворных характеристик Ic=f(Uзи) при Ucи=const для полевого транзистора КП312Б (рис.5.6,а,б). Графическими построениями находим значения токов и напряжений и заносим в табл.5.1

Uзи, В -0,25 -0,5
Из рис.5,6,а Uси = 0,4 В Iс , мА 1,1 0,75 0,55
Uси =1,2 В Iс , мА 2,2 1,4
Uси =1,6 В Iс , мА 2.4 1,6 1,1
Из рис. 5,6,б Uси =5 В Iс , мА 2,8 1,9 1,3
Uси =10 В Iс , мА 1,3
Uси =15 В Iс , мА 1,3

По полученным данным строим семейство кривых, обозначающих зависимость Ic=f(Uзи) при Uси =const (рис.5.б,в). Если в справочнике приведены только стоко-затворные характеристикиIc=f(Uзи) при Uси =const , то, используя их, можно построить семейство выходных характеристик.

Рассмотрим пример построения семейства стоковых характеристик Ic= f(Ucи) при Uзи =const. по известному семейству стоко-затворных характеристик транзистора КП601 (рис.5.7,а). По графикам определяем значения токов и напряжений и заносим в табл.5.2.

Uси, В 0,5
Uзи=-8В Iс, мА
Uзи=-4В Iс, мА
Uзи=-2В Iс, мА
Uзи=0В Iс, мА

По полученным данным строим семейство кривых, обозначающих стоко-затворные характеристики Ic=f(Uзи) при Uси = const (5,7,б).

Рассмотрим пример определения параметров S, Ri, μ и Rо транзистора КП10З по выходным стоковым характеристикам.

Задаем режим работы транзистора по постоянному току (задаем положение исходной рабочей точки).

Ucио=-8В, Uзио = 1В (5.9)

Наносим положение ИРТ на характеристику Uзи=1В=const при Uси =-8В и определяем (рис.5.8) ток стока: Iсо = 0,4 мА (5.10)

Определение параметра S

В соответствии с формулой (5.4) для выполнения условия Ucи = const выше и ниже ИРТ на характеристике Uзи = 0,5В и Uзи=1,5 В выберем две точки, для которых Uси=-8В (см, рис.5.8)

Для т.А: Uзиа = 0,5В ; Iса=0,8мА; Ucиа=-8В.

Для т.В:Uзив = 1,5В ; Iсв = 0,15 мА; Ucив = -8В. (5.11)

Для ИРТ:Uзио = 1,0В ; Iсо = 0,4 мА; Ucио = -8В.

Как видно, для всех трех точек выполняется условие Ucи =-8 В = const. По графикам (см.рис.5.8) определяем приращение ∆Uзи и ∆Ic между точками т.А и т.В и находим крутизну S :

Согласно справочным данным для транзистора КП103 крутизна составляет S=0,4. 3,0мА/В.

Определение параметра Ri

В соответствии с формулой (5.5) для выполнения условия) Uзи =const выберем на характеристике Uзи = 1,0 В две точки левее и правее ИPT (рис.5.9)

Для т.С: Uси с = -12В ; Iсс = 0,42 мА; Uзис=1,0 В.

Для т.Д:Uси д = -4В ; Iсд = 0,38 мА; Uзид = 1,0В. (5.13)

Для ИРТ:Uсио = -8В ; Iсо = 0,4 мА; Uзио = 1,0 В.

Как видно для всех трех точек выполняется условие Uзи = 1,0 В =const.

По графикам (см.рис.5.9) определяем приращения ∆Ic и ∆Ucи и находим параметр Ri

Определение параметра μ

В результате того, что коэффициент усиленияμ имеет довольно большую величину, то его нередко невозможно измерить в указанной рабочей точке. Тогда коэффициент μ находят по формуле (5.8) после определения параметров S и Ri

μ = S Ri = 0.65мА/в 200 кОм =130 (5.15)

Действительно, легко проверить, что для такого значения μ изменению напряжения сток-исток на 4 вольта (∆Uси = 4 В) соответствует изменение напряжения затвор-исток ∆Uзи = 30 мВ. По вольт — амперным характеристикам такие вычисления можно выполнять только при малом значении μ.

