3. ТРАНЗИСТОРЫ

3.1. Общие сведения о транзисторах

В 1948г. Д.Бардин и В.Браттейн, работая с точечным p-n переходом, обнаружили, что устройство с двумя p-n переходами способно создавать усиление электрических колебаний по мощности. Они назвали это устройство транзистором (от английских слов: "transfer" - преобразователь и "resistor" - сопротивление). В настоящее время транзистором называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n переходами и с тремя или более выводами.
По конструкции транзисторы могут быть как точечными, так и плоскостными, однако, хотя точечные транзисторы появились первыми, нестабильность их работы привела к тому, что в настоящее время выпускаются только плоскостные транзисторы.
Плоскостной транзистор представляет собой монокристалл полупроводника, в котором две области с проводимостью одного типа разделены областью с проводимостью противоположного типа. Таким образом могут быть получены структуры p-n-p и n-p-n (см.рис.3.1 а и б).

Каждая область имеет название:
область 1 - эмиттер (Э);
область 2 - база (Б);
область 3 - коллектор (К).

Между областями с разным типом проводимости образуются p-n переходы.
P-n переход, образующийся между эмиттером и базой, называется эмиттерным переходом (ЭП); p-n переход, образующийся между базой и коллектором, называется коллекторным переходом (КП).
Для соединения с внешней электрической схемой эмиттер, база коллектор имеют выводы, представляющие собой невыпрямляющие (омические) контакты полупроводника с металлом. Вся система помещается в герметизированный корпус, а выводы электродов выводятся наружу.

Эмиттерный и коллекторный переходы могут быть получены различными методами. От метода получения переходов зависит распределение примеси в области базы. Если концентрация примеси в области базы распределяется равномерно (например, при получении p-n переходов методом сплавления), то, с известной долей пренебрежения, можно считать, что электрическое поле в базе отсутствует.

Если концентрация примеси в области базы распределена неравномерно (что происходит при создании p-n переходов с помощью диффузионных процессов), то это приводит к появлению электрического поля, величина которого зависит от характера неравномерности распределения примеси. Максимальное постоянное электрическое поле в области базы появляется при экспоненциальном распределении концентрации примеси.
Транзисторы с однородным распределением концентрации примесей в базе (электрическое поле базы практически отсутствует) называются бездрейфовыми.
Транзисторы с неоднородным распределением концентрации примеси в базе (существует электрическое поле базы) называются дрейфовыми.
Как на эмиттерный, так и на коллекторный переходы может быть подано либо прямое, либо обратное напряжение. В зависимости от знака напряжения, подаваемого на эмиттерный и коллекторный переходы, различают три режима работы транзистора:
1) режим насыщения - на оба p-n перехода подано прямое напряжение;
2) режим отсечки - на оба p-n перехода подано обратное напряжение;
3) активный режим - на один из переходов подано прямое напряжение, а на другой - обратное.
В режиме насыщения, когда на эмиттерный и коллекторный переходы подается прямое напряжение, потенциальный барьер снижается, и через переходы в область базы инжектируются неосновные носители заряда - дырки в случае транзистора p-n-p. В результате база насыщается неосновными носителями, транзистор ведет себя как малое сопротивление, и токи через него ограничиваются в основном за счет элементов внешней цепи.
В активном режиме обычно на эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный переход - обратное (хотя возможно и так называемое инверсное включение, когда на ЭП подается обратное напряжение, а на КП - прямое). В этом случае эмиттер инжектирует в базу неосновные носители заряда-дырки, причем их количество (концентрация) зависит от величины напряжения, приложенного к эмиттерному переходу. Диффузионно передвигаясь в базе, почти все неосновные носители (лишь небольшая часть рекомбинирует с основными носителями заряда базы) достигают коллекторного перехода. Т.к. электрическое поле коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, является ускоряющим для неосновных носителей, то они "проталкиваются" через переход и собираются в коллекторе.
Таким образом, ток через транзистор в основном является током неосновных носителей заряда, величина которого определяется величиной прямого напряжения, приложенного к эмиттерному переходу. То обстоятельство, что этот ток протекает через ЭП, имеющий малое сопротивление, и КП, имеющий большое сопротивление, создает условия, позволяющие получить усиление напряжения и мощности электрических сигналов.
Из сказанного следует, что транзистор может быть использован как усилитель электрических колебаний, при этом работает в активном режиме, и как переключатель - в момент прохождения импульса он работает в режиме насыщения, в промежутке между импульсами - в режиме отсечки, и в момент переключения - в активном режиме.
Транзистор может работать как в прямом (на ЭП подается прямое напряжение, на КП -обратное), так и в инверсном включении, когда роль эмиттера выполняет коллектор, а роль коллектора- эмиттер. Инверсное включение представляет практический интерес при использовании транзистора в качестве малотокового переключателя.
При работе транзистора в качестве усилителя такое включение чаще всего нецелесообразно.

