Высокочастотные параметры
В общем случае зависимость коэффициента h21Б от времени можно представить функцией
(8.10)
Это выражение не учитывает времени задержки tзд = tздa+ tздg. При учёте времени tзд функция (8.10) справедлива при t³ tзд; при t£ tзд функция h21Б (t)=0.
Частотная характеристика, соответствующая (8.10) имеет вид:
(8,11)
Здесь с – безразмерный коэффициент, зависящий от tздg и изменяющийся от 0,25, когда время tздg > tнр, и до 0,65, когда tздg » tнр.
Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики, соответствующие (8.10), имеют вид:
(8.12)
(8.13)
В выражениях (8.11) – (8.13) h21Б0 – коэффициент передачи тока на низкой частоте.
Величина fh21Б – называется предельной частотой коэффициента передачи тока в схеме с ОБ. Как следует из (8.12), fh21Б – это частота, на которой коэффициент h21Б – уменьшается по модулю в раз по сравнению с его значением на низкой частоте.
Частотные характеристики коэффициента h21Э в схеме ОЭ имеет вид, аналогичный (8.11) – (8.13):
(8.14)
(8.15)
(8.16)
В этих выражениях fh21Э – называется предельной частотой коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ. Как следует из (8.15), fh21Э – это частота, на которой коэффициент h21Э – уменьшается по модулю в раз по сравнению с его значением на низкой частоте.
Частота fh21Э значительно меньше fh21Б и связана с последней соотношением
(8.17)
Из (8.17) следует, что модуль êh21Э êбыстрей убывает с частотой, нежели модуль êh21Б ê, а фазовый сдвиг jh21Э между токами и значительно больше фазового сдвига между токами и . Эти выводы иллюстрируются векторной диаграммой токов в транзисторе (рис. 8.4).
M 2PFK6oLOh/HrezCq9saUqR8Dk6qfI2VljjJG5XoNQ7fpes/GJ3s2UO5RWAd9h+OLxEkD7jslLXZ3 Qf23LXOCEvXOoDk3o0mUMqRgMr0eY+AuM5vLDDMcoQoaKOmnq9A/oa11sm7wpr4dDNyhoZVMYkfn e1ZH/tjByYPja4tP5DJOu/7+E5Z/AAAA//8DAFBLAwQUAAYACAAAACEAyBIfed4AAAAKAQAADwAA AGRycy9kb3ducmV2LnhtbEyPwU7DMBBE70j8g7VIXFBrEyoaQpyqqkCcW7hwc+NtEhGvk9htUr6e 7YnedrSjmXn5anKtOOEQGk8aHucKBFLpbUOVhq/P91kKIkRD1rSeUMMZA6yK25vcZNaPtMXTLlaC QyhkRkMdY5dJGcoanQlz3yHx7+AHZyLLoZJ2MCOHu1YmSj1LZxrihtp0uKmx/NkdnQY/vp2dx14l D9+/7mOz7reHpNf6/m5av4KIOMV/M1zm83QoeNPeH8kG0bJWT8wSNSwVI1wM6csCxJ6PJF2ALHJ5 jVD8AQAA//8DAFBLAQItABQABgAIAAAAIQC2gziS/gAAAOEBAAATAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABb Q29udGVudF9UeXBlc10ueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADj9If/WAAAAlAEAAAsAAAAAAAAAAAAA AAAALwEAAF9yZWxzLy5yZWxzUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAN6CEko2AgAAWwQAAA4AAAAAAAAAAAAA AAAALgIAAGRycy9lMm9Eb2MueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAMgSH3neAAAACgEAAA8AAAAAAAAA AAAAAAAAkAQAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbFBLBQYAAAAABAAEAPMAAACbBQAAAAA= " o:allowincell="f" strokecolor="white"> R HlteySan8zR8fRMG2t7oIjakZ1L1e0xZ6ROPgbqeRN9tu1602VmfLRQHZNZC3+I4kripwX6npMX2 zqn7tmNWUKLeaVRnMZxMwjxEYzK9GaFhrz3baw/THKFy6inpt2vfz9DOWFnVGKnvBw13qGgpI9lB +j6rU/7YwlGD07iFGbm2462/P4XVHwAAAP//AwBQSwMEFAAGAAgAAAAhAHWiNVDeAAAACQEAAA8A AABkcnMvZG93bnJldi54bWxMj8FOwzAQRO9I/IO1SFwQtXFLqUKcqqpAnFu4cHPjbRIRr5PYbVK+ nuUEx9U8zbzN15NvxRmH2AQy8DBTIJDK4BqqDHy8v96vQMRkydk2EBq4YIR1cX2V28yFkXZ43qdK cAnFzBqoU+oyKWNZo7dxFjokzo5h8DbxOVTSDXbkct9KrdRSetsQL9S2w22N5df+5A2E8eXiA/ZK 331++7ftpt8ddW/M7c20eQaRcEp/MPzqszoU7HQIJ3JRtAb0XC8Z5WCuQTCwUI8LEAcDT2oFssjl /w+KHwAAAP//AwBQSwECLQAUAAYACAAAACEAtoM4kv4AAADhAQAAEwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA W0NvbnRlbnRfVHlwZXNdLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQA4/SH/1gAAAJQBAAALAAAAAAAAAAAA AAAAAC8BAABfcmVscy8ucmVsc1BLAQItABQABgAIAAAAIQDnD6NfNwIAAFwEAAAOAAAAAAAAAAAA AAAAAC4CAABkcnMvZTJvRG9jLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQB1ojVQ3gAAAAkBAAAPAAAAAAAA AAAAAAAAAJEEAABkcnMvZG93bnJldi54bWxQSwUGAAAAAAQABADzAAAAnAUAAAAA " o:allowincell="f" strokecolor="white">
а) ¦ б) ¦/ >¦
Рис.8.4. Векторная диаграмма токов в транзисторе на высокой частоте ¦ и на более высокой частоте ¦/ >¦.
С ростом частоты увеличивается угол jh21Б, снижается ток , а значит и модуль , но ещё быстрей растёт модуль тока , а следовательно, столь же быстро уменьшается и модуль .
Зависимости величин , и jh21Б от частоты приведены на рис. 8.5.
Полевой транзистор – полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающих через проводящий канал, параметры которого управляются электрическим полем. Принцип действия полевых транзисторов значительно отличается от принципа действия биполярных транзисторов и основан на изменении проводимости небольшой области в полупроводнике – проводящего канала – под воздействием электрического поля.
Слой полупроводника, в котором регулируется поток носителей заряда, называется каналом. Электрическое поле, воздействующее на сопротивление канала, создаётся с помощью расположенного над каналом металлического электрода, называемого затвором. Истоком называют электрод полевого транзистора, через который в канал втекают носители заряда, коллектируемые при выходе из канала другим электродом - стоком.
Классификация полевых транзисторов.
В зависимости от способа изоляции затвора от канала различают три типа полевых транзисто-ров:
•Транзисторы с управляющим p - n переходом (изоляция затвора от канала осу-ществляется обеднённым слоем p - n перехода);
•Транзисторы с металлопоупроводниковым затвором или затвором Шоттки (изоляция затвора от канала осуществляется обеднённым слоем m - n или m - p - перехода);
•Транзисторы, у которых затвор изолирован от канала диэлектриком, - транзисто-ры с изолированным затвором или МДП - (МОП) транзисторы. МДП-транзисторы в свою очередь подразделяются на транзисторы со встроенным (собственным) каналом и транзисторы с индуцированным каналом.
Канал полевого транзистора может обогащаться носителями заряда при увеличении управляю-щего напряжения по модулю или, наоборот, обедняться.
Все полевые транзисторы различают также по виду проводимости канала:
транзисторы с каналом n- типа или p - типа.
С УПРАВЛЯЮЩИМ
p-n ПЕРЕХОДОМ
| С МЕТАЛЛОПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ЗАТВОРОМ (БАРЬЕР ШОТТКИ)
| С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ МДП (МОП) ТРАНЗИСТОРЫ
|
Устройство полевых транзисторов трёх типов показано на рис.3.
