Лекции Эл Приб / Лекции ЭлектронныеПриборы11

Лекция 11. Малосигнальные параметры полевых транзисторов.

Содержание:

• ПТ как линейный четырехполюсник.

• Малосигнальная эквивалентная схема ПТ.

• Влияние температуры на характеристики и параметры ПТ.

• Особенности мощных МДП транзисторов.

ПТ как линейный четырехполюсник. Полевые транзисторы часто используют для усиления малого сигнала. Условие малости сигнала зависит от допустимого уровня искажения его формы. Сигнал считается малым, если участки ВАХ вблизи рабочей точки можно заменить линейными зависимостями. Для работы в режиме усиления транзистор должен находиться в пологой области выходных ВАХ. Положение рабочей точки задается напряжением U_зи.

Рассмотрим работу ПТ с управляющим р-n переходом и каналом n-типа в режиме усиления малого переменного сигнала. Схема включения приведена на рис. 11-1 а).

I_с

Положение рабочей точки задается с помощью постоянных напряжений U_зи и Е. Малый переменный сигнал u_зи подводится к затвору через конденсатор и накладывается на постоянное напряжение U_зи, поэтому напряжение на затворе равно U_зи + u_зи. Ток стока также содержит постоянную составляющую I_с и переменную i_с. Переменная составляющая i_с представляет собой малое приращение тока, которое может быть вычислено по приближенной формуле

. (11-1)

Из формулы 11-1 заключаем, что переменный ток стока связан линейной зависимостью с переменным напряжением u_зи, причем коэффициентом пропорциональности является крутизна в рабочей точке:

. (11-2)

Крутизну приближенно можно вычислить по стоко-затворной характеристике, используя малые конечные приращения Uзи и Iс (рис. 11-1 б):

.

Наклон выходных ВАХ в пологой области учитывается с помощью внутреннего (выходного) сопротивления ПТ на переменном сигнале. Внутреннее сопротивление R_i является дифференциальным сопротивлением канала на пологом участке выходной ВАХ и получается дифференцированием выходной ВАХ в рабочей точке:

. (11-3)

Для малого переменного сигнала ПТ можно заместить линейным четырехполюсником, эквивалентная схема которого приведена на рис. 11-2.

Инерционные свойства ПТ отражены емкостями: затвор-исток С_зи, затвор-сток С_зс и сток-исток С_си. В ПТ с управляющим р-n переходом емкости С_зи, и С_зс являются барьерными емкостями частей обратносмещенного р-n перехода затвор-канал, поэтому они уменьшаются при увеличении (по модулю) обратного напряжения U_зи. С_си представляет собой паразитную емкость между выводами стока и истока. В справочниках чаще приводятся другие емкости, связанные с емкостями эквивалентной схемы:

• входная емкость С_11и – емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току на выходе в схеме с общим истоком;

• проходная емкость С_12и – емкость между затвором и стоком при коротком замыкании по переменному току на выходе в схеме с общим истоком;

• выходная емкость С_22и – емкость между стоком и истоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком.

С_11и = С_зи + С_зс, С_12и = С_зс, С_22и = С_зс + С_си

Типичные значения емкостей маломощных ПТ – единицы  десятки пФ.

R_ут – сопротивление утечки затвора. У ПТ с управляющим р-n переходом это сопротивление обратносмещенного перехода, которое составляет обычно 10⁹  10¹² Ом.

Приближенная эквивалентная схема МДП транзистора имеет такой же вид, если подложка соединена с затвором.

Крутизна в рабочей точке зависит от U_зи. Для ПТ с управляющим р-n переходом при квадратичной аппроксимации стоко-затворной ВАХ

,

где - максимальная крутизна, достигаемая при U_зи = 0.

Для маломощных ПТ S_max составляет единицы  десятки мА/В.

Внутреннее сопротивление R_i зависит от рабочей точки и составляет десятки кОм. Оно обратно пропорционально величине .

Влияние температуры на характеристики и параметры ПТ. Температура оказывает меньшее влияние на работу ПТ по сравнению с БТ. Это объясняется тем, что ток стока обусловлен движением только основных носителей через канал. Тем не менее, температура влияет на ширину канала и подвижность носителей в нем. С повышением температуры понижается контактная разность потенциалов, что приводит к уменьшению толщины обедненных областей и, следовательно, к расширению канала.

В рабочей области температур подвижность носителей уменьшается с ростом температуры. Эти два конкурирующих фактора приводят к изменению стоко-затворной ВАХ: напряжение отсечки увеличивается по модулю на 2-3 мВ/К, а начальный ток стока понижается (рис.11-3).

Изменение начального тока стока ПТ с управляющим р-n переходом может быть оценено по приближенной формуле:

,

где S_max следует подставлять в мА/В, а I_сн – в мА, чтобы результат получился в мА.

С ростом температуры напряжение отсечки всегда возрастает по модулю, а начальный ток стока убывает при U_отс > 0,6 В и возрастает при U_отс < 0,6 В. При U_отс > 0,6 В существует термостабильная точка. На рис. 12-3 это точка пересечения стоко-затворных ВАХ, снятых при различных температурах.

Особенности мощных МДП транзисторов. При линейном усилении мощного сигнала и при переключении больших мощностей в ключевом режиме важны энергетические показатели – потери мощности в транзисторе и КПД. Для уменьшения потерь требуется минимизировать сопротивление транзистора в открытом состоянии. Этой цели можно достичь созданием короткого канала, использованием большого количества параллельно соединенных каналов.

Для того, чтобы канал был коротким, используются вертикальные структуры. Широкое распространение получили мощные МДП транзисторы, изготовленные методом двойной диффузии (ДМДП) (рис.11-4), и транзисторов с V-канавкой (VМДП) (рис.11-5).