Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Для схемы с общим истоком(см. рис.тотой6.9,б) входная проводимость на переменном сигнале с часro равнаУ11и = d~3 I=3и ИсиИпи; const-jюСзи· Здесь емкость Сзи прибли-зительно равна емкости затвор-канал.Остальные параметры определяются формулами:у 12 и= dladИсиI=И 3 иИпи;-jroCзc - проводимость обратной пе-constредачи;У2ш=d~c13И ИсиИпи; const=В - проводимость прямой передачи,определяющая статическую крутизну сток-затворной характе-ристики транзистора Sdl с 1dU=;3И ИсиИпи; constУ22имасть,dlc= dURi1=·(1/R;) -jroCcп-выходная проводи-СИ ИаиИпи; const=-dz.~иlИ 3 иИпи;внутреннее сопротивление, Ссп -constбарьерная емкость стокового перехода (перехода сток-подложкаМДП -транзисторов).В приведенных формулах буква «И» в индексах обозначаетисток.Глава6.199Полевые транзисторыНа практике в основном используются такие малосигнальныепараметры, как S, R; и µУ.
Последний параметр µУ= ~~си/ЗИ [с~ constявляется коэффициентом усиления транзистора по напряжению. Онможет быть выражен через крутизнуSи внутреннее сопротивление Ri:(6.11)Крутизна сток-затворной характеристикиS для пологого участкастоковой характеристики может быть получена дифференцированием выражения(6.6) поИзи в следующем виде:(6.12)Из формулы(6.12)следует, что при И 3 и-И пор=1Впараметр К численно равен крутизне, поэтому К называется удельной крутизной.
Используя последнее выражение и формулуустановим связь крутизны с рабочим током:S= j2Kic·(6.6),·(6.13)Реальные значенияSдля. полевых транзисторов составляютот десятых долей До нескольких мА/В;Внутреннее сопротивлениеRi=r с на пологом участке БАХобусловлено зависимостью длины канала от стокового напряжения. Увеличение напряжения И си сопровождается возрастанием ширины стокового перехода ЛL и соответственно уменьшением дл:ины каналаL',при этом удельная крутизна К и токстока тоже увеличиваются.
Это явление подобно эффекту Эрли(см. гл.4),Поэтому сопротивлениеR 1 МДП-транзистораопределяется выражением, подобным формуле для коллекторного сопротивления r:к. Зависимость Ri= rcотIcтакая же, как и зависимость r:к от I:к у биполярных транзисторов.Из стоковых характеристик видно, что Ri тем больше, чемвыше И си· При И си=О получается наименьшее значение внутреннего сопротивленияRю = 1/[К(ИзиRi =Rю, где- И пор)]= 1/S.(6.14)Наибольшего значения сопротивление Ri достигает в пологойчасти стоковой характеристики, где оно составляет десятк:и исотни кОм.200Раздел1.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫПомимо рассмотренных параметров, тесно связанных с полевымитранзисторамикакчетырехполюсниками,напрактикеимеют большое значение и такие параметры, как обратные токиистокового и стокового переходов и обратные токи затвора вПТУП, а также напряжение пробоя подзатворного диэлектрикаи рассмотренные выше паразитные емкости транзисторов.6.6.Частотные и импульсные свойстваполевых транзисторовКак и в биполярных транзисторах, частотные свойства полевых транзисторов определяются временем пролета носителей вканалеипаразитнымиемкостями,присущимиконкретномутипу и конкретной структуре транзистора.
Среднее время пролета tпр электронами п-канала складывается из времени пролета каналаL' иучастка перекрытия ЛL.В п-канале электроны перемещаются со средней дрейфовойскоростью(6.15)где средняя напряженностьв канале дается формулойS продольного электрического поляS =(Изи -И пор)/ L, а L= L' + ЛL.В области перекрытия электроны перемещаются со скоростью насыщения инас' в результате общее среднее время пролетачастиц от истока до стока будет равноtпр = L' /vдрили с учетомtпр+ ЛL/vнас(6.16)(6.15)= (L') 2 /[µп(ИЗИ -Ипор)]+ ЛL/vнас•(6.17)Наличие времени пролета tпр приводит к зависимости крутизныSот времени и частоты (см.[34]),т.
е.Sстановится комплексной величиной вида.Sгде=S/[1+ j(f /f8 )],(6.18)fs = l/(21ttпp)- предельная частота крутизны, на которой ISIуменьшается вJ2ческой крутизнойраза при Иси = const по сравнению со стати-S.Приf. = S:::: const.« f 8 крутизна SВ мало-сигнальной модели полевого транзистора время пролета моделируется постоянной времени tпр=твор-канал, не показанная на рис.RРзк' где Сзк6.8.-емкость заГлава6.Полевые транзисторы201Рассмотрим роль емкости затвор-сток Сзс• которая включенав цепь обратной связи. Полная входная емкость Свх определяетсяемкостями Сзи и Сзс· При наличии усиления в каскаде емкостьСзс сильно увеличивает входную емкость. Ток, протекающий через конденсатор обратной связи Сзс• создает дополнительное напряжение на затворе, которое складывается с входным напряжением, т. е. возникает обратная связь по напряжению, которая навысоких частотах может привести· к самовозбуждению усилительного каскада.
Выходная емкость транзистора, включенного вусилительный каскад при наличии емкости нагрузки Сн, будетравна Свых=Сси+ Сн, где емкость Сси = Ссп• т. е. Ссп в основномопределяется емкостью обратносмещенного р-п-перехода стокподложка,но поскольку в рассмотренных условиях подложкасоединена с истоком, то можно считать что емкость сток-истоки сток-подложка эквивалентны.