Рис.3. Устройство полевых транзисторов
В транзисторе с управляющим p-n переходом (Рис.3,а) канал образован частью кристалла n-полупроводника с меньшим поперечным сечением. В n-полупроводнике создана p-область, на границе с которой с n- кристаллом образуется управляющий p-n переход.
В МДП-транзисторе со встроенным каналом (Рис.3,б) p- канал и области стока и истока ( области) выполнены в процессе изготовления прибора. В МДП-транзисторе с индуцированным каналом (Рис.3,в) сам канал не создаётся технологическим путём. Под действием электрического поля, возникающего в результате приложения напряжения к затвору, в части n- полупроводника, вблизи поверхности, между стоком и истоком образуется тонкий инверсионный слой с дырочной проводимостью - p- канал.
Влияние напряжения затвора на сопротивление канала. При напряжении стока, равном нулю, толщина канала 2y постоянна по всей его длине, но зависит от напряжений затвора UЗИ и подложки UПИ.
Рассмотрим случай, когда подложка и затвор соединены друг с другом, т.е. UЗИ = UПИ. Тогда толщина канала 2y (рис. 5) зависит от толщины p-n переходов:
(1)
Для более компактной записи найдём напряжение отсечки , т.е. найдём напряжение на затворе, при котором толщина канала равна нулю, а толщина p-n переходов
(2)
и запишем уравнение для толщины канала в виде:
(3)
Зная толщину канала, можно определить проводимость канала полевого транзистора в зависимости от напряжения UЗИ < UЗИ отс при UСИ =0:
(4)
Влияние напряжения стока на процессы в канале. При подаче на сток положительного напряжения UСИ в канале возникает ток IС и вдоль канала появляется падение напряжения Ux, величина которого зависит от координаты x, т.е. от расстояния до истока. При этом на переходе появляется зависящее от координаты x напряжение UЗИ+Ux, действующее в данном случае на переходы и приводящее к изменению толщины канала от истока к сток
(5)
Толщина канала максимальна у истока, где Ux= 0, и минимальна у стока, где UX=UСИ:
(6)
При некотором значении напряжения стока UСИ=UСИ нас, называемом напряжением насыщения,канал у истока полностью перекрывается. Напряжение насыщения определим, положив 2yC=0:
(7)
Заметим, что при этом сопротивление канала ; оно больше RK0, но имеет конечное значение и через канал под действием напряжения UСИ=UСИ нас проходит максимальный ток стока:
(8)
При дальнейшем повышении напряжения стока участок перекрытия канала расширяется и весь избыток напряжения UСИ-UСИ нас падает на этом участке (рис.6.), а на проводящем участке канала напряжение остаётся постоянным, равным UСИ нас.
На перекрытом участке ток проходит за счёт экстракции носителей заряда в обеднённую область, где под действием ускоряющего поля экстрагируемые носители устремляются на сток. Таким образом, сопротивление перекрытого участка канала равно:
(9)
и есть сопротивление диода в режиме насыщения: оно определяется величиной экстрагируемого тока.
Следует учитывать условность понятия "перекрытие" канала при увеличении напряжения на стоке и неизменном напряжении на затворе относительно истока, так как перекрытие канала является следствием увеличения тока стока. Таким образом, можно считать, что в результате увеличения тока стока или напряжения на стоке автоматически устанавливается некоторое малое сечение канала со стороны стокового электрода и стремится к бесконечности дифференциальное сопротивление канала .
Теоретическая вольт - амперная характеристика. Расчёт этой характеристики проведём для открытого канала (в режиме насыщения вычисления представляют большую сложность). Канал будем считать равномерно легированным. На элементарном участке канала dx падение напряжения
(10)
Учитывая в уравнении зависимость толщины канала от напряжения и пренебрегая контактным потенциалом, получаем:
(11)
Интегрируя от до , от до , получим:
. (12)
Учитывая, что , найдём ток в режиме насыщения, т.е. при :
. (13)
Максимальное значение тока стока имеет место при :
. (14)
Отсюда следует, что в режиме насыщения (при ) сопротивление канала в три раза выше, чем .
С учётом выше сказанного, получим окончательное выражение для тока стока
(15)
Это основное уравнение полевого транзистора с p-n -затвором; оно было выведено в 1952 г. В. Шокли, предложившим данный прибор.
