Статические характеристики полевых транзисторов.

Наиболее полно работу полевых транзисторов на постоянном токе могут охарактеризовать статические характеристики. К статическим характеристикам полевых транзисторов относятся: - переходная характеристика — зависимость тока стока от напряжения затвор-исток, и если еще учесть, что такая зависимость может быть определена для различных напряжений на стоке, то получим семейство Iст = f(Uзи, Uси). Выходная характеристика — зависимость тока стока от напряжения сток-исток и напряжения затвор-исток Iст = f(Uси, Uзи). На рис.42 показана выходная характеристика по левого n-канального транзистора типа MPF3815 с изоляцией канала от затвора обратносмещенным p-n переходом. Как видно из графика эта функция -- семейство характеристик зависимости тока стока от напряжения на стоке при заданном и неизменном напряжении на затворе. Каждая кривая состоит из двух участков: крутого восходящего и пологого при увеличении напряжения на стоке.

На рис. 43 приведена переходная характеристика того же полевого транзистора, которая показывает зависимость тока стока от напряжения на затворе и напряжения на стоке относительно истока. На этом графике хорошо видно, при каком напряжении на затворе ток стока (канала) становится равен нулю. Это напряжение называют напряжением отсечки – U_отс.

Приведенные семейства характеристик получены при использовании пакета EWB 4.0. Среди параметров полевых транзисторов существенное значение имеет напряжение стока перекрытия определяемое выражением

 

,где U_з – напряжение на затворе, U_отс – напряжение отсечки, η – коэффициент влияния подложки, U_п – напряжение подложки.

Если в соответствии с приведенной формулой выполнить расчет для каждой кривой выходной характеристики (отмечены крестиками), то получим семейство точек принадлежащих кривой разделяющей семейство выходных характеристик на две составляющие. Часть характеристик находящаяся левее указанной кривой называют омической областью, а находящаяся правее – областью линейного усилительного режима. Данное деление выходных характеристик показывает особенности использования полевых транзисторов. Если режим работы транзистора установлен так, что рабочая точка находится в омической области, то транзистор используют в качестве регулируемого сопротивления. При нахождении рабочей точки в правой части транзистор используют в качестве усилителя напряжения. При больших напряжениях на стоке возможен переход транзистора в режим теплового пробоя, что приводит транзистор к выходу из строя (резкое увеличение тока стока при незначительном росте напряжения на стоке).

Важным параметром полевого транзистора является крутизна переходной характеристики, которая определяется как производная тока стока от напряжения затвор-исток

Для выполнения расчетов схем, в которых используются полевые транзисторы необходимо иметь аналитические модели этих устройств. Аналитические модели могут быть получены в основном из схем замещения транзисторов, которые строятся исходя из физических процессов и требуемых режимов работы транзисторов. На рис. 44 приведена одна из распространенных схем замещения полевого транзистора. При построении схемы замещения приняты обозначения в соответствии физическими структурами и особенностями работы полевых транзисторов.

Обозначения:

- r_c, r_з, r_и, r_пд – омические сопротивления областей стока, затвора, истока и подложки соответственно,

- С_зс, С_зи, С_сп, С_ип – распределенные емкости между электродами транзисторы,

- VD_зс, VD_зи, VD_сп, VD_ип – диоды отображающие влияние p-n перехода затвор- канал и p-n перехода канал-подложка,

- r_к – внутреннее сопротивление канала,

- I_кан – ток канала, функциональная зависимость которого характеризует активное действие транзистора.

Данная схема замещения достаточно универсальна, так как при моделировании транзисторов с изоляцией p-n переходом используются все элементы схемы, а при моделировании транзисторов МОП структур диоды VD_зс и VD_зи следует исключить, так как у этих транзисторов канал изолирован от затвора слоем диэлектрика. Следует отметить, что приведенная схема отображает n – канальные транзисторы, для отображения p – канальных транзисторов необходимо изменить полярность включение диодов и источника тока.

Аналитическая модель, построенная на основе приведенной схемы замещения, представляет собой следующие выражения:

Первое из приведенных уравнений моделирует выходную характеристику при напряжениях стока не превышающих напряжение перекрытия канала U­_си £ U_спер. Второе уравнение используется в пологой области вольтамперной характеристики, т.е. при U­_си > U_спер. Параметры модели: к_пт, η, U_спер, U_отс определяются электрофизическими параметрами, конфигурацией и геометрией транзисторной структуры.

Лекция 7