3.2. Физические процессы в биполярном транзисторе
типа p-n-p

Рассмотрим движение носителей заряда через структуру транзистора, которые протекают в выводах эмиттера, базы и коллектора, при условии, что на ЭП подано прямое напряжение, а на КП - обратное (т.е. транзистор работает в активном режиме).
Значение токов, протекающих через структуру транзистора, определяется не только напряжениями, которые подаются на эмиттерный и коллекторный переходы, но и взаимодействием этих переходов между собой. Взаимодействие переходов, в свою очередь, зависит от расстояния между ними, т.е. от ширины области базы - W.

На рисунке 3.3 показаны движение носителей заряда в структуре p-n-p транзистора и токи, протекающие во внешних выводах.
Если ширина базы W меньше диффузионной длины пробега неосновных носителей заряда в базе (рис.3.3 ), то значение тока, протекающего через КП, определяется следующими причинами:
1) т.к. в этом случае ширина базы гораздо меньше ширины области коллектора, то и количество неосновных носителей заряда, возникающих при данной температуре в области базы ( ), будет гораздо меньше количества неосновных носителей заряда, возникающих в области коллектора ( ), и можно считать, что

, где J_ko ток неосновных носителей заряда koп

2) дырки, которые диффузионно переходят из эмиттера в базу над снизившимся потенциальным барьером эмиттерного перехода, в базе продолжают двигаться диффузионно в основном в сторону коллекторного перехода. А т.к. ширина базы меньше их диффузионной длины пробега, то они достигнут коллекторного перехода в количестве тем больше, чем меньше ширина базы. Однако, вследствие дисперсии, т.е. беспорядочного теплового движения носителей, какая-то часть дырок не доходит до КП из-за процесса рекомбинации на поверхности, у базового вывода или в толще базы, в следствии этого в цепи базы появляется базовый ток . Величина, характеризующая долю тока эмиттера, достигающую коллекторного перехода. называется коэффициентом передачи постоянного тока эмиттера и обозначается .

Тогда ток коллектора:

Таким образом, ток через КП для случая (для p-n-p транзистора) является суммой двух составляющих - тока дырок, инжектированных из эмиттера в базу, и нулевого коллекторного тока .
В толщине базы протекает и рекомбинационный ток, но в силу того, что процесс рекомбинации в базе резко уменьшается, рекомбинационная составляющая тока базы тоже мала .
Соответственно во внешних выводах эмиттера, базы и коллектора будут протекать токи:
вывод эмиттера ,
вывод коллектора ,
вывод базы

где - является рекомбинационной составляющей тока базы, величина которой зависит от величины прямого напряжения, приложенного к ЭП.
- ток неосновных носителей заряда, величина которого от приложенного напряжения почти не зависит.
Если p-n-p транзистор, работающий как усилитель электрических колебаний, включен в схему так, как это показано на рис.3.4, то включение последовательно с источником переменного напряжения приведет к появлению переменных составляющих тока эмиттера , тока коллектора и тока базы , которые будут накладываться на постоянные составляющие. Так же как и постоянные токи, протекающие через p-n-p транзистор, переменные токи являются функциями напряжения. Если на вход подается синусоидальное напряжение, то оно вызовет синусоидальные изменения плотности дырок в эмиттерном и коллекторном переходах, т.е. синусоидальные изменения переменных токов эмиттера, коллектора и базы.

