69024

Частотні властивості польових транзисторів

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Це знижує ефективність управління затвора вхідною напругою Uзв. 1б струм джерела SU1 визначається не повною вхідною напругою Uзв а напругою U1 між затвором і каналом яка відрізняється від напруги Uзв падінням на опорі області каналу rк U1 = = Зі зростанням частоти напруга U1 зменшується тому...

Украинкский

2014-09-28

272.5 KB

0 чел.

                                         ЛЕКЦІЯ №12

Частотні властивості польових

транзисторів

Зі зростанням частоти параметри польових транзисторів ( ПТ ) погіршує- ться : зменшується вихідна потужність  Pm вих , вхідний Rвх і вихідний Rвих

опір , коефіцієнт підсилення за напругою KU ,може зявитися  самозбудження.                                                                                            

Це обумовлюється головним чином впливом небажаних розподільних ємностей :        -  затвор-витік Сзв,

  •  стік-затвор Ссз ,
  •  затвор-канал Сзк

і опорів не перекритої rк та перекритою Rі частини каналу

                                                                                                                   

                                                                                               б

                                                                                                

                                                                                                   в

           а

Рис.1. Моделі польового транзистора:

            а- фізична;  б- повна схема заміщення;   в- спрощена схема заміщення

Ємності Сзв  і  Ссз шунтують вихідний опір попереднього каскаду. Крім  того, ємність Сзк обумовлює появу в ланцюгу затвор-канал-витік вхідного струму, який призводить до падіння напруги на опорі каналу   rк . Це знижує ефективність управління затвора вхідною напругою Uзв .

Ємність Сзс є прохідною. Вона обумовлює зворотній зв’язок між вихідним та вхідним ланцюгами.

 

Вплив ємності Сзк враховують збільшенням ємності затвор-витік

Сзв=+ Сзк   .

Повна схема зміщення  ПТ ( рис. 1,б)  має крім вказаних елементів, ще його внутрішній опір Rі і джерело струму SU1, яке враховує підсилювальні влас- тивості транзистора. На схемі   ( рис. 1,б)  струм джерела SU1  визначається  не повною вхідною напругою Uзв, а напругою U1 між затвором і каналом, яка відрізняється від напруги Uзв падінням на опорі області каналу rк  

U1 =  =

Зі зростанням частоти напруга U1 зменшується , тому зменшується і ам- плітуда змінної складової вихідного струму ImC .

Зменшення вихідного струму транзистора на високих частотах враховують введенням частотної залежності крутості

                              S ( j ) = .                              ( 1 )

 Якщо прийняти, що U1 = Uзв , то можна перейти до спрощеної схеми

( рис. 1, в).

Параметрами польових транзисторів є :

С11 – вхідна ємність при короткому замкнені КЗ на виході;

С22 – вхідна ємність при КЗ на вході ;

С12 – прохідна ємність при КЗ на вході ;

Виразимо ці параметри через ємності схеми заміщення ( рис. 1, в) і навпаки

 С11 = Сзв + Ссз                            Сзв = С11 - С12

 С22 = Ссв + Ссз                             Ссв = С 22 -  С12

 С12 = Ссз                                           Ссз = С 12  ,

Використовуючи схему заміщення ( рис.1, в) можна знайти Y- параметри тран- зистора

Y11 = i ( Cзв + Ссз )          Y21                   (2)

Y12 = -jCсв                         Y22 =  +j( Ccв + Ссз)

Як виходе з (9.22), пряма провідність Y21 є крутістю S(  jw ) і залежить від опору rк  і ємності Сзк

  Частотними параметрами ПТ є :

  •  межова частота прямої передачі ;
  •  верхня межова частота

Y21 =  ,

якщо ws =      або ws = 2π fs     де         fs =

Частоту fs  називають межовою частотою прямої провідності. На ній пряма провідності зменшується в  разів відносно крутості на нульовій частоті S0 (рис.2,а).

