Статические дифференциальные параметры полевого транзистора

У полевых транзисторов ток стока и ток затвора зави­сят от напряжений на затворе и на стоке:

(1)

Из этих формул можно получить выражения для полных дифференциалов токов:

(2)

Частные производные в уравнениях (2) яв­ляются дифференциальными g-парамет­рами полевого тран­зистора и определяют приращение токов при изменении напряжений электродов и отражают следующие зависимости:

Проводимость прямой передачи, или крутизна стоко-затворной характеристики,

(3)

Она показывает, на сколько миллиампер (ампер) изменя­ется ток стока, если при постоянном U_СИ напряжение на затворе изменяется на 1 В. Крутизна позволяет сравнить транзисторы по их управляющим свойствам. Значения S_ПТ лежат в пределах от 0,5 мА/В до нескольких ампер на вольт.

В режиме насыщения аналитическое выражение для S можно найти дифференцированием уравнения тока стока:

(4)

т.е. крутизна обратно пропорциональна сопротивлению канала, чем оно меньше, тем выше крутизна. Крутизна линейно зависит от напряжения на затворе и имеет максимальное значение при U_{ЗИ отс}=0. Обычно крутизну выражают в миллиамперах на вольт. Для практического определения крутизны можно воспользоваться стоковыми (выходными) характеристиками транзистора.

Выходная проводимость.

(5)

характеризует влияние напряжения стока на ток стока. Так как в режиме насыщения ток стока меняется незначительно, то у полевого транзистора величина выходной проводимости очень мала . Выходную проводимость можно определить по выходным характеристикам. Численно она равна величине изменения тока стока (в микроамперах) при изменении напряжения тока стока на один вольт.

Наиболеечасто используется не выходная проводимость, а выходное (внутреннее) сопротивление

(6)

Y-параметры

При работе транзистора в схеме на его электродах дейст­вуют изменяющиеся во времени сигналы. Если амплитуды этих сигналов настолько малы, что в пределах изменений токов и напряжений характеристики транзистора можно считать линейными, то транзистор можно представить в виде активного линейного четырехполюсника. На входе такого четырехполюсника действует переменное напряже­ние и проходит ток , а на выходе действует пере­менное напряжение и проходит ток .

Свойства транзистора как четырехполюсника в систе­ме Y-параметров описываются уравнениями:

(1)

В этих уравнениях:

- входная проводимость в режиме короткого замыкания

(КЗ) на выходе;

- проводимость обратной связи при КЗ на выходе;

- проводимость прямой передачи при КЗ на выходе

- выходная проводимость в режиме КЗ на входе

Наличие междуэлектродных емкостей, сопротивлений и инерционность процессов движения носителей зарядов в канале приводят к сдвигу фаз между токами и напряже­ниями. Поэтому Y-параметры в уравнениях (1) являются комплексными величинами.

Для нахождения связи Y-параметров транзистора с его физическими параметрами используют эквивалентные схе­мы замещения полевого транзистора. Так как в полевом транзисторе канал сужается от истока к стоку, электропро­водность канала и напряжения на его участках зависят от координаты. Вследствие этого полевой транзистор являет­ся устройством с распределенными параметрами. Однако для упрощения анализа его представляют с некоторыми допущениями в виде схемы замещения с сосредоточенны­ми параметрами (рис.1).

Рис. 1.Эквивалентная схема полевого транзистора

В этой схеме r_K и r_И являются сопротивлениями участков полупроводника, заключенных между омическими контактами стока, истока и каналом. Резистор R_{K ср} представляет собой эквивалент распреде­ленного сопротивления канала. Это сопротивление может быть приближенно определено из условия R_{K cp} = r_к/4, где г _к = U_CИ0 / I_C0; R_iПТ - выходное сопротивление тран­зистора.

Конденсаторы в схеме отражают следующие емкости транзистора: С_СИ - между стоком и истоком; С_СЗ - между стоком и затвором; С_ЗК - между затвором и каналом. При оценке свойств транзистора можно считать, что емкость С_ЗК равна емкости между затвором и истоком С_ЗИ.

Поскольку эффект управления током канала определя­ется частью входного напряжения , выделяемого на емкости С_ЗК, управляющие свойства транзистора отража­ются включением в эквивалентную схему источника тока .

Обычно r_K и r_И составляют доли, единицы Ом, что зна­чительно меньше других сопротивлений эквивалентной схемы. Поэтому ими можно пренебречь и схему предста­вить в более простом виде (рис. П.2).

Рис. 2.Упрощенная эквивалентная схема полевого транзистора

С помощью упрощенной эквивалентной схемы можно найти связь Y-параметров, характеризующих свойства тран­зистора как активного линейного четырехполюсника, с физическими параметрами.

Воспользовавшись методикой определения параметров четырёхполюсника, и обозначив , можно найти соотношения для Y-параметров в следующем виде:

(3)

(4)

(5)

(5)

где S_ПТ - статическая крутизна полевого транзистора.

Обычно проходная емкость С_СЗ мала, и с некоторым приближением можно считать, что

(7)

Тогда модуль крутизны, характеризующий управляющие свойства транзистора на частоте w,

(8)

Из соотношений (П.2) и (П.3) видно, что при увеличе­нии частоты проводимости Y₁₁, Y₂₂ и Y₁₂ растут, a Y₂₁уменьшается. Это свидетельствует об ухудшении усили­тельных свойств транзистора с повышением частоты.

На частоте f = f_S модуль проводимости прямой переда­чи уменьшается в раз по сравнению с крутизной S_ПТ. По аналогии с биполярными транзисторами эту частоту можно назвать предельной частотой проводимости пря­мой передачи и использовать для оценки частотных свойств полевого транзистора.

Кроме частоты f_S, для оценки частотных свойств ис­пользуются граничная частота f_ГР = f_Т, при которой ток, проходящий через емкость С_ЗК равен току генератора , т.е.

(9)

и максимальная часто­та f_max, при которой коэффициент усиления по мощности становится равным единице:

(10)

Если воспользоваться уравнениями (П.2) и ввести обозначения:

то полевой транзистор можно заменить эквивалентной схемой, приведенной на рис. 3.

Рис. 3. Эквивалентная схема полевого транзистора в системе Y-параметров

В области низких частот междуэлектродными емкостя­ми транзистора можно пренебречь и транзистор заменить упрощенной эквивалентной схемой (рис. 4).

Рис. 4. Эквивалентная схема полевого транзистора для области низких частот

Кроме междуэлектродных емкостей, быстродействие полевого транзистора ограничивается конечным временем пролета носителей заряда через канал. Если пролетное время окажется соизмеримым с периодом сигнала, то изме­нения тока стока не успевают следовать за изменениями управляющего напряжения на затворе, и крутизна полево­го транзистора уменьшается. Однако в реальных полевых транзисторах длина канала составляет 5...10 мкм, поэтому пролетное время оказывается значительно меньше перио­да усиливаемых колебаний, включая диапазон СВЧ, и его можно не учитывать.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: