Статические параметры полевого транзистора: теория и практика

Интерес к статическим параметрам полевого транзистора с p-n-переходом на затворе, таким как начальный ток стока и напряжение отсечки, проявляется чаще всего инженерами и радиолюбителями либо как к приводимым в справочниках характеристикам для сравнения транзисторов различных типов, либо в связи с подбором близких по параметрам транзисторов для дифференциального каскада. В настоящей статье речь пойдёт об использовании статических параметров при расчёте схем на полевых транзисторах.

Определения

На рис.1 приведено условное графическое обозначение полевого транзистора с n-каналом и управляющим p-n-переходом на затворе:

Условное графическое обозначение полевого с n-каналом и p-n-переходом на затворе
Рис.1 Условное графическое обозначение полевого с n-каналом и p-n-переходом на затворе

Обозначение его выводов соответственно следующее:

G (Gate) - затвор;
S (Source) - исток;
D (Drain) - сток.

Основными статическими параметрами полевого транзистора с p-n-переходом на затворе являются начальный ток стока и напряжение отсечки. Начальный ток стока полевого транзистора определяется как ток, протекающий через его канал при заданном постоянном напряжении сток-исток и равном нулю напряжении затвор-исток. В англоязычной технической документации этот параметр обозначают как IDSS.

Напряжение отсечки - это такое пороговое значение напряжения затвор-исток, по достижении которого ток через канал полевого транзистора уже не изменяется и практически равен нулю. Его также измеряют при фиксированном значении напряжения сток-исток и в англоязычной документации обозначают как VGS(off) или реже как Vp.

В качестве усилительного элемента полевой транзистор работает при достаточно большом напряжении сток-исток VDS - на графике семейства выходных характеристик транзистора это значение напряжения расположено в области насыщения. Это значит, что величина тока через канал полевого транзистора, - ток стока ID, - зависит в основном лишь от величины напряжения затвор-исток VGS. Эту зависимость тока стока полевого транзистора ID от входного напряжения затвор-исток VGS описывает так называемая передаточная характеристика транзистора. Для транзисторов с управляющим p-n-переходом её обычно аппроксимируют следующим выражением:

(1)

Таким образом ток стока полевого транзистора с изменением напряжения на его затворе изменяется по квадратичному закону. Графически эту зависимость иллюстрирует приведенная на рис.2 диаграмма:

Квадратичная зависимость тока стока от напряжения на затворе
Рис.2 Пример аппроксимации зависимости тока стока ID от напряжения затвор-исток VGS квадратичной функцией при начальном токе стока IDSS = 9,5 mA и напряжении отсечки VGS(off) = -2,8 V

В таком изменении тока стока ID с изменением напряжения затвор-исток VGS и проявляются усилительные свойства полевого транзистора. Количественно эти свойства характеризует такой его параметр как крутизна, определяемая как:

(2)

Понятно, что значение крутизны, выраженное через статические параметры полевого транзистора IDSS и VGS(off), можно получить дифференцируя выражение для передаточной характеристики (1) по dVGS:

 

То есть для транзистора с известными значениями начального тока стока IDSS и напряжения отсечки VGS(off) при заданном напряжении затвор-исток VGS крутизну передаточной характеристики можно рассчитать по формуле:

(3)

или, учитиывая равенство:

 

получаем еще одно выражение для крутизны при заданном токе стока ID:

(4)

Установка рабочей точки

На рис.3 приведены основные схемы включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом на затворе:

а) усилительный каскад с общим истоком;
б) истоковый повторитель;
в) двухполюсник - стабилизатор тока.

Усилительный каскад с общим истоком Истоковый повторитель Двухполюсник - стабилизатор тока
а) б) в)
Рис.3 Основные схемы включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом на затворе

Во всех этих схемах для установки требуемого значения тока стока ID служит включенный в цепь истока резистор RS. Потенциал затвора полевого транзистора равен потенциалу нижнего по схеме вывода этого резистора, поэтому ток стока ID, напряжение затвор-исток VGS и сопротивление RS элементарно связаны между собой законом Ома:

(5)

Расчет сопротивления RS для установки требуемого тока стока ID для полевого транзистора с известными значеними начального тока стока IDSS и напряжения отсечки VGS(off) также можно произвести на основании выражения для передаточной характеристики (1):