                            а                                                        б

Рис.2. Частотні залежності параметрів ПТ:    а- Y21 =  ( f );  б- КU = ( f )

 Одначе необхідно памятати , що значення fs , яке визначається пара-метром Y21  знаходиться при короткому замкнені на виході , при якому значен-ням ємності Ссв нехтують. Тому в реальних схемах коефіцієнт передачі буде меншим завдяки наявності ємності Ссв1 , яка шунтує резистор навантаження Rн . Крім того, цей резистор шунтує і вхідну ємність Сзв2  наступного каскаду ( рис.3)

 

Рис.3.  Вплив небажаних ємностей  на вихід каскаду 1 підсилювача

З урахуванням цього, високочастотні властивості транзистора оцінюють верхню межовою частотою в . Для її знаходження запишемо формулу вихідного опору транзисторного каскаду за схемою  рис.3.

Z = =

 Коефіцієнт підсилення визначиться за формулою

КU =S|Z|,

де             |Z|= .

Ця формула дозволяє знайти верхню частоту підсилення fв, на якій коефіцієнт підсилення за напругою КU  н

КU =

зменшується в  раз відносно його значення при w = 0, К0 =S0Rн ( рис.2).

wв=  ;  wв = 2πfв

                                 fв =                                   (5)

З формули виходе, що для покращення частотних властивостей польових транзисторів необхідно зменшувати ємності Ссв1 , Сзв2 і опір  навантаження RН . Однак при зменшенні опору RН зменшується коефіцієнт КU .

Тому для визначення частотних властивостей підсилювача зручно використовувати добуток верхньої  частоти  fв на коефіцієнт на підсилення КU , який зветься коефіцієнтом широкосмуговості

КU fв =

Він залежить тільки від параметрів польового транзистора Сзв , Ссв , S0 .

Значний вплив на роботу транзистора на високих частотах має прохідна ємність Ссз1 , яка утворює зворотній звязок вихід-вхід за напругою. При збіганні фази цієї напруги з фазою вхідної напруги може виникати самозбудження. Ймовірність його зростає зі збільшенням частоти і коефіцієнта КU .

Для запобігання самозбудження підсилювача, частота вхідного сигналу не повинна перевищувати частоти сталого підсилення

f = 0.028 

Наприклад, для транзистора  2П306А, який має частоту  fs = 300 мГц, межова частота  fв  = 16 мГц, а частота самозбудження 60 мГц.  

12.2. БУДОВА , ПРИНЦИП РОБОТИ ТА СТАТИЧНІ                           ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЬОВОГО ТРАНЗИСТОРА                            З ІНДУКОВАНИМ      КАНАЛОМ  

      Це транзистори , у яких затвор відділений  від каналу шаром діалектрика – найчастіше двуокисом силіцію SiO2 .Основу транзистора з ізольованим затвором складають: силіцієва пластина (підложка), наприклад, n-типу(рис.12.6).

      По краях пластини створюються дві сильноліговані p+-області витоку (В) і стоку (С). На їх поверхні напиляють плівки алюмінію і припаюють виводи . Поверхню напівпровідника , між стоком та витоком , покривають шаром SiO2. На цей шар напилюють плівку алюмінію, до якої припаюють вивід. Цей вивід є затвором (З).

     В області затвору, таким чином, знаходиться тришарова структура: метал-діалектрик-напівпровідник, звідси і назва МДН-транзистори.

       МДН-транзистори можуть бути з індукованим n- або р- каналом збагаченого типу (рис.12.5, а) та з вбудованим р- або n-  каналом збідненого типу(рис.12.5,б)

                      р-канал                                     n-канал

                       р-канал                                         n-канал

                                  Рис.12.5. Типи МДН – транзисторів:

                                   а - збагаченого типу ; б – збідненого типу

      Найбільшого поширення отримали  МДН-транзистори з індукованим каналом  р-типу та з вбудованим каналом n-типу.

