Усилительные свойства мдп-транзистора

МДП-транзисторы применяют в тех же трех схемах включения, что и транзисторы с р-n-затвором. На рис. 7.14, а, б, в эти схемы показаны для транзистора со встроенным р-каналом (условные изображения см. в приложении).

Качество транзистора с изолированным затвором как усилительного элемента характеризует прежде всего его крутизна, т. е. проводимость прямой передачи. Аналитическое выражение для статической крутизны можно получить, взяв производную функции (7.46):

. (7.51)

Отсюда следует, что крутизна транзистора с изолированным затвором зависит от отношения ширины канала ω к его длине l и обратно пропорциональна толщине диэлектрика δ. В современных транзисторах отношение ω/l достигает 10³—10⁴ (при длине канала несколько микрометров ширина канала составляет несколько сантиметров). Минимальная толщина диэлектрика ограничивается опасностью пробоя и составляет 0,1—0,2 мкм. Таким образом, как нетрудно подсчитать по формуле (7.48), крутизна характеристики может достигать десятков и сотен миллиампер на вольт, что уже реализуется практически.

Частотные свойства усилительных транзисторов с изолированным затвором определяются прежде всего их емкостью. Накопление неравновесного заряда в базе, играющее столь большую роль в биполярных транзисторах, в данном случае отсутствует.

На рис. 7.15 показаны структура транзистора с изолированным затвором (а) и схема замещения (б), достаточно полно отображающая его свойства на высоких частотах. Однако эта схема замещения сложна, поэтому на практике применяют более простую схему рис. 7.15, в. Величина C₁ в этой схеме определяется емкостью затвора на канал С_эк. Обычно принимают

. (7.52)

Сопротивление r_i, характеризующее потери во входной цепи, определяется омическим сопротивлением канала r_k ≈U_СИ/I_СИ; как правило,

r₁=r_k/4. Величина C₂ представляет co6oй емкость р-n-перехода сток — подложка, r₂ — сопротивление потерь в подложке, G_вых — статическую дифференциальную выходную проводимость транзистора. Введем для удобства обозначения

, . (7.53)

Тогда с помощью данной схемы замещения нетрудно определить Y-параметры транзистора с изолированным затвором в следующем виде:

,

, . (7.54)

Из выражений (7.54) следует, что ω_s — это предельная частота проводимости прямой передачи, а ω_B — предельная частота выходной цепи, S₀ —статическая крутизна (при ω = 0).

Зависимость от частоты проводимостей транзистора с изолированным затвором Y=G+jB показана на рис. 7.16. Все проводимости увеличиваются с ростом частоты, кроме G₂₁ которая медленно убывает. Такой ход зависимостей свидетельствует об ухудшении усилительных свойств транзистора с повышением частоты.

В ходная и выходная емкости в современных транзисторах имеют порядок единиц пикофарад, а проходная емкость — десятых долей пикофарада. Путем смещения затвора (рис. 7.17) она может быть снижена на порядок. Благодаря таким величинам параметров современные транзисторы с изолированным затвором могут эффективно усиливать колебания на частотах в десятки гигагерц.

Уровень шумов у транзисторов с изолированным затвором несколько выше (на 1—2 дБ), чем у транзисторов с р-n-затвором; в данном случае существенное значение имеют поверхностные шумы.

Исключительно высокое входное сопротивление постоянному току, значительное сопротивление изоляции между входом и выходом (10¹⁴— 10¹⁵ Ом), наличие термостабильной точки, позволяющей исключить специальные меры температурной стабилизации режима, способность работы в условиях сверхнизких температур, квадратичность передаточной характеристики, обусловливающая низкий уровень нелинейных искажений, большой динамический диапазон передаточной характеристики — все эти качества делают полевой транзистор с изолированным затвором одним из наиболее перспективных усилительных приборов на малом уровне мощности. Хорошие результаты получены и в области конструирования мощных МДП-транзисторов, которые также обладают рядом преимуществ.

Для получения высокой выходной мощности МДП-транзнстор должен иметь большой ток стока и высокое пробивное напряжение сто­кового перехода. Для получения большого тока, как вытекает из выражения (7.46), необходимы короткий широкий канал и малая толщина изолирующего слоя. Минимальная толщина изолирующего окисла ограничивается напряжением пробоя и составляет 0,2 мкм, минимальная длина канала также ограничивается напряжением пробоя и при U_CИ=120 В составляет примерно 10 мкм.

