Усилительные свойства МДП-транзистора

МДП-транзисторы применяют в тех же трех схемах включения, что и транзисторы с р-n -затвором. На рис. 7.14, а, б, в эти схемы показаны для транзистора со встроенным р -каналом (условные изображения см. в приложении).

Качество транзистора с изолированным затвором как усилительного элемента характеризует прежде всего его крутизна, т. е. проводимость прямой передачи. Аналитическое выражение для статической крутизны можно получить, взяв производную функции (7.46):

. (7.51)

Отсюда следует, что крутизна транзистора с изолированным затвором зависит от отношения ширины канала ω к его длине l и обратно пропорциональна толщине диэлектрика δ. В современных транзисторах отношение ω/l достигает 10³—10⁴ (при длине канала несколько микрометров ширина канала составляет несколько сантиметров). Минимальная толщина диэлектрика ограничивается опасностью пробоя и составляет 0,1—0,2 мкм. Таким образом, как нетрудно подсчитать по формуле (7.48), крутизна характеристики может достигать десятков и сотен миллиампер на вольт, что уже реализуется практически.

Частотные свойства усилительных транзисторов с изолированным затвором определяются прежде всего их емкостью. Накопление неравновесного заряда в базе, играющее столь большую роль в биполярных транзисторах, в данном случае отсутствует.

На рис. 7.15 показаны структура транзистора с изолированным затвором (а) и схема замещения (б), достаточно полно отображающая его свойства на высоких частотах. Однако эта схема замещения сложна, поэтому на практике применяют более простую схему рис. 7.15, в. Величина C₁ в этой схеме определяется емкостью затвора на канал С_эк. Обычно принимают

. (7.52)

Сопротивление r_i, характеризующее потери во входной цепи, определяется омическим сопротивлением канала r_k ≈U_СИ/I_СИ; как правило,

r₁=r_k/4. Величина C₂ представляет co6oй емкость р-n -перехода сток — подложка, r₂ — сопротивление потерь в подложке, G_вых — статическую дифференциальную выходную проводимость транзистора. Введем для удобства обозначения

, . (7.53)

Тогда с помощью данной схемы замещения нетрудно определить Y -параметры транзистора с изолированным затвором в следующем виде:

,

, . (7.54)

Из выражений (7.54) следует, что ω_s — это предельная частота проводимости прямой передачи, а ω_B — предельная частота выходной цепи, S₀ —статическая крутизна (при ω = 0).

Зависимость от частоты проводимостей транзистора с изолированным затвором Y=G+jB показана на рис. 7.16. Все проводимости увеличиваются с ростом частоты, кроме G₂₁ которая медленно убывает. Такой ход зависимостей свидетельствует об ухудшении усилительных свойств транзистора с повышением частоты.

Входная и выходная емкости в современных транзисторах имеют порядок единиц пикофарад, а проходная емкость — десятых долей пикофарада. Путем смещения затвора (рис. 7.17) она может быть снижена на порядок. Благодаря таким величинам параметров современные транзисторы с изолированным затвором могут эффективно усиливать колебания на частотах в десятки гигагерц.

Уровень шумов у транзисторов с изолированным затвором несколько выше (на 1—2 дБ), чем у транзисторов с р-n -затвором; в данном случае существенное значение имеют поверхностные шумы.

Исключительно высокое входное сопротивление постоянному току, значительное сопротивление изоляции между входом и выходом (10¹⁴— 10¹⁵ Ом), наличие термостабильной точки, позволяющей исключить специальные меры температурной стабилизации режима, способность работы в условиях сверхнизких температур, квадратичность передаточной характеристики, обусловливающая низкий уровень нелинейных искажений, большой динамический диапазон передаточной характеристики — все эти качества делают полевой транзистор с изолированным затвором одним из наиболее перспективных усилительных приборов на малом уровне мощности. Хорошие результаты получены и в области конструирования мощных МДП-транзисторов, которые также обладают рядом преимуществ.

Для получения высокой выходной мощности МДП-транзнстор должен иметь большой ток стока и высокое пробивное напряжение сто­кового перехода. Для получения большого тока, как вытекает из выражения (7.46), необходимы короткий широкий канал и малая толщина изолирующего слоя. Минимальная толщина изолирующего окисла ограничивается напряжением пробоя и составляет 0,2 мкм, минимальная длина канала также ограничивается напряжением пробоя и при U_CИ =120 В составляет примерно 10 мкм.

Отечественной промышленностью выпускаются мощные полевые транзисторы подобного типа: КП901, КП902, КП904, КП905, КП907. По величине рабочего напряжения (до 100 В), рабочего тока (до 7,5 А), рассеиваемой мощности (до 75 Вт) и выходной мощности (до 50 Вт на 60 МГц – КП904 и до 6 Вт на 1 ГГц – КП907) они не уступают биполярным транзисторам. В то же время указанные транзисторы имеют ряд преимуществ перед биполярными транзисторами. К ним относятся:

отрицательный температурный коэффициент, обеспечивающий равномерное распределение температуры и, как следствие, отсутствие вторичного пробоя;

высокое входное сопротивление;

высокий коэффициент широкополосности K_UΔf, обеспечивающий полосу усиливаемых частот в сотни мегагерц и время нарастания импульса 0,4–1 нc;

высокая температурная стабильность параметров;

почти линейная (а не квадратичная, как у маломощных приборов) передаточная характеристика I_c=f(U_ЗИ), обеспечивающая существенное уменьшение нелинейных искажений в низкочастотных и интермодуляционных искажений в высокочастотных усилителях;

возможность параллельного подключения транзисторов для увеличения выходной мощности благодаря присущему им ограничению тока стока на уровне I_{с max} и малому разбросу крутизны S, обеспечивающим равномерное распределение тока между отдельными приборами.

Широкие возможности использования мощных МДП-транзисторов в радиоэлектронной аппаратуре определяют исключительную перспективность этой сравнительно новой функциональной группы электронных приборов.

Дата добавления: 2015-07-08