      В зв’язку з тим , що затвор ізольований від підложки діалектричним слоєм, струм  в ланцюзі затвора  дуже малий , також мала потужність споживана від джерела сигналу в ланцюзі затвора.

      До переваг МДН-транзисторів відносяться:

-мала чутливість до дефектів кристалічної структури;

-висока економічність;

-високий вхідний опір (зважаючи на малий струм в ланцюзі затвора);

-високе значення граничних частот -до 10 ГГц (завдяки малій вхідній ємності).

      До недоліків   МДН-транзисторів відносяться висока чутливість до радіаційного опромінення та статичної напруги.

12.2.1. БУДОВА , ПРИНЦИП РОБОТИ

      При відсутності напруги  UЗВ і за наявності напруги UСВ опір між стоком і витоком, що визначається двома підключеними назустріч р-n переходами, великий , а струм ІС дуже малий (10-9...10-10А). Канал відсутній (рис.12.6, а).

      З подачею напруги UЗВ<0 в напівпровіднику виникає електричне поле, яке вилучає електрони поверхневого шару підложки в області затвора в глубину підложки і притягує дірки  з p+-областей стоку і витоку до поверхні затвору. Концентрація дірок в підзатворній області зростає , але до певного значення концентрації вони зв’язані і не можуть забезпечити електропровідність каналу. Лише при збільшенні напруги UЗВ до значення , яке називається пороговим   UЗВ ПОР , в поверхневому шарі затвора концентрація електронів знижується настільки , що він починає збагачуватись дірками , і тому виникає провідність поверхневого шару тобто з’являється (індукується) канал, а з ним і струм ІС . Зі збільшенням напруги UЗВ < 0 зростає концентрація дірок в каналі і його провідність.

 Рис.12.6.  Структури ПТ з індукованим каналом:

                                                        а-   при UЗВ=0  ;    б-  при UЗВ<0

      Висновок: Для утворення каналу в транзисторі з індукованим каналом до затвора необхідно прикласти зворотню (відносно витоку) напругу, більшу за порогову.

    

12.2.2. ПЕРЕДАТОЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА

      В відповідності до розглянутого вище можна зобразити передаточну характеристику транзистора з індукованим р-каналом зі спільним витоком

          

                                   ІС=f( UЗВ)   при  UСВ = const

Передаточна характеристика починається з напруги на затворі , яка називається пороговою UЗВ ПОР та зростає за квадратичним законом (рис.12.7).

                                         ІС=а( UЗВ- UЗВ ПОР)2 ,

 

                   

  де                                     а= ,

         μns-поверхнева рухливість електронів;

         Wширина каналу;

         ∆- товщина підзатворного діалектрика;

          l –довжина каналу.

       Для збільшення ІС відношення довжини каналу до його ширини  пови

нно бути малим.

 Рис.12.7.  Передаточна ВАХ  ПТ

     

      Напруга UСВ мало впливає  на струм ІС . Порогова напруга в сучасних транзисторів має значення від 2,7 до 10В.

 

                            12.2.3. ВИХІДНА ХАРАКТЕРИСТИКА

      Вихідна характеристика представляє собою залежність

                       ІС=f( UСВ)   при  UЗВ = const

      Розглянемо її хід при UЗВ > UЗВ ПОР (рис.2).

      При UЗВ > UЗВ ПОР виникає канал, але якщо UСВ=0 , то струм ІС=0 і товщина індукованого каналу буде однаковою (рис.12.8 , а).

      При UСВ<0 в каналі з'являється струм стоку ІС (рис.12.8, б). Спочатку зі зростанням UСВ він буде зростати за лінійним законом, потім ввійде в насичення. Поява струму ІС призводить до спаду напруги на опорі каналу (вздовж нього). На значення цього спаду напруги зменшиться різниця потенціалів між затвором і каналом.

      Таким чином , сумарне поле буде різним по довжині каналу – при наближенні до стоку воно зменшується. Це призводить до звуження каналу і зменшення росту ІС зі зростанням UСВ.