Отечественной промышленностью выпускаются мощные полевые транзисторы подобного типа: КП901, КП902, КП904, КП905, КП907. По величине рабочего напряжения (до 100 В), рабочего тока (до 7,5 А), рассеиваемой мощности (до 75 Вт) и выходной мощности (до 50 Вт на 60 МГц – КП904 и до 6 Вт на 1 ГГц – КП907) они не уступают биполярным транзисторам. В то же время указанные транзисторы имеют ряд преимуществ перед биполярными транзисторами. К ним относятся:

отрицательный температурный коэффициент, обеспечивающий равномерное распределение температуры и, как следствие, отсутствие вторичного пробоя;

высокое входное сопротивление;

высокий коэффициент широкополосности K_UΔf, обеспечивающий полосу усиливаемых частот в сотни мегагерц и время нарастания импульса 0,4–1 нc;

высокая температурная стабильность параметров;

почти линейная (а не квадратичная, как у маломощных приборов) передаточная характеристика I_c=f(U_ЗИ), обеспечивающая существенное уменьшение нелинейных искажений в низкочастотных и интермодуляционных искажений в высокочастотных усилителях;

возможность параллельного подключения транзисторов для увеличения выходной мощности благодаря присущему им ограничению тока стока на уровне I_{с max} и малому разбросу крутизны S, обеспечивающим равномерное распределение тока между отдельными приборами.

Широкие возможности использования мощных МДП-транзисторов в радиоэлектронной аппаратуре определяют исключительную перспективность этой сравнительно новой функциональной группы электронных приборов.

МДП-транзисторы в ключевом режиме

Общие сведения. Полевые транзисторы, главным образом имеющие индуцированный канал, находят широкое применение в качестве ключевых элементов в разнообразных устройствах цифровой электронной техники. Преобладающее положение транзисторов с индуцированным каналом (обычно p-типа) в ключевых схемах объясняется наличием у них четко выраженного уровня порогового напряжения затвора U_пор. Если управляющее напряжение U_вх, подаваемое на затвор, меньше порогового, то транзистор закрыт, если больше порогового, то транзистор открыт.

Наибольшее распространение получила схема с общим истоком (рис. 7.18). Управляющее напряжение Û_вых=Û_ЗИ подается на затвор. Выходное напряжение Û_вых=Û_СИ снимается со стока. Подложка обычно соединяется с истоком. На схеме показан транзистор с индуцированным р-каналом.

Статические состояния ключа. На рис. 7.19 показана нагрузочная характеристика транзистора, нанесенная на семейство его выходных статических характеристик I_c=f(U_СИ) при U_ЗИ=var в соответствии с уравнением (7.27):

.

Ключ в рабочем режиме постоянно находится в одном из двух состояний (точка А или В на нагрузочной характеристике).

Состояние А — ключ закрыт, через транзистор протекает пренебрежимо малый ток. Выходное напряжение равно практически напряжению источника питания Û_вых=U_A=ε_СИ, если сопротивление нагрузки резистора R_с не очень большое. В этом режиме входное напряжение должно быть меньше порогового: |Û_вх|<|U_пор| (см рис. 7.11, б).

Состояние В — ключ открыт, через транзистор протекает полный рабочий ток. В этом режиме входное напряжение должно быть больше порогового: |Û_вх|>|U_пор|. Выходное напряжение

Û_вых=U_B=ε_СИ - R_cÎ_с (7.55)

уменьшается вследствие увеличения падения напряжения на нагрузке R_c.

Выходное напряжение открытого ключа тем меньше (что желательно), чем выше сопротивление резистора R_c и больше ток транзистора в режиме открытого канала, т. е. на восходящем участке его выходных характеристик. Из соотношения (7.46) вытекает, что при заданном напряжении затвора U_ЗИ ток стока I_c тем больше, чем выше постоянная β и меньше пороговое напряжение U_пор. Постоянная β, определяемая выражением (7.47), зависит от электрофизических и геометрических параметров МДП-структуры; ее значение может быть увеличено путем повышения отношения ω/l (широкий и короткий капал) и уменьшения толщины диэлектрика δ. Пороговое напряжение U_пор зависит от материала затвора и структуры переходов затвор — диэлектрик, диэлектрик — канал, снижение этого напряжения может быть достигнуто уменьшением поверхностного заряда полупроводника Q_s, обусловленного донорными поверхностными состояниями, и заряда Q₀ в диэлектрике, обусловленного положительными ионами, образующимися в диэлектрике в процессе окисления кремния и фотолитографии [см. формулу (7.40)]. Перспективным направлением в разработке низкопороговых ключевых МДП-транзисторов является применение кремниевого затвора вместо металлического. В таких транзисторах пороговое напряжение снижается до 1,5 В, т. е. почти вдвое по сравнению с транзисторами, имеющими металлический затвор.

П роцесс включения транзистора. Под воздействием управляющего напряжения транзистор открывается и через него происходит разряд выходной емкости C_CИ, которая при закрытом транзисторе была заряжена до напряжения ε_СИ (рис. 7.20).