Анализ показывает (см.п.5. 7),[1],что граничная частота усилителя fгр связана с предельнойчастотой крутизны соотношением(6.19)Здесь fгр-частота, на которой модуль коэффициента усиления по напряжению равен1,а емкость Сзк=Сзи-Спер (Спер-емкость перекрытия затвор-исток).Таким образом, если Свых»Сзю то f гр« f 8 • Обычно эти соотношения справедливы для дискретных транзисторов. В интегральных схемах Свых и Сзи могут быть соизмеримы и f гр приблиf 8 • У прощенную модель (эквивалентнуюб) в этом случае применять нельзя.жается по значению ксхему на рис.6.8,Импульсный режим работы транзистора широко применяется в цифровых устройствах, преимущественно в полевых транзисторах интегральных схем, и будет рассмотрен в гл.мере логического элемента6. 7.-9на приинвертора.Разновидности полевых транзисторов.Силовые комбинированные транзисторыК достижениям силовой электроники последних лет относятся разработки таких новых типов транзисторов, как транзисторы со статической индукцией (СИТ и БСИТ) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИ3).
Эти типы транзисторов могут коммутировать токи свыше500 Аи напряжения доРаздел2022 кВ.1.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫВ отличие от тиристоров (см. гл.6) этиприборы имеют лучшее управление, высокое быстродействие и малое потреблениетока по цепи управления.Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ)представляют собой удачное сочетание входного полевого транзистора с изолированным затвором и вертикальным каналом свыходным биполярным п-р-п-транзистором.
Имеются многоразновидностей таких приборов, однако наибольшее распространение получили приборы, которые в зарубежной литературеимеют названиеInsulated Gate Bipolar Transistor (IGBT).IGBT включает два биполярных транзистора п-р-п (VT 1 ) ир-п-р (VT 2 ) и полевой транзистор с изолированным затвором VT (рис. 6.11, а).СтруктураКак видно из приведенного рисунка,транзистораторный токVT 1I к2ток коллектораVT 2 ,влияет на ток базы транзисторатранзистораVT 2определяет ток базызультате структура из двух транзисторовIюа коллекVT 1 •VT 1 и VT 2 имеетВ реглубокую внутреннюю положительную обратную связь.Вводя коэффициенты передачи тока а 1 для транзистораи а 2 для транзистораVT 2 ,VT 1получим, что Iк 2 = Iэ 2 а 2 , Iю = Iэ 1 а 1 и,Iк,А8В207В15105JикэзатГр ~----~1И33оR224= 5В6б)Коллектор~IэИзи6ВЗа•~• ~Эмиттера)Эмиттерв)Рис.6.11810И ею ВГлавапоскольку токиIc,6.Iю и Iк 2 текут по параллельным ветвям,суммируясь в точке, откуда вытекает ток(см.
рис.а). В результате ток стока6.11,203Полевые транзисторыследнего соотношения, равенIc = Iэ(l -I э• то I э = I ю + I к 2 + I сIc, полученный из поа 1 - а 2 ).Поскольку ток стока полевого транзистораI с = SU з•токIGВТтранзистора равенгде Sэ =S/(l -а 1 - а2 ) -эквивалентная крутизна биполярноготранзистора с изолированным затвором(IGBT), которая может~ 1. Значения а 1 и а 2сопротивлений R 1 и R 2 (см. рис.
6.11, а).принимать большие значения при а 1можно изменять за счетНа рис.IGBT,6.11,+ а2б приведены БАХ одного из транзисторов типагде значение крутизны достигает15 А/В.Достоинством БТИЗ является значительное снижение падения напряжения на замкнутом транзисторном ключе; это объясняется тем, что в режиме насыщения последовательное сопротивлениеVT 1иR2VT 2 ,шунтируется двумя насыщенными транзисторамивключенными последовательно. Условное обозначение биполярного транзистора с изолированным затвором приведено на рис.6.11,в, где отражается гибридность этого прибора,включающего элементы условного обозначения полевого и биполярного транзисторов.Следующей разновидностью приборов, сочетающих свойстваполевых и биполярных транзисторов, являются статические индукционные транзисторы (СИТ).
СИТ[35] представляютсобой полевые транзисторы с управляющимр-п-переходом. Они работаютв режиме полевого транзистора, когда на затвор подано обратноенапряжение, и в режиме биполярного транзистора, когда на затвор подано положительное смещение и затвор выполняет рольбазы биполярного транзистора. По сравнению с биполярнымитранзисторами СИТ имеют лучшее быстродействие из-за лучшегорассасывания неосновных носителей, появляющихся в канале припрямом смещении р-п-перехода (затвора). Оно обусловлено тем,что в отличие от биполярного транзистора, обратное напряжениена затворе может достигать30 В. Время включения СИТ практиче20".25 нс при заски не зависит от режима работы и составляетдержке не более50 нс.На этапе выключения происходит рассасывание накопленных в открытом состоянии неосновных носителей,Раздел2041.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫпо аналогии с биполярным транзистором.
В результате возникаетзадержка выключения на время от20 нс до 5 мкс.В обычных СИТ при нулевом напряжении на затворе каналнаходится в хорошо проводящем состоянии (нормально открытое состояние). При подаче отрицательного (обратного) напряжения между затвором и истоком проводимость сильно снижается и транзистор переходит в непроводящее состояние. Нормальнооткрытоесостояние приотсутствии управляющего сигнала затрудняет применение СИТ в качестве ключа. Этого недостаткалишены БСИТ (биполярные СИТ), в которых напряжение отсечки технологическими приемами сведено к нулю.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
