Полевой транзистор как линейный четырехполюсник

Полевой транзистор, работающий в режиме малого сигнала, так же как и биполярный транзистор, можно представить в виде линейного четырехполюсника (рис. 4.18). Наличие большого входного сопротивления у полевых транзисторов позволяет удобно их описывать с помощью Y-параметров. Для схемы с ОИ в качестве независимых переменных принимают U_зи и U_си, а зависимые величины – I_з, I_c, тогда транзистор описывается следующей системой уравнений:

;

. (4.6)

А в системе Y-параметров

;

. (4.7)

Откуда Y-параметры в режиме КЗ по переменному току на входе и выходе определяются выражениями

– входная проводимость;

– проводимость обратной передачи, при U_си>U_{си нас} Y₁₂ стремится к нулю;

– проводимость прямой передачи (крутизна характеристики прямой передачи) определяет наклон данной характеристики в любой точке;

– выходная проводимость, вместо которой на практике часто используется обратная величина , называемая внутренним (дифференциальным) сопротивлением транзистора.

Параметры Y₁₁, Y₂₁, Y₂₂ можно определить по статическим характеристикам. Крутизна передаточной характеристики S определяется на рабочем (пологом) участке стоковой характеристики и ее нетрудно получить из выражений (4.3, 4.4), взяв первую производную от I_с по U_зи.

На практике для определения S используется графоаналитический метод. На выходных (стоковых) характеристиках (рис. 4.19) через выбранную рабочую точку О, которой соответствуют значения , , , проводят прямую параллельную оси токов до пересечения со следующей характеристикой в точке В, имеющей координаты , , . Значение крутизны рассчитывается по формуле

.(4.8)

Дифференциальное сопротивление R_i более полно отражает зависимость тока стока I_c от напряжения U_си на пологом участке стоковой характеристики. R_i определяется в рабочей точке О по приращению тока стока, соответствующему приращению напряжения U_си:

. (4.9)

Возрастание тока стока при увеличении U_си в пологой части характеристики обусловлено эффектом модуляции длины канала. С увеличением U_си стоковый p–n переход смещается в обратном направлении, что приводит к расширению перехода и уменьшению длины канала. А уменьшение длины канала приводит к уменьшению его сопротивления и возрастанию тока стока. Управляющее действие подложки учитывается коэффициентом влияния подложки, показывающим на сколько необходимо изменить напряжение на затворе, чтобы ток стока I_с остался неизменным при изменении напряжения подложки U_пи

, (4.10)

где – крутизна характеристики по подложке.

Для оценки потенциальных возможностей полевого транзистора как усилительного элемента вводят параметр, называемый статическим коэффициентом усиления по напряжению

, (4.11)

который показывает, во сколько раз эффективнее изменение напряжения на затворе воздействует на ток стока, чем изменение напряжения на стоке.

Так как в диапазоне допустимых рабочих напряжений U_си статические выходные характеристики не пересекаются и не выполняется условие I_си=const, то m рассчитывается по найденным значениям R_i и S

. (4.12)

Поскольку характеристики полевых транзисторов нелинейны, значения дифференциальных параметров зависят от выбранного режима по постоянному току.

Входное сопротивление полевых транзисторов с управляющим p–n переходом определяется величиной обратного тока перехода, а у МДП-транзисторов – током утечки изолирующей пленки диэлектрика.

Для МДП-транзисторов значение входного сопротивления лежит в пределах 10¹²…10¹⁵ Ом. Из-за влияния статического электрического заряда на практике не удается реализовать большое значение входного сопротивления. Кроме больших внешних напряжений, подаваемых на затвор, большие значения напряженности электрического поля часто возникают за счет обычных внутренних зарядов в окисле. Поэтому не рекомендуется использовать и хранить МДП-транзисторы с неподключенным затвором. Завод-изготовитель выпускает МДП-транзисторы со специальным закорачивающим приспособлением (все выводы транзистора замкнуты между собой, что способствует стеканию зарядов диэлектрика, и МДП-транзистор не испытывает действия статического электричества.

Для устранения опасного предела электрического заряда в диэлектрике и для получения больших входных сопротивлений в МДП-транзисторах используются защитные диоды, включенные в цепь затвор-исток (рис. 4.20).

В качестве защитных диодов часто используются стабилитроны. При превышении напряжения на затворе больше пробивного напряжения одного из диодов, электрический заряд, накопленный в диэлектрике, отводится через защитные диоды на землю. В связи с этим, электрический заряд в диэлектрике МДП-транзисторов не превышает величины, при которой может произойти пробой изолирующей пленки диэлектрика, что обычно приводит к выходу транзистора из строя. Наличие защитных диодов незначительно уменьшает входное сопротивление транзистора (за счет обратных токов диодов), а характеристики транзистора остаются неизменными.

Для повышения функциональных возможностей МДП-транзисторов промышленностью выпускаются транзисторы с двумя изолированными затворами (например, КП 306, КП 350). Статические характеристики этих транзисторов аналогичны характеристикам однозатворных транзисторов, только количество их больше, так как они строятся для напряжения каждого затвора при неизменном напряжении на другом затворе. Эти транзисторы характеризуются крутизной по первому и второму затвору, напряжениями отсечки первого и второго затворов.