Степаненко И. Основы теории транзисторов и транзисторных схем (1977) (1086783), страница 70
Текст из файла (страница 70)
вора, канал МДП транзистора следует рассматривать как распределенную )сС-систему. Однако удобнее в первом' приближении охарактеризовать инерционность этой системы постоянной времени, т. е. уподобить канал простейшей ИС-цепочке. В качестве элементов такой цепочки монсно принять емкость затвора (5-64) н сопротивление канала (5-69).
Тогда постоянная времени канала (она же аослтолннан времени крутизны) будет иметь вид: тз=РоС,= р з з (5-86) Как видим, это по существу обратная величина добротности (5-65). Для улучшения переходных н частотных свойств МДП транзистора нужно в первую очередь уменьшать длину канала, а также увеличивать приповерхностную подвижность. При обычной длине канала 5 — 10 мкм граничная частота крутизны (1/2 пт,) лежит в пределах 100 — 300 МГц. Однако при ультракоротких (доли микрона) каналах удается обеспечить граничные частоты до 1Π— 20 ГГц.
На эквивалентной схеме параметры С, и 1сз не показаны, так как их влияние отражено операторным нли комплексным характером крутизны 5. В типичных случаях емкость затвора составляет десятые доли пикофарады (иногда 1 — 2 пФ), а сопротивление канала— сотни ом. Переходя к температурным зависимостям, монгно отметить, что МДП транзисторы, как и унитроны (см. стр. 292), характерны наличием так называемого к р и т и ч е с к о г о т о к а 1, „, при котором температурная чувствительность тока г(1,1г(Т равна нулю. Значение критического тока (или соответствующего ему напряжения (l, — (1з) получается путем дифференцирования выражений (5-60) илн (5-13), с учетом зависимостей Ь (Т) и Уо (Т). Показано ИОО), что зависимость Ь (Т) связана с функцией )з (Т), а зависимость Уз (Т) — с функцией ср,„(Т).
В результате анализа, с учетом выражений (1-32) и (1-13), оказывается, что условие т(1,1г(Т = 0 соответствует эффективному напряжению на затворе: Уз — Уз=(0.8 — 2*4) В (минимальное значение соответствует концентрации примеси в подложке 10" см ', максимальная — концентрации !О" см з). Обычно ток 1,„з в 5 — 10 раз меньше иолшнального тока '. В диапазоне 1, > 1,,р (в частности, в номинальном режиме) г(1,ЯТ > О, а в области микрорежима (1, < 1,ва), наоборот, г(1,1г(Т < О. На практике температурную стабильность МДП транзисторов характеризуют чаще не приращением т о к з Ым а зквивалентньщ приращением п о т е и- пиала затвори ЛУз, котороеобеспечиваетпостоянство тока 1е при изменениях температуры.
Оба прирапения связаны очевидным соотношением з Номинальным считают ток, соответствующий напряжению У вЂ” Ьз= Сгз' с учетом (5-60) 1„„= — ~ Ы/зь 81 = 881) . Отсюда величина температурной чувсп1нтельности ап (т. е. проитводиой т)11,)ду)-связана с температурной чувствительностью е (т.
е, производной П/сИТа) соотношением ег еп= —. Я (8-87) для токов, блиаких к критическому, характерны значения ац — — -+. 0,8 мВ)'С, для «сверхкритнческихт токов (в частности, номинальных) в = -1- (8 — 10) мВ!'С, а для <субкрктическиха (в 10 — х0 раа меньших критического) ап — — — (4— 8) В) С. Проводя аналогичный анализ применительно к крутизне, нетрудно убедиться, что можно получить аз = О, но прн меныпем токе, чем т',,р. В обоих случаях осложняющим обстоятельством является то, что малая нлн нулевая е получается ценою сннження временнбй стабильности рабочей точки, так как критические напряжения (У, — Уа)ар оказываются малыми по сравнению с напряженнем (ге н дрейф последнего сильно сказывается на разности (I, — ()е.
Более подробные сведения о температурном н временном дрейфе можно найти в !109, 1001. В заключенне отметим тенденцию к уменьшению порогового напряжения МДП транзисторов с тем, чтобы приблизить нх напряження питания к напряженним питания биполярных транзисторов в интегральных схемах (3 — 5 В).
