Дифференциальные параметры полевого транзистора

Поскольку ПТ, как и электронная лампа, является прибором, управляемым напряжением, то рационально использовать систему уравнений с

y -параметрами. Токи в этой системе считают функциями напряжений:

I₁ = f(U₁, U₂); I₂ = f(U₁, U₂). (4.4)

Тогда выражения для полных дифференциалов токов стока и затвора можно представить в виде:

(4.5)

В этих выражениях частные производные, определяющие приращения токов при изменении соответствующих напряжений, можно рассматривать как дифференциальные параметры транзистора, имеющие размерность проводимости.

- входная проводимость,

- проводимость обратной передачи,

- проводимость прямой передачи,

- выходная проводимость.

Заметим, что y-параметры определяются в режиме короткого замыкания для переменной составляющей тока на входе (y₂₂ и y₁₂)и на выходе (y₂₁ и y₁₁). Это трудно обеспечить на низких частотах и легко – на высоких.

В полевых транзисторах, включенных по схеме с общим истоком, U₁ = U_ЗИ – это напряжение затвор-исток, I₁ = I_З – ток затвора, U₂ = U_СИ – напряжение сток-исток, ток I₂ = I_С – ток стока.

Как было сказано выше, входной ток очень мал и поэтому входная проводимость у₁₁ так же очень мала.

Проводимостью обратной передачи у₁₂ на низких частотах так же можно пренебречь.

Проводимость прямой передачи у₂₁ называется крутизна и для транзистора, включенного по схеме с общим истоком, определяется как

Она характеризует управляющее действие затвора и измеряется в [мА/В]. Определяется по характеристикам заменяя бесконечно малые приращения конечными, то есть . Подробнее в [4].

Для получения высокой крутизны необходимо иметь канал с малой длиной и большой шириной. Увеличивать толщину канала и уменьшать удельное сопротивление нецелесообразно, так как это ведет к увеличению отрицательного порогового напряжения. Практически, длина канала составляет несколько микрометров, а его ширина может достигать тысячи микрометров.

Выходная проводимость

параметр характеризует влияние напряжения стока на ток стока. Ее определяют по выходным характеристикам, заменяя бесконечно малые приращения конечными, то есть

.

Величина выходной проводимости очень мала и обусловлена изменением длины канала при изменении напряжения стока. Чем короче канал, тем больше относительное изменение его длины при одном и том же приращении D U_СИ следовательно, тем больше проводимость у₂₂. Часто вместо параметра у₂₂ применяют обратную величину R_i = 1/ у₂₂. Этот параметр называется внутренним сопротивлением транзистора.

Помимо рассмотренных параметров используют параметр, характеризующий сравнительное воздействие напряжений стока и затвора на ток стока. Этот параметр называется коэффициентом усиления μ. Он равен отношению приращений напряжений стока и затвора, вызывающих одинаковые по величине и противоположные по знаку приращения тока стока:

.

Знак «минус» в этой формуле учитывает, что положительному приращению dU_СИ увеличивающему ток на величину dI_С соответствует отрицательное приращение dU_ЗИ уменьшающее ток на ту же самую величину dI_С, благодаря чему обеспечивается постоянство тока I_С.

Параметр μ определяется через параметры S и R_{i .} следующим образом:

μ=S∙R_i.

Полученное соотношение связывает между собой дифференциальные параметры полевого транзистора.

Так же как и в полевом транзисторе с р-n переходом, дифференциальными параметрами МДП-транзистора являются крутизна S, внутренняя проводимость у₂₂, и коэффициент усиления μ. Способ определения их по характеристикам такой же как и для полевых транзисторов с управляющим р-n переходом.

Для повышения крутизны надо снижать пороговое напряжение и уменьшать длину канала и толщину подзатворного диэлектрика, а также увеличивать ширину канала. Практически длина канала составляет от 1 до 10 мкм, толщина диэлектрика 0,1 мкм.

Важным параметром при работе полевых транзисторов в усилительном режиме является величина выходной проводимости. Желательно, чтобы она была небольшой.

Проводимость прямой передачи численно равна крутизне. Выбирая ПТ с высокой крутизной в рабочей точке, добиваются больших значений коэффициента усиления по напряжению.

Эквивалентная схема ПТ

Полевые транзисторы, по существу, являются приборами с распределенными параметрами. На практике используют упрощенные модели, напоминающие модели электронных ламп. Упрощенная эквивалентная схема ПТ на основе физической модели, которая определяется его структурой, представлена на рисунке 4.8. Здесь: r_С и r_И – неизменные сопротивления между каналом и выводами транзистора (называемые немодулированными сопротивлениями стока и истока); управляемое сопротивление канала r_i и генератор тока S ∙ U_ЗИ, создающий ток стока, зависят от входного напряжения U_ЗИ. Сопротивление канала r_i сравнительно велико, а немодулированные сопротивления r_С и r_И на два-три порядка меньше, чем r_i. Строго говоря, эти два сопротивления включены последовательно с сопротивлением канала, учитывая, что r_i ≫ r_С + r_И для упрощения анализа целесообразно r_С исключить,а r_i соединить непосредственно со стоком. Сопротивление r_И следует учитывать, т.к. оно существенно влияет на параметры транзистора.

Междуэлектродные емкости: входная затвор-исток С_ЗИ, проходная за­твор-сток С_ЗС и выходная сток-исток С_СИ.