Определение параметра

Сопротивление транзистора постоянному току определяем для заданной рабочей точки как отношение постоянного выходного напряжения Ucио к соответствующему постоянному выходному току Iсо по формуле (5.6) (см.рис.5.8)

R = UСИ0 / IС0 = 8В / 0,4 мА = 20 кОм (5.16)

Следует подчеркнуть, что значения рассчитанных параметров зависят от выбранного положения ИРT. Для подтверждения на рис.5.10 приведен график зависимости крутизны S от тока стока Iсо для транзистора КП313. Читатель может убедиться в этом и непосредственно, рассчитав значение крутизны S по изложенной выше методике для различных положений ИРТ.

Данные параметры можно определить и по семейству сток-затворных характеристик. Рассмотрим на примере транзистора КП313 для рабочей точки:

Uзио = 1В, Uсио=10 В (5.17)

Наносим положение ИРТ на характеристику Uси=10В=const при Uзи=1В и определяем ток стока (рис.5.11): Iсо = 10 мА (5.I8)

В соответствии с формулой (5.4) для выполнения условия Ucи =const выберем две точки т.А и т.В на характеристике Ucи = 10В (см.рис.5.11).

Для т.А: Uзиа = 1,3 В;Icа = 12,5мА; Uсиа = 10 В

Для т.А: Uзив = 0,7 В;Icв = 7,5мА; Uсив = 10 В (5.19)

Для ИРТ: Uзио = 1 В; Icо = 10мА; Uсио = 10 В

Видно, что для всех трех точек выполняется условие Uси =10В=const. По графикам (см.рис.5.11) определяем приращение ∆Uзи и ∆Ic между точками т.А и т.В и определяем крутизну S.

Для сравнения: по справочнику у транзистора КП313 крутизна S составляет

S = 4,5 . 10,5 мА/В . (5.21)

Определение параметра Ri

Для определения параметра Ri в соответствии с формулой (5.5) для выполнения условия Uзи = const выберем т.С на характеристике Uси = 15 В, соответствующую Uзи =1В (рис.5.12)

Для т.С: Uсис = 15В; Icc = 11мА;Uзис = 1В (5.22)

Для ИРТ: Uсио = 10В; Icо = 10мА;Uзио = 1В

Рис.5.12

Для этих двух точек выполняется условие Uзи = 1В = const. По графикам (см. рис.5.12) находим приращения ∆Ic и ∆Uси и определяем параметр Ri

Определение коэффициента усиления μ

Для определения коэффициента усиления μ в соответствии с формулой (5,7) для выполнения условия Ic = const выберем на характеристике Ucи = 15 В точку т.Д, для которой Ic = 10 мА (рис. 5,13)

Рис. 5.13

Для т.Д: Uсид = 15В; Uзид = 0,85В; Iсд = 10мА (5.24)

Для ИРТ: Uсио = 10В; Uзид = 1В; Iсо = 10мА

Для этих двух точек выполняется условие Iс = 10мА=const.

По графикам (см.рис.5.13) находим приращения ∆Uзи и ∆Ucи и определяем коэффициент усиления μ..

Расчет по формуле (5.8)

μ = S Ri = 8,3 мА 5кОм = 41,5 (5.26)

дает удовлетворительное согласование с (5.25). Небольшие расхождения обусловлены неизбежными погрешностями графических построений и не играют существенной роли. Как уже отмечалось выше, существует разброс параметров у транзисторов.

| следующая лекция ==>
КОНВЕНЦИОНАЛИЗМ А. ПУАНКАРЕ (1854-1912) |

Дата добавления: 2015-11-20 ; просмотров: 4287 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Основные параметры полевого транзистора

date image2014-02-04
views image8421

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Начальный ток стока Iс0 – ток в цепи стока транзистора, включенного по схеме с общим истоком, при Uси, Uзи > Uотс) можно определить по формуле

Уравнение (1) является приближенным для проходной характеристики любого полевого транзистора (особенно с малыми напряжениями отсечки).

