Высокочастотные параметры

В общем случае зависимость коэффициента h_21Б от времени можно представить функцией

(8.10)

Это выражение не учитывает времени задержки t_зд = t_здa+ t_здg. При учёте времени t_зд функция (8.10) справедлива при t³ t_зд; при t£ t_зд функция h_21Б (t)=0.

Частотная характеристика, соответствующая (8.10) имеет вид:

(8,11)

Здесь с – безразмерный коэффициент, зависящий от t_здg и изменяющийся от 0,25, когда время t_здg > t_нр, и до 0,65, когда t_здg » t_нр.

Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики, соответствующие (8.10), имеют вид:

(8.12)

(8.13)

В выражениях (8.11) – (8.13) h_21Б0 – коэффициент передачи тока на низкой частоте.

Величина f_h21Б – называется предельной частотой коэффициента передачи тока в схеме с ОБ. Как следует из (8.12), f_h21Б – это частота, на которой коэффициент h_21Б – уменьшается по модулю в раз по сравнению с его значением на низкой частоте.

Частотные характеристики коэффициента h_21Э в схеме ОЭ имеет вид, аналогичный (8.11) – (8.13):

(8.14)

(8.15)

(8.16)

В этих выражениях f_h21Э – называется предельной частотой коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ. Как следует из (8.15), f_h21Э – это частота, на которой коэффициент h_21Э – уменьшается по модулю в раз по сравнению с его значением на низкой частоте.

Частота f_h21Э значительно меньше f_h21Б и связана с последней соотношением

(8.17)

Из (8.17) следует, что модуль êh_21Э êбыстрей убывает с частотой, нежели модуль êh_21Б ê, а фазовый сдвиг j_h21Э между токами и значительно больше фазового сдвига между токами и . Эти выводы иллюстрируются векторной диаграммой токов в транзисторе (рис. 8.4).

а) ¦ б) ¦^/ >¦

Рис.8.4. Векторная диаграмма токов в транзисторе на высокой частоте ¦ и на более высокой частоте ¦^/ >¦.

С ростом частоты увеличивается угол j_h21Б, снижается ток , а значит и модуль , но ещё быстрей растёт модуль тока , а следовательно, столь же быстро уменьшается и модуль .

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.

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 U_ЗИ и подложки U_ПИ.

Рассмотрим случай, когда подложка и затвор соединены друг с другом, т.е. U_ЗИ = U_ПИ. 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 U_ЗИ < U_{ЗИ отс} при U_СИ =0:

(4)

Влияние напряжения стока на процессы в канале. При подаче на сток положительного напряжения U_СИ в канале возникает ток I_С и вдоль канала появляется падение напряжения U_x, величина которого зависит от координаты x, т.е. от расстояния до истока. При этом на переходе появляется зависящее от координаты x напряжение U_ЗИ+U_x, действующее в данном случае на переходы и приводящее к изменению толщины канала от истока к сток

(5)

Толщина канала максимальна у истока, где U_x= 0, и минимальна у стока, где U_X=U_СИ:

(6)

При некотором значении напряжения стока U_СИ=U_{СИ нас}, называемом напряжением насыщения,канал у истока полностью перекрывается. Напряжение насыщения определим, положив 2y_C=0:

(7)

Заметим, что при этом сопротивление канала ; оно больше R_K0, но имеет конечное значение и через канал под действием напряжения U_СИ=U_{СИ нас} проходит максимальный ток стока:

(8)

При дальнейшем повышении напряжения стока участок перекрытия канала расширяется и весь избыток напряжения U_СИ-U_{СИ нас} падает на этом участке (рис.6.), а на проводящем участке канала напряжение остаётся постоянным, равным U_{СИ 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: