Частотные свойства мдп-транзисторов и модели.

Частотные свойства транзистора определяется временем пролета канала и емкостями различных структур. Путь, проходимый электроном – длина канала + длина зоны перекрытия.

Напряженность поля в канале

В зоне перекрытия электроны движутся со скоростью насыщения.

При малой величине зоны перекрытия вторым членом пренебрегаем. Первое слагаемое преобразуется к виду (если подставить все выражения для С и R_i0)

Таким образом, время пролета равно времени заряда емкости затвор-канал через сопротивление канала (выходное транзистора) при 0 напряжении исток – сток.

Конечность времени пролета выражается в комплексности крутизны.

f_S – предельная частота, на которой S уменьшается в раз.

Анализ частотных характеристик можно выполнить, нарисовав эквивалентную схему полевого транзистора.

Рассматриваем упрощенную схему в Упрощенная схема в получается из схемы б при С_зи = С_зкан+С_пер. r_и<<R_i0, f<<f_s

С_ЗС = С_{перекрытия}, С_ЗИ = С_ЗКанал+ С_{Перекрытия}

Как и ранее Учет этого приводит к простой схеме а.

На рис а показано, как учитывать время пролета. При коротком замыкании по переменному току сток – исток

Отсюда получается выражение для S, т.к. время пролета.

Анализ показывает, что . Граничная частота, на которой коэффициент усиления по напряжению равен 1.

Граничная частота МДП-транзистора меньше БП, т.к. меньше крутизна.

Крутизна БП –

Крутизна МДП – .

При I_k = I_c

Роль емкости затвор – сток. См. схему в.

Составляющая тока, протекающего через конденсатор С_зс, (напряжение на конденсаторе делим на емкостное сопротивление)

Эффективная емкость получается Полная емкость

(эффект Миллера)

Ток, протекающий через конденсатор С_ЗС, создает дополнительное напряжение на затворе. Возникает обратная связь по напряжению. Она на высоких частотах может быть положительна.

Импульсный режим работы транзистора.

На примере ключа

Схема выполняет функцию инвертора. Находится в двух состояниях.

С точки зрения логических схем. существуют 1 и 0. U­¹ = Е_с и 0 – U⁰.

1. На вход подается логическая единица – U­¹ = Е_с. Транзистор открыт – на выходе – логический 0 – U⁰. Для надежной работы логики требуется U⁰ < U_пор. Для этого нужно Е_с/R_c<<I_нас. Тогда

U⁰ ~ 1/KR_c. К – удельная крутизна. I_c = K(U_зи – U_пор)U_си. (Делитель)

2. На вход подается логический 0. Поскольку его напряжение меньше порогового, транзистор закрыт. На выходе логическая единица.

Входной и выходной импульсы напряжения:

В момент t₁ транзистор включается. Считают, что канал и др. мгновенно. Происходит разряд емкости С_н через канал.

При t₂ канал исчезает, и ток стока обращается в 0. Происходит заряд емкости через сопротивление R_c.

Время t₂ >> t₁. Для его уменьшения нужно брать R_c поменьше. Но тогда придется увеличить ток насыщения (см. формулу выше). Увеличится мощность.

В дискретных транзисторах время нарастания 10нс, время спала 100нс. В интегральных на 1 – 2 порядка лучше. Но тем не менее многовато. Для уменьшение делают комплементарные схемы.