Статические характеристики. Важнейшими для полевых транзисторов являются семейства выходных статических характеристик и семейство статических характеристик передачи (сток – затворные
Важнейшими для полевых транзисторов являются семейства выходных статических характеристик и семейство статических характеристик передачи (сток – затворные характеристики).
Выходные статические характеристики ПТУП – это зависимость тока 
от напряжения сток – исток 
при различных постоянных напряжениях на затворе 
.
(2.6)
Начнем с характеристики при 
(рис. 6).
Напряжение только при коротком замыкании истока и затвора. Характеристика выходит из начала координат под углом, определяемым начальным сопротивлением канала и сопротивлениями 
И и 
участков полупроводника от истока и стока до начальной и конечной точек канала (x = 0 и x = 1 на рис. 5, а)
Первую часть характеристики называют крутой частью, и зависимость тока 
уже обсуждалась (область < 
). Часть характеристики при > называют пологой частью или участком насыщения.
Отметим еще раз условность термина “перекрытие” канала. Как мы видели сужение канала при и при увеличении является следствием роста тока стока. Если исчезнет ток, то не будет и перекрытия. Поэтому можно считать, что с ростом тока стока (или 
) автоматически устанавливается некоторое минимальное сечение канала со стороны стокового электрода. При дальнейшем росте увеличивается длина этого суженного участка канала и растет статическое сопротивление канала, поэтому ток стока остается практически неизменным.
При подаче на затвор обратного напряжения уменьшается начальное поперечное сечение канала, т.е. сопротивление канала возрастает. Поэтому и наклон начальных участков ВАХ при 
уменьшается, что соответствует большему начальному сопротивлению канала.
При меньших начальных сечениях перекрытие канала из – за роста напряжения на стоке наступает при меньших значениях .
При больших напряжениях на стоке может возникать пробой p – n перехода затвора. Обратное напряжение на p – n переходе максимально у стокового конца канала и равно 
. Поэтому пробой p – n перехода происходит при разных напряжениях на стоке 
, зависящих от величины 
. Чем больше , тем меньше 
. Этот процесс соответствует третьей части ВАХ на рис.6, соответствующей быстрому росту тока стока . Большинство полевых транзисторов кремниевые , поэтому пробой в них носит лавинный характер.
Сток – затворные или характеристики передачи ПТУП представляют зависимость тока стока от напряжения на затворе при различных постоянных напряжениях на стоке . Так как основным рабочим режимом является режим насыщения тока стока, то наибольшее значение имеет зависимость
(2.7)
Характер этой зависимости ясен из принципа работы транзистора: с ростом ток стока уменьшается. Изменение напряжения на стоке весьма незначительно изменяет положение характеристики передачи из – за малого изменения тока стока в пологой части ВАХ.
Напряжение ПТУП, при котором ток стока достигает заданного низкого значения, называется напряжением отсечки транзистора 
.
По статической характеристике передачи можно определить еще один важный параметр полевого транзистора, характеризующий его усилительные свойства – крутизну характеристикиполевого транзистора 
, равную отношению приращения тока стока к приращению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком
(2.8)
Получим аналитическое выражение выходных статических характеристик ПТУП. Пренебрегая объемными сопротивлениями участков кристалла между истоком, стоком и границами канала, обозначенными 
и , рабочую часть транзистора можно упрощенно изобразить в виде рис.8.
Плотность тока в кристалле
(2.9)
где: 
- удельная проводимость канала; 
- потенциал точки в канале; Е – напряженность электрического поля.
В первом приближении не учитываем зависимость удельной проводимости от напряженности электрического поля, т.е. не учитываем изменение подвижности носителей заряда. Плотность тока в канале изменяется по его длине, т.к. изменяется сечение канала и напряженность поля.
Ток в канале транзистора, одинаковый по всему каналу,
, (2.10)
где: b – ширина канала.
Толщина канала (2.4) в обозначениях, принятых на рис.8, запишется:
(2.11)
Подставив (2.11) в (2.10) для модуля тока стока получим:
(2.12)
Решив это дифференциальное уравнение с граничными условиями: 
, 
; 
, 
получим уравнение выходной характеристики:
(2.13)
где: 
- сопротивление участка сток – исток в открытом состоянии, т.е. при и малом напряжении на стоке < .
Из (2.13) можно найти ток насыщения полевого транзистора. Как отмечалось, перекрытие канала наступает при напряжении , поэтому режим насыщения наступит при условии
,
или при напряжении на стоке
. (2.14)
Если в (2.13) заменить на и на по (2.14), то получим связь между током и напряжением насыщения
(2.15)
На рис.6 штриховая кривая показывает эту зависимость 
.
Важно знать и зависимость тока насыщения от напряжения на затворе, т.е. сток – затворную характеристику. Она получается из выражения (2.13), если в него подставить 
из (2.14)
(2.16)
Дифференцируя (2.16) по , получаем крутизну характеристики
(2.17)
Анализ соотношения (2.17) позволяет сделать некоторые выводы:
1. Для увеличения крутизны характеристики следует уменьшить сопротивление 
, т.е. повышать удельную проводимость . Этого можно добиться увеличением концентрации примеси в канале. С другой стороны, концентрация примеси (и носителей) в канале должна быть много меньше, чем в n – областях p – n переходов, чтобы при увеличении обратного напряжения ОПЗ распространялась преимущественно в область канала. Поэтому для повышения проводимости канала выбирают материал с большей подвижностью носителей, сохраняя невысокую их концентрацию.
2. Значение крутизны зависит от отношения ширины канала к его длине 
. Увеличение отношения 
позволяет повысить крутизну характеристики и ток насыщения ПТУП.
3. Повысить крутизну можно увеличением толщины канала 
. Но в этом случае резко возрастут напряжения отсечки и граничное ( и ), определяющие выход ПТУП в режим насыщения – основной рабочий режим ПТУП. Напряжение отсечки должно быть малым, поэтому толщину канала делают небольшой, хотя это и снижает крутизну характеристики ПТУП.