Обеспечение устойчивости рабочей точки: Стабилизация режимов работы каскадов на МДП транзисторах

Температурные зависимости характеристик МДП-транзисторов во многом похожи на уже рассмотренные нами зависимости для полевых транзисторов с управляющим переходом. В этом нет ничего странного, если вспомнить, что различия между данными двумя группами приборов состоят в основном в конструкции затвора. Т.е. физические эффекты, определяющие поведение транзистора при изменении температуры, практически одни и те же. К таким эффектам относятся: температурная зависимость подвижности носителей зарядов в полупроводнике, перераспределение носителей зарядов по энергиям и смещение уровня Ферми, температурная зависимость параметров диэлектрика, отделяющего затвор от канала; в транзисторах со встроенным каналом добавляются также эффекты на \(p\)-\(n\)-переходе канал—подложка.

Так же как и в полевых транзисторах с управляющим переходом, различные физические эффекты оказывают иногда противоположное влияние на характеристики МДП-транзистора. Например, с ростом температуры подвижность носителей заряда в полупроводнике уменьшается. Это означает увеличение сопротивления канала и падение тока через него. Но с другой стороны, перераспределение носителей зарядов по энергиям и смещение уровня Ферми полупроводника приводит к тому, что инверсный слой (индуцированный канал) образуется у поверхности полупроводника под затвором при меньшей напряженности электрического поля, т.е. при меньшем напряжении между затвором и истоком (пороговое напряжение или напряжение отсечки). И наконец, температурная зависимость параметров диэлектрика приводит к быстрому увеличению тока утечки затвора с ростом температуры, что негативно влияет на крутизну передаточной характеристики транзистора.

В результате всех указанных процессов статические характеристики передачи МДП-транзистора при различных температурах выглядят почти так же, как и статические характеристики описанных выше полевых транзисторов с управляющим переходом, а именно: с ростом температуры крутизна (наклон) характеристики падает, а пороговое напряжение уменьшается, причем существует точка (термостабильная точка) в которой противоположные эффекты компенсируются и ток через канал (ток стока) остается неизменным. Пример характеристик для \(p\)-канального МДП-транзистора с индуцированным каналом дан на рис. 2-2.23. Видно, что вблизи напряжения отсечки с ростом температуры ток стока растет. Обычно термостабильная точка расположена достаточно близко к начальному участку характеристики, так что рабочая точка каскада по постоянному току выбирается несколько выше — на участке, где с увеличением температуры ток стока падает. Это предотвращает саморазогрев транзистора (характерный для биполярных приборов), когда высокий ток через полупроводниковую структуру вызывает повышение ее температуры и, как следствие, дополнительный рост тока и т.д.

Рис. 2-2.23. Влияние температуры на сток-затворные характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом

Мы не приводим хдесь выходные характеристики МДП-транзистора, поскольку влияние температуры на них совершенно аналогично описанному для полевых транзисторов с управляющим переходом. Читатель может обратиться к рис. 2-2.17, чтобы увидеть эти зависимости.

На практике из-за ряда физических эффектов на затворе температурные зависимости параметров МДП-транзисторов оказываются несколько существеннее, чем у транзисторов с управляющими переходами, тем не менее они все равно остаются меньшими, чем температурные зависимости параметров биполярных транзисторов.

Типовые схемы обеспечения устойчивого положения рабочей точки под влиянием внешних дестабилизирующих воздействий для МДП-транзисторов будут выглядеть аналогично уже рассмотренным схемам для транзисторов с управляющими переходами.

Основным способом стабилизации рабочей точки здесь также является отрицательная обратная связь по току нагрузки, образуемая резистором в цепи протекания тока истока транзистора. И хотя, например, для МДП-транзисторов с индуцированным каналом включение такого резистора в цепь истока не является всегда обязательным требованием для корректного задания рабочей точки (можно обойтись и без него, подключив вывод истока напрямую к соответствующему полюсу источника питания, так же, как это имеет место в типичном каскаде с ОЭ на биполярном транзисторе), тем не менее на практике в подавляющем большинстве случаев во всех каскадах на МДП-транзисторах данный резистор присутствует (рис. 2-2.24, 2-2.25).

Рис. 2-2.24. Типовая схема смещения с ООС по току для каскада на МДП-транзисторе с индуцированным каналом \(p\)-типа

Рис. 2-2.25. Типовая схема смещения с ООС по току для каскада на МДП-транзисторе со встроенным каналом \(n\)-типа

Если же эффекта, получаемого от цепи ООС по току, оказывается недостаточно для температурной стабилизации рабочей точки каскада, то в схему может быть добавлена и ООС по напряжению. Такая ООС также реализуется совершенно аналогично уже рассмотренным схемам на полевых транзисторах с управляющими переходами (рис. 2-2.26, 2-2.27).

Рис. 2-2.26.  Типовая схема смещения с ООС по току и напряжению для каскада на МДП-транзисторе с индуцированным каналом \(p\)-типа

Рис. 2-2.27. Типовая схема смещения с ООС по току и напряжению для каскада на МДП-транзисторе со встроенным каналом \(n\)-типа

Для устранения влияния цепей ООС на сигналы в рабочем диапазоне частот могут применяться шунтирующие конденсаторы так же, как это показано на рис. 2-2.20. Для транзисторов с отдельным выводом от подложки и двухзатворных транзисторов возможны схемы с параметрической коррекцией крутизны передаточной характеристики по мере изменения температуры (наподобие схемы на рис. 2-2.22).