Переменный ток, протекающий через ЭП, равен сумме электронного и дырочного токов, причем для p-n-p транзистора только дырочная составляющая проходит последовательно ЭП, обладающий малым сопротивлением и КП, обладающий большим сопротивлением, т.е. создает условия для усиления электрических колебаний.
Поэтому на практике для характеристики усилительных свойств транзистора пользуются коэффициентом передачи тока эмиттера или, как его иначе называют, коэффициентом усиления по току a, который является отношением общего коллекторного переменного тока к общему эмиттерному переменному току в режиме короткого замыкания коллектора на базу по переменному току.

3.3. Основные схемы включения транзистора

Транзистор имеет 3 вывода и может включатся в схему тремя различными способами, т.к. каждый из трех выводов может быть использован как общий (заземленный). Соответственно каждая из схем включения называется: 1) схема с общей базой (ОБ), (общий электрод- база), 2) схема с общим эмиттером (ОЭ) (общий электрод- эмиттер), 3) схема с общим коллектором (ОК) (общий электрод- коллектор).
Т.к. в транзисторе усиление возможно только при протекании через него тока в одном направлении (через малое сопротивление ЭП и большое сопротивление КП), то одним из двух входных выводов обязательно должна быть база, а одним из двух выходных выводов - коллектор (см. рис. 3.5 а, б,в).

На рис.3.5 (а, б, в) показаны три схемы включения транзистора по постоянному току. Независимо от способа включения по постоянному току возможны также три схемы включения транзистора по переменному току.
В последнем случае схема имеет общий электрод для входного и выходного переменных сигналов, причем, так же как и для постоянного тока вывод базы должен быть одним из входных, а вывод коллектора - одним из выходных.

3.4. Способы описания свойств транзистора,
работающего в активном режиме при малом переменном сигнале

Для расчета поведения транзистора в различных цепях необходимо знать зависимость протекающих через него токов от приложенных напряжений.
Постоянные токи, протекающие через транзистор, являются нелинейными функциями приложенных напряжений. Но, если на постоянные составляющие накладываются переменные сигналы с амплитудами малыми по сравнению со значениями постоянных составляющих, между переменным входным напряжением и переменным выходным током будет существовать линейная зависимость. и работа транзистора будет иметь линейный характер. Поэтому работу транзистора на переменном токе можно охарактеризовать, представив его в виде активного линейного четырехполюсника. Свойства четырехполюсника характеризуются системой двух уравнений, связывающих токи и напряжения на входе и выходе. Замена транзистора эквивалентным четырехполюсником является одним из способов описания его свойств.
Вторым способом является описание свойств транзистора с помощью эквивалентных схем (схем замещения). В этом случае транзистор представляется в виде эквивалентной цепи, состоящей из ряда электрических элементов, включенных так, что в совокупности они имитируют действие транзистора.
И, наконец, наиболее общим, наиболее наглядным и наиболее часто применяющимся способом определения свойств транзистора, является экспериментальное снятие статических вольтамперных характеристик.
Все три указанных способа описания свойств транзистора должны быть взаимно эквивалентны, т.е. при исследовании транзистора с помощью любого из этих способов должны получаться одинаковые результаты.

3.5. Статические характеристики транзистора

Статические характеристики представляют собой графики экспериментально полученных зависимостей между токами, протекающими в транзисторе, и напряжениями на его p-n переходах при .
Как уже говорилось, зависимость постоянных токов, протекающих в транзисторе, от приложенных напряжений нелинейна, т.е. статические вольтамперные характеристики нелинейны.
Как следует из 3.3, входные и выходные токи и напряжения различны для различных схем включения транзистора. Каждая из схем включения может быть охарактеризована четырьмя семействами статических характеристик. Практически обычно пользуются входными и выходными характеристиками для схем с ОБ и ОЭ.
Рассмотрим статические характеристики транзистора, включенного по схеме с ОБ, для которой входной цепью является цепь эмиттера, т.е. , а выходной цепью - цепь коллектора, т.е. .
Входная характеристика описывается соотношением:

В этом случае они имеют вид, показанный на рис.3.6. Вид характеристики, снятой при , соответствует прямой ветви вольтамперной характеристики одиночного p-n перехода.