Напряжение отсечки Uотс – один из основных параметров, характеризующих ПТ. При напряжении на затворе, численно равным напряжению отсечки, практически полностью перекрывается канал полевого транзистора, и ток стока при этом стремится к нулю.

В справочных данных на ПТ всегда указывается, при каком значении тока стока произведены измерения напряжения отсечки. Так, например, для транзисторов КП307Е напряжения Uотс = -0.5 ¸ — 2.5 В получены при токе стока 0.01 мА.

Крутизна проходной характеристики. Входное сопротивление полевых транзисторов со стороны управляющего электрода (затвора) составляет 10 7 ¸10 9 Ом. Усилительные свойства полевого транзистора, как и электронных ламп, характеризуются крутизной проходной характеристики: S = ∂Iс /∂Uзи, при Uси = const. Выражение для крутизны характеристики в рабочей точке ПТ получим, используя (1)

где Uзи – напряжение затвор – исток, при котором вычисляется S;

Максимальное значение крутизны характеристики Sмакс достигается при Uзи= 0. При этом численное значение Sмакс равно проводимости канала ПТ при нулевых смещениях на его электродах.

Соотношение (3) позволяет по двум известным параметрам рассчитать третий. Для большинства маломощных ПТ S лежит в пределах 2¸10 мА/В.

Крутизна характеристики полевых транзисторов на 1-2 порядка меньше, чем у биполярных транзисторов, поэтому при малых сопротивлениях нагрузки коэффициент усиления каскада на ПТ Кu = S Rc (Rc – сопротивление в цепи стока) меньше коэффициента усиления аналогичного каскада на биполярном транзисторе.

В большинстве случаев крутизну характеристики полевых транзисторов считают частотно-независимым параметром. Поэтому быстродействие электронных схем на ПТ ограничено в основном паразитными параметрами схемы.

Это сопротивление при Uси = 0 и произвольном смещении Uзи можно выразить через параметры транзистора:

При малом напряжении исток–сток вблизи начала координат выходной характеристики ПТ ведет себя как переменное омическое сопротивление, зависящее от напряжения на затворе. Минимальное значение сопротивления канала Ri наблюдается при Uзи = 0. При увеличении обратного напряжения на затворе сопротивление канала нелинейно увеличивается. Значение Ri определяется по стоковой характеристике транзистора как тангенс угла наклона касательной к кривой Iс = f(Uс) при Uз = 0 в точке U = 0.

Для приближенных расчетов имеет место простое соотношение:

Коэффициент усиления mо пределяется как изменение напряжения стока к вызвавшему его изменению напряжения на затворе при Ic = const:

Изменение тока стока связано с изменением напряжением на затворе и изменением напряжения на стоке

разделив на ∂Uси и с учетом (6) после несложных преобразований получим связь между тремя параметрами

Максимальные напряжения затворсток, затвористок, истоксток. При превышении допустимых значений напряжения между электродами транзистора возможен лавинный пробой перехода затвор-канал.

Обратное напряжение диода затвор–канал изменяется вдоль длины затвора, достигая максимального значения у стокового конца канала. Именно здесь происходит пробой полевого транзистора. Лавинный пробой не приводит к выходу из строя ПТ с управляющим pn-переходом, если он не переходит в тепловой пробой. После возвращения в нормальный рабочий режим ПТ восстанавливают свою работоспособность.

Типичные значения параметров маломощного полевого транзистора КП-303В с pn-переходом и каналом n-типа:

Крутизна проходной характеристики при Uси = 10 В, Uзи = 0, S = 2 ÷ 5 мА/В.

Внутреннее сопротивление Ri = 0,02 ÷ 0,5 Мом.

Емкость входная Сзи не более 6 пФ.

Емкость проходная Сзс не более 2 пФ.

Максимальное напряжение затвор–сток, затвор–исток

Максимальное напряжение сток-исток Uси max = 25 В.

Максимальный ток стока Ic max = 20 мА.

Максимальная рассеиваемая мощность при Т ≤ 25ºС

Диапазон температур окружающей среды Т от –40 до +85 ºС.

Источник