 Рис.12.8  Структури підзатворної області ПТ з вбудованим каналом при зміні напруги UСВ:

                         а- UСВ=0 ;  б- UСВ<0 ;   в- UСВ= UСВ НАС ;   г- UСВ> UСВ НАС

      З подальшим збільшенням напруги UСВ до UСВ НАС канал поблизу стоку стає вузьким (рис.12.8 , в), що різко збільшує його опір. Струм ІС досягає значення    ІС НАС , яке майже не збільшується при подальшому зростанні напруги UСВ (рис.12.8 , г).

      На рис.12.9 зображено сімейство вихідних статичних характеристик. Характеристика при більшому UЗВ проходить вище інших, оскільки в цьому випадку канал  більше насичується дірками , ІС буде більшим і перехід в режим насичення відбудеться при більших напругах на стоці

                                      UСВ НАС= UЗВ- UЗВ НАС 

 

 Рис.12.9  Вихідні ВАХ ПТ

      Вихідні характеристики мають круту і пологу області та область пробою.

Круту область можна апроксимувати формулою

                                   ІС=b[(UЗВ-UЗВ ПОР)UСВ-] ,

де      b =                                                                                                                                                                 

         μрs-ефективна рухливість дірок в каналі;

         Wширина каналу;

         СЗК- питома ємність З-К;

          l –довжина каналу.

Для збільшення ІС  необхідно збільшувати b за рахунок відношення  (необхідний короткий і широкий канал), а також зменшити UЗВ ПОР (заміна металевого затвора кремнієвим зменшує UЗВ ПОР до 1,5 В).

      Полога частина характеристики описується формулою

                                            ІС=  (UЗВ-UЗВ ПОР)2 ,

тобто при насиченні струм ІС не залежить від напруги UСВ .

      В крутій області транзистор працює як єлектрично керований резистор , а в пологій – як підсилювач.

      При перевищенні електричних режимів в транзисторі виникає пробій р-n перехода під стоком або пробій діалектрика під затвором.

      Пробій р-n перехода під стоком виникає при великих напругах UСВ . На напругу UСВ ПРОБ впливає UЗВ : при збільшенні напруги UЗВ зростає UСВ ПРОБ .

      Пробій діалектрика під затвором може відбутись при напрузі на затворі в декілька десятків вольт. Цей вид пробою може виникнути внаслідок накопичення статичних зарядів , оскільки на вході опір МДН-транзисторів великий. Для виключення можливості такого пробою вхід МДН-транзистора часто захищають стабілітроном, котрий обмежує напругу UЗВ .

      Затвор МДН-транзистора і підложка, розділені шаром діалектрика, утворюють конденсатор. Великий опір витоку (близько 1012 Ом ) цього конденсатора створює сприятливі умови для нагромадження на ньому статичних зарядів з потенціалом, здатним спричинити необоротній пробій діалектричного шару. При цьому затвор транзистора не можна залишати вільним, не приєднаним  до спільної шини або шини живлення. Крім того , вхід транзистора захищають діодно-резистивним ланцюгом. В залежності від значення і полярності  напруги на вході діоди або проводять струм в прямому напрямі, або опиняються в режимі лавинного пробою, котрий настає при зворотній напрузі близько 30-35 В . Лавинний пробій діодів має оборотній характер.

         

           12.2.4.  ВПЛИВ ТЕМПЕРАТУРИ НА СТАТИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ

                МДН-ТРАНЗИСТОРА З ІНДУКОВАНИМ КАНАЛОМ

      З ростом температури рухливість носіїв заряду в каналі падає, що приводить до збільшення опору каналу, тобто до збільшення струму ІС . З іншого боку, при збільшенні температури збільшується концентрація неосновних носіїв в підзатворній області. Це призводить до зменшення порогової напруги на затворі. Цей фактор переважає в початковій області передаточних характеристик, де    значення UЗВ-UЗВ ПОР невелике. Тут зі зростанням температури збільшується і струм стоку (рис.12.10) при заданій напрузі UЗВ .