 

откуда получаем равенство:

(6)

Разделим обе части равенства (6) на RS и, с учётом выражения (5), получим:

 

Соответственно выражение для значения сопротивления RS примет следующий вид:

(7)

Теория и практика

Исходя из приведенных математических выкладок логично предположить, что, измерив значения начального тока стока IDSS и напряжения отсечки VGS(off) - основных статических параметров полевого транзистора с управляющим p-n-переходом на затворе, - можно определить крутизну передаточной характеристики транзистора в заданной рабочей точке или установить рабочую точку транзистора так, чтобы получить требуемое значение крутизны, рассчитать параметры других элементов схемы, и пр. Но практические результаты чаще всего оказываются далеки от расчетных.

Такое несоответствие теории и практики отмечается и в ряде авторитетных публикаций на тему работы полевого транзистора. Так, например, в [1] один и тот же абзац содержит и утверждение о том, что передаточная характеристика полевого транзистора "достаточно точно определяется квадратичной зависимостью" в соответствии с формулой (1), и оговорку, что на практике с помощью прибора зафиксировать величину соответствующего напряжения отсечки VGS(off) очень трудно, и поэтому обычно измеряют напряжение затвор-исток при ID = 0,1·IDSS, а затем, подставив эти значения в формулу (1), вычисляют уже соответствующее ей значение напряжения отсечки по формуле:

(8)

В [2] также отмечается, что измеренное значение напряжения отсечки VGS(off), при котором величина тока стока ID становится нулевой или равной нескольким микроамперам, "не всегда будет удовлетворять равенству (1), поэтому удобнее вычислять величину как функцию VGS и экстраполировать полученную прямую линию до значения тока ID=0".

Поскольку речь идёт о наиболее точном определении передаточной характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом на затворе, то величина напряжения отсечки VGS(off) конкретного транзистора важна лишь как параметр в выражении (1), при котором это выражение наиболее соответствует реальной передаточной характеристике этого транзистора. То же самое можно сказать и о величине начального тока стока IDSS. Таким образом может оказаться, что прямое измерение статических параметров полевого транзистора особого практического смысла не имеет, поскольку эти параметры не описывают с достаточной точностью передаточную характеристику транзистора.

На практике при проектировании схем усилительных каскадов на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом на затворе режим их работы никогда не выбирают таким, чтобы напряжение затвор-исток VGS было близким к напряжению отсечки VGS(off) или к нулю. Следовательно, нет никакой необходимости описывать передаточную характеристику (1) на всём её протяжении от ID=0 до ID=IDSS, достаточно сделать это для некоего рабочего участка от ID1=ID(VGS1) до ID2=ID(VGS2). Для этого решим следующую задачу.

Пусть путём измерения получены значения тока стока ID1 и ID2 соответственно для двух отстоящих друг от друга значений напряжения затвор-исток VGS1 и VGS2:

(9)

Решив систему уравнений (9) относительно значений начального тока стока и напряжения отсечки мы получим более соответствующие реальной передаточной характеристике параметры формулы (1).

Сначала определим значение . Для этого разделим второе уравнение на первое чтобы сократилось и получилось одно уравнение с одним неизвестным, которое решаем:

 

Таким образом искомое значение напряжения отсечки для формулы (1) определяется выражением:

(10)

А соответствующее значение начального тока стока вычисляется путём подстановки полученного по формуле (10) значения напряжения отсечки в следующее выражение, полученное из формулы (1):

(11)

Экспериментальные данные

Вычисленные по формулам (10) и (11) значения напряжения отсечки и начального тока стока после подстановки в формулу (1) должны дать более точное соответствие этой формулы передаточной характеристике реального полевого транзистора. Чтобы это проверить были проведены контрольные измерения параметров двенадцати полевых транзисторов четырёх типов - по три транзистора каждого типа.