Выходные характеристики. Выходные характеристики полевого транзистора определяют зависимость тока стока от напряжения стока при заданных величинах напряжения затвора: при .
Пусть напряжение затвора равно нулю. Канал имеет постоянную начальную толщину и электрическое сопротивление . При подаче на сток положительного напряжения вдоль канала появляется падение напряжения , под его действием p-n- переходы расширяются, при этом, чем ближе к стоку, тем уже становится канал.
При повышении положительного напряжения стока выходной ток возрастает, но при этом одновременно уменьшается толщина канала по всей его длине и увеличивается его сопротивление. Поэтому зависимость тока от напряжения оказывается нелинейной: ток нарастает медленнее, чем это следует из закона Ома (начальный участок). Когда напряжение стока достигает величины напряжения насыщения, канал в области стока перекрывается, и дальнейший рост тока стока прекращается. Это соответствует горизонтальному участку выходной характеристики полевого транзистора, называемому участком насыщения.
При дальнейшем повышении напряжения стока сверх значения участок перекрытого канала расширяется в сторону истока и на нём падает избыток напряжения . На не перекрытом участке канала напряжение остаётся равным , поэтому поддерживается постоянным ток в канале, а следовательно, и ток стока . Через перекрытый участок канала шириной носители заряда, экстрагируемые из канала, переносятся ускоряющим полем на сток. Незначительное увеличение тока стока в режиме насыщения при повышении напряжения объясняется некоторым уменьшением эффективной длины не перекрытой части канала при расширении перекрытого участка. В результате и в режиме насыщения выходная дифференциальная проводимость транзистора сток - исток имеет конечное значение.
При чрезмерно большом увеличении напряжения стока наступает пробой p-n перехода и ток в цепи сток - затвор лавинообразно нарастает. Пробой возникает в области стока, где разность потенциалов на переходе максимальна.
Если на затвор подано обратное напряжение (отрицательное для транзистора с n- каналом), то перекрытие канала наступает при меньшем напряжении стока, при этом оказывается меньшим и максимальный ток стока, а выходная характеристика располагается ниже, чем при . При ещё большем обратном напряжении затвора выходная характеристика идёт ещё ниже и т.д. . Пробивное напряжение стока при этом тоже уменьшается на величину .
Передаточные характеристики. В схеме ОИ передаточные характеристики определяют зависимость при (Рис.6,б).
Ток имеет максимальную величину при напряжении затвора, равном нулю, когда толщина канала максимальна. При подаче обратного напряжения на затвор p-n переход расширяется, толщина канала уменьшается, его сопротивление возрастает и ток становится меньше. Когда напряжение затвора достигает величины напряжения отсечки, канал полностью перекрывается и ток в выходной цепи падает до минимального значения, определяемого концентрацией неосновных носителей заряда. Эта составляющая выходного тока является неуправляемой, её величина при нормальной температуре составляет единицы наноампер.
Передаточную характеристику полевого транзистора в режиме насыщения удобно аппроксимировать зависимостью:
(16)
Опыт показывает, что это уравнение хорошо отображает реальные характеристики независимо от закона распределения примесей в канале (в зависимости от закона распределения примесей в канале показатель степени изменяется в пределах от 2 до 2,25). Параметры этой зависимости определяют следующим образом. Начальный ток измеряют при , а для нахождения измеряют напряжение при . Нетрудно убедиться, что . Такой способ нахождения напряжения отсечки даёт более точный результат, чем при непосредственном измерении в режиме запирания, где передаточная характеристика идёт плавно.
Входные характеристики. Входные характеристики представляют собой зависимость тока затвора от напряжения затвора при . Они определяются свойствами перехода затвора и в первом приближении описываются соотношением
. (17)
Однако в отличие от полупроводникового диода на ток экстракции здесь влияет также ударная ионизация носителей заряда в перекрытой части канала. Этот процесс обусловливает зависимость тока затвора от тока и напряжения стока.
Поскольку полевой транзистор работает при обратном напряжении затвора, ток в его входной цепи очень небольшой: . При прямом смещении транзистора с затвором не используют, так как в этом
режиме резко возрастает ток затвора, а эффективность управления снижается.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|