За последнее время на этом пути достигнуты большие успехи. Одним нз новых методов является замена алюминия в качестве электрода затвора на материалы, обеспечнвающне меньшую контактную разность потенциалов с кремннем [см. (5-53)). Например, используется молибден нлн полнкрнсталлнческнй кремний, который прн достаточном легнрованнн нмсет сравнительно небольшое удельное сопротивление. Такие приборы называют МДП транзисторами с моднбденовым нлн кремниевым затвором (1101. Их пороговые напрянтення доходят до 0,5 — 1 В. Схемы включения.
МДП транзистор, как н биполярный (и как любой другой актнвный трехполюсннк), может включаться тремя разными способами. По аналогии со схемами СЭ, ОК н ОБ у биполярных транзнсгоров (см. рнс. 4-4) у МДП транзисторов разлнчают схемы с общим истоком (ОИ), оби(им стоком (ОС) н общим залмоРол) (ОЗ) (рнс. 5-35). Первая, наиболее распространенная, подробно исследована вьппе.
Для остальных двух ограничимся краткими замечаниями. С х е м а ОС лежит в основе истоковыхлоеторятвлей, которые, как н другие поаторпталщ характерны повышенным входным н поннженным выходным сопротивлениями (по сравнению с основной схемой ОИ), а такнге коэффициентом передачи напряжения, близкнм к единице. В схеме ОС выходное сопротивление (со стороны истока) нетрудно найти, задавая на выходе некоторое напряженке ЛУ н определяя соответствующий ток И = ттт„. Поскольку Потенциалы у, н (', неизменны, получаем: (Ли,„~ =)би,„~ = Ли. Подставляя эти значения в формулу К!„= М, = 8 Ы3 + - - И/,„, (5 88) ч используя- соотношение (5-61), запишем выходное сопротивление й0/М в следующем виде: ят йвмя ос р+! При условии р ~~а 1, которое всегда выполняется, Й ос — ~- ° ! (5-89б) Входное сопротивление в схеме ОС (без нагрузки в цепи истока), разумеется, равно Й,.
а) и с Рис. о-Зо. Схемы вкл~очеиия МЛП траиаистора. а — с общим истоком; и — с общим стоком; а — с общим аатваром, С х е м а ОЗ, как и схема ОБ, обычно не имеет самостоятельного значения, но находит применение в качестве компонента сиожиых усилительных схем, например так называемых каскадна (см. 9 19-4). Она характерна низким входным сопротивлением, которое (как легко видеть из сравнения схем 03 и ОС) равно выходному сопротивлению в схеме ОС.
Поэтому, учитывая (5-89), запишем: Я оз== ттт ! (5-90) ок +1 .и Что касается выходного сопротивления, то в схеме ОЗ оно такое же, как и в схеме ОИ, т. е. равно Кь Это легко показать с помощью (5.88), учитывая, что при определении й, „в схеме ОЗ потенциалы 0и и (т', остаются постоянными, т. е. ЬУ,„= О. УСИЛИТЕЛИ СТАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА бм. ВЫБОР РАБОЧЕЙ ТОЧКИ В режиме покоя усилительного каскада, когда нет сигнала, нужно правильно выбрать рабочую точку транзистора, т. е. совокупность тока покоя )„н напряжения покоя У„. На семействах характеристик ОВ и ОЭ, показанных на рис. 6-1 вместе с соответствующими схемами каскадов, рабочие точки обозначены буквой А.
Через эту точку, как известно, проходят обе.линии нагрузки: статическая )г„и динамическая й„11 Я„(см. [111, рис. 2-23)). Рабочая точка выбирается, исходя из заданных максимальных амплитуд выходного напряжения (У ) и связанного с ним тока !1 = (/~У(й, 11 й„)1, а именно (6-1) Для л и н е й н ы х усилительных каскадов неравенства (6-1) должны выполняться достаточно сильно.
Помимо этого рабочая точка должна удовлетворять условиям ("'кА+Н~л((~к.коп к'кАккй' Рк.коп (6-2) т. е. должна лежать левее вертикали (У„„„и ниже гиперболы Рк „„, где Н „„и Рк „и — допустимые напряи1ение и мощность (рис. 6-1). В случае и а л о г о сигнала (десятые доли вольта и менее) выполнение соотношений (6-1) не встречает затруднений, так что рабочая точка может выбираться из условий максимального коэффициента р, максимальной граничной частоты )и, достаточно малой потребляемой мощности и т. п. Чаще всего используется режим, рекомендованный в справочниках. Определив желательные координаты рабочей точки (О 4, 1кл), нужно обеспечить их в реальной схеме, выбрав соответствующие напряжения источников питания и смещения, а также номиналы режимных резисторов.
