Каким параметром оценивается усиление полевых транзисторов

Характеристики и параметры полевого транзистора: схемы включения, свойства, ВАХ

Кратко охарактеризуем различные схемы включения полевого транзистора и рассмотрим его характеристики и параметры.

Схемы включения транзистора.

Для полевого транзистора, как и для биполярного, выделяют три схемы включения. Для полевого транзистора это схемы с общим затвором (ОЗ), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее часто используются схемы с общим истоком.

Для понимания особенностей работы некоторого электронного устройства очень полезно уметь относить конкретное решение к той или иной схеме включения (если схема такова, что это в принципе возможно).

При объяснении влияния напряжения uис на ширину p-n-перехода фактически использовалась схема с общим истоком (см. рис. 1.87) (Статья 1 Устройство и основные физические процессы). Рассмотрим характеристики, соответствующие этой схеме (что общепринято).

i_с, входными характеристиками обычно не пользуются. Например, для транзистора КП10ЗЛ, подробно рассматриваемого ниже, для тока утечки затвора iз ут при t

Обратимся к характеристике, соответствующей условию uзи = 0. В так называемой линейной области (uис Задать вопрос

Ток стока в области насыщения при uзи= 0 и при заданном напряжении uис называют начальным током стока и обозначают через iс нач. Для рассматриваемых характеристик iс нач = 5 мА при uис= 10 В. Для транзистора типа КП10ЗЛ минимальное значение тока iс начравно 1,8 мА, а максимальное — 6,6 мА. При uис > 22 В возникает пробой p-n-перехода и начинается быстрый рост тока.

Для транзистора КП10ЗЛ uис_макс = 10 В,uзс_макс = 15 В, P_макc = 120 мВт (все при t = 85°С).

Графический анализ схем с полевыми транзисторами.

Для лучшего уяснения принципа работы схем с полевыми транзисторами полезно провести графический анализ одной из них (рис. 1.91).

Пусть Е_с = 4 В; определим, в каких пределах будет изменяться напряжение uиспри изменении напряжения uзи от 0 до 2 В.

При графическом анализе используется тот же подход, который был использован при анализе схем с диодами и биполярными транзисторами. Для рассматриваемой схемы, в которой напряжение между затвором и истоком равно напряжению источника напряжения uзи, нет необходимости строить линию нагрузки для входной цепи. Линия нагрузки для выходной цепи задается выражением Е_с =iс·Rс+uис Построим линию нагрузки на выходных характеристиках транзистора, представленных на рис. 1.92.

Из рисунка следует, что при указанном выше изменении напряжения uзинапряжение uис будет изменяться в пределах от 1 до 2,6 В, что соответствует перемещению начальной рабочей точки от точки А до точки В. При этом ток стока будет изменяться от 1,5 до 0,7 мА.

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:

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.

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

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

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.

Полевой транзистор характеризуется следующими параметрами. Основным параметром является.

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

Коэффициент усиления m выражается отношением таких изменений ∆Uси и ∆Uзи, которые компенсируют друг друга по действию на ток стока Iс, 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

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

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

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

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.

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.

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)

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)

Определение параметра Rо

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)

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

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.

Дата добавления: 2015-11-20 ; просмотров: 4868 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Полевой транзистор. Расчёт усилительных каскадов на n–канальных и
р–канальных полевых транзисторах.

Как просто рассчитать режимы работы и номиналы элементов схем на полевых транзисторах в различных схемах включения: c общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС, он же истоковый повторитель) и общим затвором (ОЗ).

Полевой (униполярный) транзистор – это полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на управлении сопротивлением токопроводящего канала (сток–исток) посредством электрического поля, создаваемого приложенным к управляющему электроду (затвору) напряжением.

Исток (source) – это электрод, из которого в канал входят (истекают) носители заряда, т. е. источник носителей тока;
Сток (drain) – это электрод, через который из канала выходят (стекают) носители заряда;
Затвор (gate) – это управляющий электрод, который регулирует поперечное сечения канала и, соответственно, ток, протекающий через канал. Управление происходит посредством изменения напряжения между затвором и истоком (Uзи, Vgs).

Несмотря на крайне богатую терминологию различных типов полевых транзисторов, в большинстве практически встречающихся случаев мы имеем дело: либо с полевыми транзисторами со встроенным p-n переходом обеднённого типа (JFET-транзисторы), либо с полевыми МОП-транзисторами с изолированным затвором (они же MOSFET-ы в основном обогащённого типа), полное название которых звучит, как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors.
И тот и другой типы полевиков могут быть любого знака полярности, т. е. как n-канальными, так и р-канальными.

Давайте рассмотрим, как можно рассчитать режимы работы полевика по постоянному току. Для примера возьмём распространённый транзистор 2SK117, широко используемый в каскадах усиления звукового диапазона частот. Приведём две его статических характеристики из datasheet-а и до кучи схему усилительного каскада с общим истоком.

Рис.2 Статическая характеристика транзистора 2SK117 и схема каскада с общим истоком

Что нам советуют делать при расчёте усилительных каскадов на ПТ практически все умные книжки?
Построить на семействе выходных вольт-амперных характеристик транзистора динамическую линию, также называемую нагрузочной прямой. Далее по пересечению этой нагрузочной линии с одним и графиков семейства выходных характеристик найти исходную рабочую точку, которая определяет ток стока и напряжение Uси в режиме покоя. И только после этого переходить к стоково-затворной характеристике ПТ, чтобы определить необходимую величину Uзи.

Конечно, ни один опытный схемотехник этого делать не будет! А делать он будет следующее:

4. Всё. Теперь можно вспомнить закон Ома и переходить к расчётам.
R_и = U_зи/I_c = 0,23/0,5 = 0,46 кОм .

Глядя на показания измерительных приборов, убеждаемся, что Uc (5,45В) и Ic (0,545мА) находятся в приемлемом диапазоне по отношению к расчётным значениям.

Рис.3

Все расчёты, проведённые выше, были проделаны для наиболее распространённых в маломощных аналоговых цепях полевых транзисторов со встроенным p-n переходом обеднённого типа (JFET-транзисторы).
На самом же деле, все приведённые формулы и принципы расчёта справедливы и по отношению к МОП-транзисторам с изолированным затвором обогащённого типа (MOSFET-ы). Однако если всё ещё остались какие-либо вопросы, то на следующей странице проведём подобные манипуляции и для них.

Источник

Полевые транзисторы. For dummies

Введение

Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, обычно с тремя выводами, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля. (electrono.ru)

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.

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

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

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