      В області , де значення UЗВ-UЗВ ПОР велике з ростом температури переважає вплив зменшення рухливості носіїв заряду, тому зростання струму стоку зменшується.

      Існує така напруга на затворі, при якій обидва фактори взаємокомпенсуються і температурний коефіцієнт буде дорівнювати 0. Точка Т на статичних характеристиках називається точкою температурної стабілізації. В ній при температурах Т1 і Т2 струм ІС не залежить від температури. Ця властивість польового транзистора може використовуватися для температурної стабілізації режиму.

                                  UЗВ Т = UЗВ ПОР +(0,8...2,4)В

 Рис.12.10  Термостабільна точка на передаточній ВАХ ПТ

      На жаль, практично термостабільні властивості ПТ не завжди можливо використати, оскільки термостабільна точка Т  знаходиться на нелінійній ділянці передаточної характеристики.

12.3. БУДОВА , ПРИНЦИП РОБОТИ ТА СТАТИЧНІ                             ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЬОВОГО ТРАНЗИСТОРА З                   ВБУДОВАНИМ КАНАЛОМ

      Канал у транзисторі може бути вбудованим при виготовленні, шляхом створення між витоком і стоком тонкого шару напівпровідника з провідністю протилежною до провідності підложки. Такі транзистори називаються транзисторами з вбудованим каналом. Розглянемо принцип роботи ПТ
з
n-каналом .У такого транзистора, за присутності напруги UСВ , струм ІС  0  навіть за відсутності напруги UЗВ=0.

      При  напрузі UЗВ<0 і під дією електричного поля концетрація електронів  в каналі знижується (канал збіднюється), його провідність і струм ІС зменшуються.

 Рис.12.11  Структура транзистора з вбудованим n-каналом

      При  напрузі UЗВ>0 електричне поле переміщує електрони з об′єму напівпровідника в канал, збільшуючи його провідність. При цьому збільшується струм ІС (канал збагачується) .

      Таким чином , управління струмом ІС транзистора з вбудованим каналом можливе як позитивною так і негативною напругою затвора.

      При деякій напрузі UЗВ ВІД < 0 шар з протилежним  по відношенню до підложки типом провідності зникає, виникає відсічка каналу, при якій струм ІС зменшується до  0.

      Передаточна характеристика такого транзистора зображена на рис.12.12

                       Рис.12.12  Передаточні характеристики ПТ з вбудованим n-каналом

Для транзистора n-типу напруга UЗВ ВІД < 0, а для p-типу UЗВ ВІД > 0.

Вихідні характеристики ПТ зображені на рис.12.13

                                Рис.12.13.  Вихідні характеристики ПТ з вбудованим n-каналом

      З вихідних ВАХ виходить, що для n-каналу при відсутності напруги UЗВ буде існувати струм стоку ІС при позитивній напрузі UСВ він буде більшим, а при негативній напрузі UЗВ – меншим.

 

13


б

- UСВ

 p+

С

Каскад 1

Сзв2

Ссв1

Rн

Каскад  2

З

В

 p+

n

П

б

В

 p+

n

П

а

f

fВ

0

0

K0

KU

f

fs

Y21

S

З

С

 p+

- UСВ

UЗВ<0

UЗВ=0

а

- U ' СВ

- U ''СВ

- UЗВ

- UЗВ ПОР

|U ' СВ|>| U ''СВ|

ІС

0

UСВ<0

n

p

p

UСВ<UСВ НАС

UЗВ>UЗВ ПОР

UСВ=0

U(х)= UЗВ- UСВ

UСВ

UСВ=const

П

З

p

n

П

З

n

p

б

UЗВ<0

а

UСВ=UСВ НАС= UЗВ- UЗВ ПОР

UСВ>UСВ НАС

U(x)