При входные характеристики сдвигаются влево относительно начала координат. Это объясняется тем, что если на КП подано обратное напряжение, то между эмиттерным и коллекторным переходами возникает обратная связь по напряжению, т.е. изменения обратного напряжения на КП приводят к изменению прямого напряжения на ЭП, и напряжение, фактически приложенное к ЭП, ( ) не равно напряжению, подаваемому от эмиттерной батареи ( ). Элементом связи, т.е. элементом, который является общим для цепи Э-Б и цепи К-Б, служит объемное сопротивление базы , по которому протекает ток базы. Протекая по объемному сопротивлению базы, базовый ток создает падение напряжения и напряжение, фактически приложенное к эмиттерному переходу, оказывается меньше, чем напряжение эмиттерной батареи на величину , т.е.

Если на КП подается обратное напряжение, то он расширяется, причем преимущественно в сторону базы (т.к. концентрация примесей в базе мала), и ширина базы W уменьшается. Уменьшение W вызывает уменьшение процесса рекомбинации неосновных носителей в толще базы, т.е. уменьшение рекомбинационной составляющей тока базы и - возрастает.

Таким образом, изменение обратного напряжения коллекторного перехода влечет за собой изменение , а значит изменение тока эмиттера. В результате характеристики, снятые при , идут левее, и диффузионная составляющая тока через ЭП протекает даже при , в том случае, если на ЭП подано обратное напряжение -, т.е. , если фактическое напряжение на переходе .

Следует отметить, что влияние увеличения обратного коллекторного напряжения вызывает существенное смещение входных характеристик только при небольших значениях . При характеристики практически сливаются, т.к. расширение коллекторного перехода приводит не только к уменьшению тока базы, но и к увеличению сопротивления базы.
Рассмотрим ход статических выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОБ, ход которых показан на рис.3.7 .

Вид характеристики, снятой при , соответствует обратной ветви вольтамперной характеристики одиночного p-n перехода. В этом случае , где - нулевой коллекторный ток.
Если , то значения тока коллектора увеличиваются за счет носителей заряда, инжектированных из эмиттера в базу . В этом случае коллекторный ток протекает и при . Для того, чтобы уменьшить значение коллекторного тока до нуля, необходимо подать на коллекторный переход прямое напряжение, при этом потенциальный барьер перехода снизится, и навстречу потоку неосновных носителей заряда потечет поток основных носителей заряда; при равенстве этих потоков коллекторный ток равен нулю.
При увеличении обратного напряжения на коллекторе характеристики, снятые при J_э=const, имеют небольшой подъем, т.е. ток коллектора возрастает при увеличении напряжения на коллекторе. Это объясняется тем, что с увеличением обратного коллекторного напряжения растет ширина коллекторного перехода (в основном в сторону базы), уменьшается рекомбинация неосновных носителей в толще базы, уменьшается рекомбинационная составляющая тока базы, и ток коллектора при несколько растет. Характеристики, снятые через равные интервалы изменения тока эмиттера, располагаются неравномерно: чем больше значения эмиттерного тока, тем ближе друг к другу располагаются характеристики. Это объясняется тем, что возрастание эмиттерного тока приводит к увеличению рекомбинации, а значит к уменьшению коллекторного тока.
При больших значениях J_k коллекторного напряжения возрастает за счет лавинного умножения носителей заряда в коллекторном переходе.
Большую роль в работе транзистора играет обратный неуправляемый ток коллекторного перехода , который является частью коллекторного тока при любом значении тока эмиттера. Т.к. представляет собой ток неосновных носителей заряда, число которых непосредственно зависит от температуры, то его существование предопределяет температурную нестабильность работы транзистора.
Рассмотрим ход статических входных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОЭ . В этом случае они имеют вид, показанный на рис. 3.8.