Рассмотрим процесс включения транзистора с помощью идеализированного графика перемещения рабочей точки из положения А в положение В (показан на рис. 7.19 пунктирными стрелками). После подачи импульса входного напряжения Û_вх=U_ЗИ^IV в течение времени задержки t₃ формируется новое (проводящее) состояние канала. Это время определяется динамической входной емкостью ключа (она больше статической емкости С_ЗИ за счет влияния проходной С_ЗС и выходной С_СИ емкостей), а также пороговым напряжением U_пор, амплитудой и внутренним сопротивлением Û_вх источника входного напряжения:

. (7.56)

Если внутреннее сопротивление R_r источника входного сигнала небольшое (источник напряжения), то время задержки t_з пренебрежимо мало. Снижение порогового напряжения также уменьшает время задержки.

После того как сформировалось проводящее состояние канала, рабочая точка скачком переходит в положение А₁, поскольку выходное напряжение U_СИ не может мгновенно уменьшиться из-за влияния выходной емкости С_СИ, для разряда которой требуется определенное время. По мере разряда емкости С_СИ через открытый канал током I_p рабочая точка за некоторое время t₁ перемещается и положение A₂. Разряд осуществляется током постоянной величины (влиянием высокоомного резистора R_с пренебрегаем):

. (7.57)

В этом случае справедливо соотношение

, (7.58)

в котором должна быть учтена проходная емкость С_зс, если источник входного напряжения низкоомный.

Переходя в формуле (7.58) к конечным приращениям, получим с учетом начальных условий [при t=0 U_СИ=-ε_си, при t=t₁ U_СИ=-(U_ЗИ-U_пор)]

, (7.59)

или с учетом соотношения (7.57)

. (7.60)

На завершающем этапе процесса включения рабочая точка переме­щается за время t₂ в положение В, на выходе устанавливается напряже­ние Û_вых=U_B. Для расчета времени t₂ представим транзистор в режиме открытого канала, т. е. на восходящем участке выходных характеристик A₂-В, в виде резистора, имеющего сопротивление R_ko=U_СИ/I_c, где в соответствии с выражением (7.44)

. (7.61)

Тогда время t₂ может быть оценено с помощью соотношения для элементарной RC-цепочки:

. (7.62)

Полное время включения транзистора

. (7.63)

Из рассмотренного следует, что для уменьшения времени включения необходимо увеличивать постоянную β и уменьшать пороговое напряжение U_пор.

Процесс выключения транзистора. При уменьшении входного напряжения ниже порогового значения рабочая точка переходит из положения В в положение В₁. Время перехода зависит от входной емкости транзистора и внутреннего сопротивления источника сигнала R_r. В реальных условиях оно пренебрежимо мало.

Далее происходит заряд выходной емкости С_CИ через резистор R_c от источника ε_CИ. Время заряда t_з≈2,3R_cC_СИ определяет время выключения транзистора t_выкл≈t_з. Это время больше времени включения t_вкл, поскольку сопротивление резистора R_с обычно велико.

В ременные диаграммы входного и выходного напряжении ключа на транзисторе с изолированным затвором показаны на рис. 7.21.

Ключевые МДП-транзисторы. Для работы в ключевом режиме необходимы транзисторы, удовлетворяющие специфической системе требований, отличающихся от тех, которые характерны для транзисторов, работающих в усилительном режиме. По этой причине промышленностью выпускается ряд транзисторов, специально

предназначенных для работы в ключевом режиме. Такие транзисторы будем для краткости называть ключевыми.

Сравнивая ключевые МДП-транзисторы с ключевыми биполярными транзисторами, можно отметить важное свойство первых, заключающееся в наличии высокоомного входа, допускающего управление по напряжению. Другими преимуществами являются:

высокое быстродействие, обусловленное отсутствием в канале неравновесных носителей заряда и малыми величинами входной и выходной емкостей (время переключения 1– 0,4 нс);

сочетание высокого быстродействия с большими напряжениями и токами переключения (до 10 А за 15 нс);

низкое сопротивление открытого канала, обеспечивающее коммутацию сигналов в низкоомных цепях, например в коаксиальном кабеле с волновым сопротивлением 50 Ом;

возможность параллельного включения транзисторов для увеличения коммутируемой мощности.

Ввиду указанных преимуществ ключевые МДП-транзисторы находят все более широкое практическое применение.

На рис. 7.18 показана структура МДП-транзнстора, имеющая подобные данные и ширину канала 12 см. Транзистор отдает мощность до 30 Вт на частоте 30 МГц. Для обеспечения такой мощности на одной подложке размещают три МДП-структуры, соединенные параллельно.

28