Порядок измерений для каждого транзистора был следующим. Сначала измерялись начальный ток стока IDSS и напряжение отсечки VGS(off) полевого транзистора. Затем были измерены значения напряжений затвор-исток VGS1 и VGS2 для двух соответствующих им значений тока стока ID1 и ID2, несколько отстоящих от нулевого значения при VGS=VGS(off) и начального тока стока IDSS. Подстановка VGS1, VGS2, ID1 и ID2 в формулы (10) и (11) давала искомые значения и . Чтобы иметь возможность затем сравнить, какая же пара параметров полевого транзистора, - IDSS и VGS(off) или и , - после подстановки в формулу (1) даёт более точное соответствие этой формулы передаточной характеристике реального полевого транзистора, ток стока полевого транзистора устанавливался примерно равным половине измеренного значения его начального тока стока IDSS, то есть где-то посередине передаточной характеристики транзистора, с последующим измерением соответствующего этому току напряжения затвор-исток. Полученные таким образом значения ID0 и VGS0 - это координаты произвольно выбранной рабочей точки полевого транзистора на его передаточной характеристике. Осталось подставить теперь значение VGS0 в формулу (1) сначала с парой параметров IDSS и VGS(off), а затем с и , и сравнить оба вычисленных значения тока стока с измеренным ID0.

Результаты измерений параметров двенадцати полевых транзисторов приведены в таблице ниже.

Транзистор Измеренные значения статических параметров Значения статических параметров по формулам
(10) и (11)
VGS0,
В
ID0,
мА
Значение тока стока ID, вычисленное по формуле (1) с параметрами
IDSS и VGS(off)
Значение тока стока I'D, вычисленное по формуле (1) с параметрами
I'DSS и V'GS(off)
IDSS,
мА
VGS(off),
В
I'DSS,
мА
V'GS(off),
В
ID,
мА
Ошибка,
%
I'D,
мА
Ошибка,
%
1 КП303В 2,95 -1,23 2,98 -1,35 -0,40 1,52 1,33 -12,5 1,47 -3,6
2 КП303В 2,89 -1,20 2,95 -1,32 -0,40 1,48 1,28 -13,1 1,43 -3,2
3 КП303В 2,66 -1,16 2,70 -1,24 -0,36 1,41 1,26 -10,2 1,35 -3,8
4 2П303Е 12,06 -4,26 12,73 -4,90 -1,49 6,49 5,09 -21,5 6,16 -5,2
5 2П303Е 11,24 -3,94 11,69 -4,50 -1,37 6,06 4,79 -20,9 5,67 -6,5
6 2П303Е 10,92 -3,77 11,26 -4,31 -1,29 5,91 4,73 -20,0 5,53 -6,3
7 2N3819 10,64 -3,47 10,76 -3,91 -1,08 5,90 5,05 -14,4 5,64 -4,4
8 2N3819 10,22 -3,51 10,29 -3,90 -1,06 5,73 4,98 -13,1 5,46 -4,8
9 2N3819 10,30 -3,38 10,46 -3,80 -1,07 5,67 4,81 -15,2 5,40 -4,8
10 2N4416A 8,79 -2,98 9,05 -3,27 -1,04 4,46 3,71 -16,9 4,20 -5,9
11 2N4416A 10,10 -3,22 10,31 -3,55 -1,18 4,98 4,04 -19,0 4,58 -8,0
12 2N4416A 10,92 -3,93 12,66 -4,32 -1,63 5,36 4,09 -23,6 4,92 -8,2

Выделенные цветом значения погрешностей говорят сами за себя. Если же сравнивать графики передаточной характеристики, подобные приведенному на рис.2, то линия, построенная по значениям (;), пройдёт гораздо ближе к точке (VGS0;ID0), чем построенная по измеренным значениями напряжения отсечки и начального тока стока (VGS(off);IDSS).

Результаты будут ещё более точными, если в качестве точек (VGS1;ID1) и (VGS2;ID2) взять границы более узкого отрезка передаточной характеристики полевого транзистора, на котором он будет работать в реальной схеме. Особо следует отметить, что данный метод определения статических параметров полевых транзисторов незаменим для транзисторов с большим начальным током стока, например для таких как J310.

Литература:

  1. Бочаров Л.Н., "Полевые транзисторы" ; Москва, издательство "Радио и связь", 1984;
  2. Титце У., Шенк К., "Полупроводниковая схемотехника"; перевод с немецкого; Москва, издательство "Мир", 1982.

pdf-версия статьи
Скачать pdf-версию (238к)

См. также:

Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru Яндекс цитирования
Приставка к вольтметру для измерения параметров полевых транзисторов
Печатная плата для самостоятельной сборки из недорогих и доступных деталей.
100 руб.