Рассмотрим ход характеристики, снятой при . Если на коллекторную p-область подан нулевой, а на базовую n-область - отрицательный потенциал (т.е. ), то коллекторный переход находится под прямым напряжением, и через него протекает диффузионная составляющая тока (ток основных носителей заряда), которая замыкается через базу .
Через эмиттерный переход, на который от батареи подается прямое напряжение, также протекает диффузионная составляющая тока, причем, т.к. подача для схемы с ОЭ означает короткое замыкание между коллектором и эмиттером, ток эмиттера тоже замыкается через базу. При изменении - каждый из этих токов изменяется в соответствии с ходом прямой ветви вольтамперной характеристики p-n перехода. В базовом выводе эмиттерный и коллекторные токи протекают в одном направлении, т.е. и входная характеристика, снятая при , представляет собой прямую ветвь в/а характеристики двух параллельно включенных p-n переходов.
Если входная характеристика снимается при каком-то значении обратного коллекторного напряжения , то коллекторный переход подается обратное напряжение. В этом случае ток коллектора меняет свое направление, ток эмиттера замыкается через цепь коллектора, и ток базы является суммой двух противоположно направленных составляющих, рекомбинационной и тока .
При рекомбинационная составляющая тока базы и в цепи базы протекает только ток . После того, как на эмиттерный переход подано прямое напряжение , появляются эмиттерный ток и рекомбинационная составляющая тока базы по величине меньшая, чем ток . В цепи базы протекает разностный ток . При увеличении рекомбинационная составляющая растет, разностный ток уменьшается, и при ток базы равен нулю. При дальнейшем увеличении ток базы меняет свое направление, и в цепи базы протекает разностный ток уменьшается и при .
При увеличении обратного напряжения коллекторного перехода входные характеристики сдвигаются от начала координат вправо и вниз.
Сдвиг характеристик вниз объясняется тем, что значения растут при увеличении обратного напряжения коллекторного перехода т.к. расширение перехода в сторону базы уменьшает рекомбинацию, в результате чего, увеличивается коэффициент передачи эмиттерного тока , и значения растут.
Сдвиг характеристик вправо объясняется тем, что уменьшение рекомбинационной составляющей тока, базы и равенство достигается при больших значениях .
Обычно в справочниках приводятся семейства входных характеристик, снятых при , причем область отрицательных значений тока базы часто не изображаются.
Рассмотрим статические выходные характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ ход которых показан на рис.3.9.

Характеристика, снятая при представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики коллекторного перехода, снятую при открытом эмиттерном переходе для случая, когда .
Характеристика, снятая при . соответствует точкам характеристики, снятой при . Ее ход практически определяет границу области отсечки. Область между областью отсечки и активной областью; в ней значения тока коллектора меняются от I_ко до I^`_ко . Характеристики, снятые при I_б > 0 , не проходят через начало координат, т.к. для того, чтобы при U_кэ=0 получить данное значение I_б = const надо подать на базу какое-то отрицательное напряжение U_бэ. В этом случае , коллекторный переход открывается и через него проходит некоторый отрицательный ток, являющийся разностью I_диф - I_пров. Т.к. этот ток очень мал, то практически считают выходные характеристики для схемы с ОЭ выходящими из нуля.
Если на коллекторный переход подается обратное напряжение по величине меньшее, чем напряжение U_бэ, то коллекторный переход продолжает оставаться открытым и навстречу потоку неосновных носителей заряда движется поток основных носителей заряда (диффузионная составляющая тока), который уменьшается при увеличении обратного напряжения U_кэ (т.е. при уменьшении прямого падения напряжения на КП). В результате ток через коллекторный переход (I_диф - I_пров. ) растет. При каком-то значении U_кэ осуществляется равенство:

после чего при увеличении U_кэ на коллекторный переход фактически подается обратное напряжение и через него проходит только поток неосновных носителей заряда, величина которого в основном зависит от U_бэ .
Возрастание тока коллектора при дальнейшем увеличении обратного напряжения Uкэ объясняется тем, что при расширении коллекторного перехода уменьшается рекомбинация в базе, в результате чего уменьшается ток базы. Уменьшение тока базы увеличивает значения тока коллектора, т.к. I_к = I_э + I_б и, кроме того, для поддержания I_б=const необходимо увеличивать U_бэ, что приводит к росту тока эмиттера, а значит и тока коллектора.
Увеличение обратного напряжения на коллекторном переходе приводит в конце концов к резкому увеличению тока коллектора - пробою КП.
Так же, как и для схемы с ОБ, семейства входных и выходных характеристик, снятые для схемы с ОЭ, являются основными. Характеристики обратной связи по напряжению и прямой передачи по току могут быть графически построены по семейству входных или семейству выходных характеристик соответственно.
Статические характеристики транзистора включенного по схеме с ОК незначительно отличаются от характеристик для схемы с ОЭ, что позволяет производить расчет рабочих режимов для схемы с ОК по характеристикам для схемы с ОЭ.
Кроме того, характеристики, снятые для схемы с ОЭ, позволяют более точно получить путем пересчета значения всех токов и напряжений, т.к. они дают точные значения I_б и U_бэ , тогда как для схем с ОБ и ОК эти маленькие величины пришлось бы определять как разность больших величин, причем неизбежно вносилась бы большая погрешность.
Таким образом, характеристики для схемы с ОЭ дают более точные данные о работе транзистора.
В силу этих причин семейства характеристик, снятые для схемы с ОЭ, считаются основными и наиболее часто приводятся в справочниках.

3.6. Влияние температуры на статические характеристики транзистора

Параметром наиболее сильно изменяющимся при изменении температуры является нулевой коллекторный ток I_ко. Т.к. изменения тока I_ко влекут за собой изменения тока коллектора. то очевидно, что температурная зависимость Iко приводит к общей температурной нестабильности работы транзистора. Можно было бы подумать, что эта температурная нестабильность несущественна, т.к. I_ко<< I_к . Однако, это не так. Ток I_ко представляет собой ток неосновных носителей заряда, т.е. возникает за счет собственной электропроводности полупроводника, которая в зависимости от температуры изменяется по экспоненте.
Экспоненциальное изменение Iко при изменении температуры приводит к существенным изменениям режима работы транзистора, т.к. I_ко может сильно возрасти без резкого увеличения температуры.
Ток I_ко является единственным параметром транзистора, значения которого экспоненциально зависят от температуры. Однако в результате того, что электропроводность полупроводников в сильной степени зависит от температуры, существует также температурная зависимость коэффициентов передачи тока a₀ и b₀, значения которых несколько возрастают при увеличении температуры.
Температурная зависимость статических характеристик особенно сильно проявляется, для схем с ОЭ.

3.7. Полевые транзисторы

Транзисторы этого типа являются униполярными в отличие от рассмотренных ранее бездрейфовых и дрейфовых транзисторов, в принципе работы которых лежит использование носителей заряда двух типов: электронов и дырок, и которые поэтому называются биполярными. В униполярных транзисторах явление инжекции не используется и в принципе их работы лежит использование носителей заряда одного знака - или электронов, или дырок. Они называются также полевыми, т.к. управление током производится путем изменения электрического поля.
Рассмотрим принцип действия полевого транзистора с p-n переходом, в котором используются электроны (он одинаков с принципом действия полевого транзистора, в котором используются дырки). На рис.3.10 показано схематическое устройство полевого транзистора и цепи питания.