Такие расчеты можно выполнить аналитически. Поскольку наибольшее распространение имеют каскады, в которых транзистор работает по схеме ОЭ, возьмем за основу эквивалентную схему на рис. 4-22. Введем в нее для общности источники э. д. с. и внешние сопротивления в цепи всех трех электро- лов '. Тогда получится обобщенная эквивалентная схема каскада (рис. 6-2, а), действительная для постоянных составляющих токов и напрянсений при любом включении транзистора (ОБ, ОЭ, ОК). Здесь собственное сопротивлениебазы гб входит в сопротивление Яьь а падение напряжения на эмиттерном переходе отражено генерато- ц,д а1 рад Рис. б-1.
Расположение рабочей точки А на коллекторных харвитеристиквх. а — к каскаде ОБ: б — а каскаде ОЭ. ром э. д. с. су,б. Обобщенная схема позволяет найти токи и напряжения в каскаде. Определим тоя базы, воспользовавшись принципом суперпозиции. Положим сначала р = О; 1„„ = О (холостой ход генераторов тока), а затем Е, =- Еб — — — Ек = (1кг = О (коРоткое замыкание генераторов э. д.
с.) и найдем соответствующие составляющие базового тока. Ток 1б будет суммой этих составляющих, из которых первая обусловлена деиствнем э. д. с. Е, + Еа — (I,б во входном контуре, а вторая — ответвлением тока 1к в цепь базы. Результат можно записать в следующем виде: Е б — Раб, 1б и ун!» Здесь Е,б = Е, + Еб — суммарная внешняя э. д. с. в контуре эмиттер — база; 11ав = Йа + Йв — суммарное сопротивление в том же контуре: Ув и +дв '(6-36) — коэффициент токораспределения, показывающий, какая часть Влияние сопротивления га прн расчетах режима не очень супгествсино, но вносит осложнения в анвлиэ.
Поэтому роль этого сопротивления будет опе. непа позднее, в гл. 13. Л)) (т б у1«о) а) Ряс. 6-2. Оеобщенные вквнвалеятные схемы каскада для постоянных составляющая (а) н для приращений (дрейфа) постоянных составляыщнх (б). Если в исходное выражение (6-За) подставить (),б = У,б — тбгб и решить получающееся уравнение относительно !б, то предыдущие выражения переходят в следукяпне: (6-4а) )тэб и« Уб=)) ) о ) т е ( «б яб)крвб+ ~ко (6-4в ««() ) ртб) - в) (6-4б) Здесь Е,б = Й, + Йб, а напряжение (l,б находят по входным характеристикам при токе 1,л = )'„л". Как видим, при условии г„= оо, которое мы приняли, компоненты Е„и )т'„не оказывают влияния на ток коллектора, поскольку они включены последовательно с генераторами тока. Величины Е, и Й, связаны соотношениями (рис.
6-2, а): — Е« =- — («Е«+()«б+(~б .(6-ба) нли Ек = —.(Р„+ и„, +и,. (6 55) 'д у „р ~т р и„-о«в, «6. тока („ ответвляется н базу. Подставляя (6-2а) в выражение для коллекторного' тока (4-72) и решая относительно 1„получаем: б (Е.б ~ б )Ф«в+)««о ( ) «вЂ” Здесь ток 1„и напряжения 1/„е и (/»» являются заданными координатами рабочей точки, а потенциал (/а и 1/» можно записать в виде (/а =- — Ее+ 1еЯе' (/» = Е» — 1»/г» где токи 1е, 1, — однозначные функции тока 1„(см. (4-8) и (4-72)], Выражения (6-4в) и (6-5) позволяют выбрать значения Е„Ее и Е», а также /т»„)та и Еа, если известны параметры транзистора ((), 1„») и его рабочая точка (1»л, (/»л). При этом, разумеется, некоторыми из шести искомых величин заранее задаются, так как они связаны всего двумя уравнениями '.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