U(x)=UСВ ПОР= UЗВ- UЗВ НАС

П

З

p

П

З

n

p

n

г

в

- UСВ

І 'С НАС

І ''С НАС

І '''С НАС

- U '''ЗВ

- U ''ЗВ

- U 'ЗВ

U 'СВ НАС

І С

U ''СВ НАС

U '''СВ НАС

|U '''ЗВ|>|U ''ЗВ|>|U 'ЗВ|

ІС

Т1 < Т2

Т

UЗВ Т

ІС Т

UЗВ

UЗВ ПОР1

UЗВ ПОР2

П

p

n+

В

З

С

 n+

+

,+

+,

П

С

В

З

+

+ ,

ІС

UЗВ

-UЗВ ВІД

UЗВ′′ > UЗВ

І С

U 'ЗВ<0

UСВ

U '''ЗВ>0

U ''ЗВ=0


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

17299. Засоби захисту від спаму 155 KB
  Лекція 9. Засоби захисту від спаму Загальні відомості Спам давно вже перестав бути просто нав'язливою рекламою. Технології які використовують спамери для розсилки пошти небезпечні для корпоративних інформаційних систем. Вони використовують шкідливий мобільний код
17300. Шпигунське програмне забезпечення. Шпигунські війни: spyware і боротьба з ним 64 KB
  Лекція 10. Шпигунське програмне забезпечення Шпигунські війни: spyware і боротьба з ним По даним Earthlink програми що відносяться до категорії spyware сьогодні встановлені майже на 90 комп'ютерів підключених до Мережі є й більш вражаючі цифри. Причому мова йде не про один п...
17301. Шпигунські програми й методи захисту від них 135.5 KB
  Лекція 11. Шпигунські програми й методи захисту від них Програмне забезпечення й апаратні пристрої призначені для прихованого спостереження за діяльністю користувачів персональних комп'ютерів одержали останнім часом саме широке поширення. У світовій мережі Інтернет
17302. Технологія адаптивного управління інформаційною безпекою 632.5 KB
  Лекція 12. Технологія адаптивного управління інформаційною безпекою Рішення проблем безпеки корпоративних інформаційних систем вимагає застосування адаптивного механізму що працює в режимі реального часу і володіє високою чутливістю до змін в інформаційній інфраст...
17303. Засоби адаптивного управління інформаційною безпекою. Система виявлення уразливостей захисту 119.5 KB
  Лекція 13. Засоби адаптивного управління інформаційною безпекою. Система виявлення уразливостей захисту Основні рішення В умовах обмежених ресурсів використання засобів SAFEsuite є проблематичним ізза їх високої ціни. Основною задачею є пошук безкоштовних засобів адап...
17304. Технологія захисту інформації на базі захищених віртуальних приватних мереж 336 KB
  Лекція 15. Технологія захисту інформації на базі захищених віртуальних приватних мереж Концепція побудови захищених віртуальних приватних мереж – VPN У основі концепції побудови захищених віртуальних приватних мереж – VPN лежить достатньо проста ідея: якщо в глобальній ...
17305. Класифікація і рішення для побудови віртуальних приватних мереж VPN 216 KB
  Лекція 16. Класифікація і рішення для побудови віртуальних приватних мереж VPN Класифікація VPN Різні автори порізному проводять класифікацію VPN. Найчастіше використовуються три наступні ознаки класифікації: робочий рівень моделі OSI; конфігурація структурного ...
17306. Основи захисту периметру корпоративних мереж Засоби захисту периметру 530 KB
  Лекція 23. Основи захисту периметру корпоративних мереж Засоби захисту периметру Периметр це укріплена границя корпоративної мережі що може включати: маршрутизатори routers; брандмауери firewalls; проксісервери; proxyservers систему виявлення вторгнень IDS; ...
17307. Захист Windows Server. Механізми зміцнення безпеки Windows Server 123 KB
  Лекція 18. Захист Windows Server Механізми зміцнення безпеки Windows Server Операційна система Windows Server містить майстер настройки безпеки засіб заснований на використанні ролей що дозволяє забезпечити додаткову безпеку серверів. При використанні спільно з об'єктами групової п...