Из рис.3.10 следует, что полевой транзистор представляет собой трехполюсное устройство с двумя невыпрямляющими контактами (сток и исток) и одним p-n переходом (затвор или управляющий электрод), к которому прикладывается обратное напряжение. Если n- полупроводнику приложено внешнее (выходное ) напряжение, то через него будет протекать ток основных носителей заряда I_вых. Так как p-n переход включен в обратном направлении и основные носителей заряда не могут преодолеть его потенциальный барьер, то ток основных носителей будет проходить только через невыпрямляющие контакты (носители перемещаются от истока к стоку, направление тока - от стока к истоку).
Величина тока I_вых зависит от двух причин:
а) от величины напряжения U_вых ;
б) от сопротивления полупроводника, по которому он протекает, и от величины сопротивления нагрузки Rн , если оно включено.
Если концентрация основных носителей и выходное напряжение остается постоянными, то значение сопротивления полупроводника для тока основных носителей зависит от площади его поперечного сечения. Площадь поперечного сечения в свою очередь зависит от следующих причин:
а) обычно основной полупроводник полевого транзистора выполняется из высокоомного материала; поэтому при подаче на затвор обратного напряжения p-n переход имеет большую ширину и расширяется главным образом в сторону основного полупроводника. Чем больше обратное напряжение, поданное на затвор, тем шире p-n переход, тем уже поперечное сечение полупроводника (канал), по которому проходит ток, т.е. тем больше сопротивление полупроводника протекающему току. Таким образом, сопротивление канала, по которому протекает ток основных носителей заряда зависит от величины обратного напряжения, поданного на затвор;
б) другой причиной изменения площади поперечного сечения, а значит и сопротивления канала, является падение напряжения на сопротивлении полупроводника при протекании выходного тока, в силу чего, напряжение, приложенное к p-n переходу, является суммой внешнего напряжения и внутреннего падения напряжения в объеме полупроводника.
Существование внутреннего падения напряжения обуславливает еще большее расширение p-n перехода (неравномерно распределяющееся по переходу: область перехода, расположенная ближе к стоку, будет шире, чем область перехода, расположенная ближе к истоку) и еще большее увеличение сопротивления канала, т.е. сопротивление канала, по которому протекает ток основных носителей заряда зависит от величины этого тока.
Таким образом, если увеличение выходного напряжения U_вых вызывает увеличение выходного тока, то одновременно возрастает внутреннее падение напряжения в объеме полупроводника, возрастает ширина p-n перехода, канал, по которому проходит ток, сужается и его сопротивление возрастает, ограничивая рост тока. Эти явления определяют ход статических выходных характеристик полевого транзистора , показанных на рис.3.11.

При увеличении выходного напряжения от нуля до какого-то значения U`вых (см.рис.3.11), величина выходного тока почти линейно возрастает, т.к. внутреннее падение напряжения еще невелико. Однако изменение ширины перехода происходит , и рост тока не следует закону Ома. С увеличением тока сечение канала изменяется все сильнее и более сильно воздействует на величину тока, уменьшая ее. После точки А сечение канала и его сопротивление существенно изменяется, ограничивая ток и в конце концов в точке В наступает динамическое равновесие, при котором увеличение тока, происходящее при увеличении выходного напряжения, компенсируется его уменьшением из-за возрастания сопротивления канала. Это явление называется насыщением канала. Выходное напряжение U<sup>``</sup><sub>вых</sub> , при котором наступает насыщение канала, называется напряжением насыщения. Для лучшего использования полевого транзистора значения напряжения насыщения должны быть возможно меньшими;
Если выходная характеристика снимается при Uвх №0 в этом случае при U<sub>вых</sub>=0 ширина p-n перехода определяется величиной приложенного обратного напряжения Uвх, начальное сечение канала уменьшится по сравнению со случаем, когда Uвх=0, а его сопротивление возрастает.
При U<sub>вых</sub>№0, когда появляется внутреннее падение напряжения вдоль канала, начальный участок характеристики (ОА<sup>`</sup>) будет иметь больший наклон, соответствующий большему сопротивлению канала. Соответственно существенное влияние внутреннего падения напряжения вдоль перехода на величину выходного тока начинает сказываться при меньших значениях выходного тока и выходного напряжения (точка А^{`</sup> на рис.3.11), и переход в область насыщения также произойдет при меньших значениях выходного напряжения (точка В<sup>`} на рис.3.11).
Восходящий участок характеристики называют областью проводимости канала, а пологий, как уже говорилось, областью насыщения.
Если на вход полевого транзистора подается переменное напряжение, а на выходе включено сопротивление нагрузки, то ширина p-n перехода и величина выходного тока будут изменяться в соответствии с изменением входного напряжения и на сопротивлении нагрузки также появится переменное напряжение I_выхR_н, т.е. полевой транзистор обладает усилительными свойствами и тем большими, чем глубже модуляция канала при тех же значениях входного напряжения. Для увеличения глубины модуляции ширина кристалла полупроводника должна быть соизмерима с шириной перехода, а его удельное сопротивление должно быть большим; для получения малой ширины канала p-n переход конструктивно выполняется в виде кольца, охватывающего кристалл (см. рис.3.12) .

