Частотные свойства полевых транзисторов

 

Анализ показывает, что по частотным свойствам полевой транзистор не имеет особых преимуществ перед биполяр­ным. Практически были осуществлены полевые транзисторы с максимальной частотой генерации до 30 ГГц. Но с точки зрения бы­стродействия полевой транзистор превосходит биполярный, так как работает на основных носителях заряда при отсутствии их нако­пления.

На частотные свойства полевых транзисторов оказывают влияние:

- конечность времени пролета носителей от истока до стока;

- межэлектродные емкости структуры.

Конечность времени пролета носителей t_ПР отражается комплексной крутизной

(4.6)

Здесь S₀ - значение крутизны при ω → 0.

Модуль крутизны равен:

(4.7)

При ω = ω_S крутизна уменьшается в раз, частоту ω_S называют предельной частотой крутизны.

Частота ω_S связана с временем пролета t_ПР соотношением

ω_S=1/ t_ПР.

Для выяснения частотной зависимости параметров транзистора от межэлектродных емкостей необходимо воспользоваться эквивалентной схемой (рисунок 4.7).

Из эквивалентной схемы следует, что к ёмкости затвор-сток приложена сумма двух напряжений: входного и выходного. Причем выходное напряжение . Входной ток транзистора разветвляется на две ветви: часть тока течет через входную емкость С_ЗИ, часть через емкость С_ЗС. Тогда входной ток будет равен

 

где . (4.8)

Отсюда следует, что наличие проходной емкости С_ЗС увеличивает входную емкость транзистора, что ведет к снижению предельной частоты, поскольку емкость С_Э, определяющая предельную частоту, включает в себя и входную емкость транзистора, шунтирующую резистор нагрузки R_Н.

Ток затвора I_З во входной цепи полевого транзистора с управляющим p-n переходом является обратным током, который созда­ется неосновными носителями через p-n переход, чрезвычайна мал (порядка 10^-9 А и менее). Поэтому входное сопротивление по­левого транзистора R_ВХ=DU_З/DI_З очень высокое (порядка несколь­ких мегомов), входная же емкость мала, так как переход нахо­дится под обратным напряжением. Этими качествами полевой транзистор выгодно отличается от биполярных транзисторов с дву­мя p-n переходами

Входное сопротивление МДП-транзистора из-за нали­чия изолятора между затвором и каналом составляет около 10¹² - 10¹⁴ Ом и уменьшается с ростом частоты вследствие шунтирования входной емко­стью транзистора. Выходное сопротивление находится в пределах десятков - сотен килоомов. Входная и выходная емкости составляют единицы пикофарад, а проходная емкость -десятые доли пикофарад.

Полевой тетрод

Конструктивным вариантом ПТ является двухзатворный транзистор - МДП – тетрод. Управляющим является первый затвор. Второй затвор, действуя как электростатический экран, уменьшает проходную ёмкость прибора (эффект Миллера). Возможность работы на более высоких частотах - основное преимущество тетрода по сравнению с МДП - транзистором. Кроме того, тетрод существенно упрощает конструирование смесительных устройств.

Примерами промышленных образцов являются МДП - тетроды со

встроенным каналом n - типа и двумя затворами, предназначенные для высокочастотных каскадов радиоприёмных устройств. При необходимости второй затвор (как экранирующую сетку пентода) можно использовать в качестве второго управляющего электрода, например, в схеме преобразователя (смесителя) частоты.

Таблица 4.1. УГО основных типов полевых транзисторов

Тип транзистора	УГО
p-канал	n-канал
Полевые транзисторы с p–n переходом и каналами
Полевые МДП транзисторы с индуцированным каналом р - и n- типа
Полевые МДП транзисторы со встроенным каналом р - и n- типа
Полевой транзистор с затвором Шоттки и каналом n -типа.
Полевой тетрод с каналом р - и n- типа

Контрольные вопросы к разделу 4

 

Дайте определение полевым транзисторам (ПТ).

Изобразите устройство и поясните принцип действия ПТ с p-n переходом.

Изобразите устройство и поясните принцип действия ПТ со структурой МДП.

Изобразите устройство и поясните принцип действия ПТ с барьером Шоттки.

Приведите условные графические обозначения ПТ разных типов и структур.

Приведите и охарактеризуйте вид передаточных характеристик ПТ различных структур.

Приведите и охарактеризуйте вид выходных характеристик ПТ различных структур.

Дайте определение Y-параметрам ПТ.

Поясните, каким образом можно определить крутизну S по характеристикам ПТ?

Поясните, каким образом можно определить выходное сопротивление по выходным характеристикам ПТ?

Охарактеризуйте основные справочные параметры ПТ.

Изобразите эквивалентную схему ПТ. Поясните роль всех элементов модели.

5 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Общие сведения

Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n- переходами, предназначенный для усиления электрических колебаний по току, напряжению или мощности. Слово «биполярный» означает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что они располагаются достаточно близко – на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. В зависимости от порядка чередования областей различают БТ типа n-p-n (или со структурой n-p-n) и типа p-n-p (или со структурой p-n-p). Крайние области называются эмиттер и коллектор, а средняя – база. Условные изображения таких структур и условные графические обозначения на принципиальных схемах показаны на рисунке 5.1. Стрелки на условных изображениях БТ указывают направление прямого тока эмиттерного перехода.

Контакты с областями БТ обозначены буквами: Э - эмиттер; Б - база; К - коллектор.

а) типа n-p-n	б) типа p-n-p
Рис. 5.1. Структуры БТ:   Упрощенное устройство сплавного транзистора приведено на рис. 5.2а, а планарного транзистора (т.е. выводы сделаны в одной плоскости) структуры n-p-n изображено на рисунке 5.2 б. Обязательным условием работы транзистора является то, что эмиттерная область выполняется с высокой концентрацией примесей и обозначена верхним индексом «+» (n +). Поэтому БТ является асимметричным прибором. Область n является коллектором. Соответственно область p являетсябазовой(или базой). Область n + под выводом коллектора служит для исключения выпрямляющего контакта и создания омического контакта между выводом и телом коллектора. Переход n +- р между эмиттером и базой называют эмиттерным, а p-n между базой и коллектором - коллекторным.

Рис.5.2 Устройство сплавного транзистора а), стройство планарного транзистора типа n-p-n б)