Из рассмотрения принципа действия полевого транзистора и его выходных характеристик, можно сделать вывод, что он напоминает электронную лампу (затвор играет роль сетки, исток - катода, а сток - анода) и что схемы с полевым транзистором должны мало отличаться от схем с электронными лампами. Поэтому в качестве параметров полевого транзистора, так же как и для электронной лампы, применяют крутизну, внутреннее сопротивление и граничную частоту:
а) крутизна - характеризует эффективность управляющего действия затвора. Значение крутизны для полевого транзистора лежит в пределах 1 ё 20 ма/в;
б) внутреннее сопротивление переменному току при Uвх=const. В области насыщения внутреннее сопротивление может достигать порядка нескольких мегаом;
в) граничная частота fгр.
Так как ток в выходной цепи является током основных носителей заряда, то граничная частота не зависит от времени жизни неосновных носителей заряда и может быть больше, чем у биполярных транзисторов. Ее величина определяется временем прохождения носителей по каналу и постоянной времени входа

В выражении в понятие Cзатв. входит как входная емкость, характеризующая инерционность процесса перераспределения зарядов при изменении напряжения, так и емкость связи, которая, так же как и проходная емкость в электронной лампе, создает частотную зависимость обратной связи между выходом и входом и определяет частотные свойства прибора. В понятие Rзатв входит как дифференциальное сопротивление запертого p-n перехода, так и сопротивление связи, являющееся распределенным объемным сопротивлением полупроводника, которое, так же как и сопротивление базы в биполярных транзисторах, обусловливает наличие внутренней обратной связи между выходом и входом.
Как и в биполярных транзисторах, существование внутренней обратной связи усугубляет уменьшение величины входного сопротивления при повышении частоты.
Можно сказать, что предельная частота полевых транзисторов тем больше, чем меньше длина канала. Значения граничной частоты для полевого транзисторов доходят до тысяч мегагерц.
В настоящее время полевые транзисторы широко используются в схемах современной электронной аппаратуры. Этому способствует ряд их преимуществ перед биполярными транзисторами, которые появляются потому, что в полевых транзисторах не используется явление инжекции. К ним относятся:
а) высокое входное сопротивление порядка (106 ё109) ом (входные током является ток обратно смещенного p-n перехода);
б) высокая предельная частота;
в) малый собственности уровень шумов (0.5 ё 5) дб;
г) устойчивая работа при повышенном уровне радиации;
д) слабая зависимость параметров от температуры.
К недостаткам полевых транзисторов следует отнести существование обратной связи между выходной и входной цепями.
Еще более повысить входное сопротивление полевого транзистора, а также повысить эффективность управления током позволяет конструкция, в которой на поверхность полупроводника между источником стоком и истоком нанесен слой диэлектрика; на диэлектрик наносится металлический электрод-затвор. Такие приборы, конструкция которых показана на рис.3.12, называются МДП - транзисторами (металл - диэлектрик - полупроводник).
Между истоком и стоком транзисторов с изолированным затвором на поверхности полупроводника (на рис.3.12 n- полупроводника) располагается проводящий канал с противоположным типом проводимости канала при изменении потенциала металлического затвора.
Основным преимуществом полевого транзистора с изолированным затвором перед полевым транзистором с p-n переходом является более высокое значение величины входного сопротивления (порядка 1015 ом), которая определяется токами утечки через сопротивление изоляции между металлом и полупроводником и то, что величина входного сопротивление не зависит от полярности напряжения на затворе.