9.2.3. Параметры и эквивалентная схема канального транзистора

Кроме параметров статических ВАХ полевой транзистор характеризуется также малосигнальными параметрами. Так как входное и выходное сопротивления канального транзистора имеют большие значения, то его легко характеризовать в системе Y-параметров методом четырехполюсника, т. е. в системе проводимостей. Усилительные свойства определяются крутизной передаточной характеристики (9.12),

. (9.18)

Знак минус отражает уменьшение крутизны с увеличением напряжения затвора. Выходная проводимость определяется из (9.11),

. (9.19)

Величина, обратная g_СИ, определяет выходное сопротивление транзистора. При (насыщение тока) проводимость канала стремится к нулю, а – к бесконечности. На самом деле r_К имеет хотя и большое, но конечное значение, что обусловлено уменьшением длины канала при увеличении U_СИ. Как и биполярный транзистор, полевой транзистор в качестве усилителя используется в трех схемах включения: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком (истоковый повторитель). Простейшая схема усилителя на канальном транзисторе приведена на рисунке 9.7, а.

R_H

E_З0

–E_С

E_С

E_З0

U_З

I_C

t

t

–U_C

а) б)

Рисунок 9.7 - Схема усилителя с общим истоком (а); усиление по напряжению (б)

Коэффициент усиления каскада с общим истоком определяется крутизной передаточной характеристики (рисунок 9.7, б),

; .

Максимальный коэффициент усиления при нелинейной нагрузке R_H = r_K , , может достигать 10³ и более.

Высокое входное сопротивление канального транзистора упрощает реализацию многокаскадных усилителей.

При построении эквивалентной схемы будем исходить из принципа действия и структуры полевого транзистора. Эквивалентную схему затвора (как любого обратносмещенного p-n перехода) можно представить в виде дифференциального сопротивления затвора (r_З) и параллельно подключенной к нему емкости n⁺-p перехода (С_З). Однако сопротивление и емкость затвора распределены равномерно вдоль канала. С учетом этого изобразим эквивалентную схему затвора в виде двух RC-цепочек, подключенных к концам сопротивления канала (рисунок 9.8). Через r_ЗИ и r_ЗС в эквивалентной схеме обозначены компоненты сопротивления затвора r_З относительно истока и стока. Соответственно С_ЗИ и С_ЗС – емкости затвора относительно истока и стока. Усилительные свойства транзистора отражены в схеме подключением параллельно сопротивлению канала r_К генератора тока, который задает в цепи стока переменный ток . Кроме того, в эквивалентной схеме учтены омические сопротивления участков полупроводника, заключенных между концами канала и контактами истока и стока (R_И , R_С). Сопротивление R_И является общим для входной и выходной цепей и играет роль сопротивления внутренней отрицательной обратной связи в полевом транзисторе. При увеличении тока стока происходит рост падения напряжения на R_И , что равносильно повышению обратного смещения на затворе, что, в свою очередь, приводит к спаду тока стока.

В диапазоне напряжений, соответствующих триодному участку ВАХ, где r_К мало, R_И и R_С могут заметно увеличить выходное сопротивление транзистора. Сопротивление R_И приводит к уменьшению крутизны передаточной характеристики.

С_ЗС

С_ЗИ

r_K

R_С

R_И

r_ЗИ

С

З

И

Рисунок 9.8 - Эквивалентная схема Рисунок 9.9 - Зависимость крутизны от

канального транзистора напряжения на затворе (а) и тока стока (б)

Полевые транзисторы характеризуются Y-параметрами, т. е. комплексными проводимостями, измеренными в режиме короткого замыкания (К. З.) (генератор напряжения переменного тока). Если эти условия воспроизвести на эквивалентной схеме (рисунок 9.8), то y-параметры можно выразить через величины сосредоточенных элементов: сопротивлений, емкостей и генераторов тока. Пренебрегая сопротивлением обратно смещенного затвора ( ; ) и малыми значениями R_С и R_И , получим для схемы включения с общим истоком:

y₁₁ = jω(С_ЗИ + С_ЗC) – входная проводимость при К. З. на выходе;

y₁₂ = – jωС_ЗC – проводимость обратной связи при К. З. на входе;

(9.20)

y₂₁ = g – jωС_ЗC – проводимость прямой передачи при К. З. на выходе;

y₂₂ =1/r_K + jωС_ЗC – выходная проводимость при К. З. на входе.

Все эти параметры зависят от уровня смещения на электродах транзистора. Современные канальные транзисторы ИС используют структуру с тонким каналом , где H_φ – встроенная толщина ОПЗ затвора, обусловленная контактной разностью потенциалов φ_З. В этом случае пентодный участок ВАХ описывается квадратичной зависимостью от напряжения затвора (9.17). Поэтому для крутизны будем иметь следующее выражение:

. (9.21)

Индекс m указывает на измерение крутизны на пентодном участке ВАХ (U_С = U_С.нас). Зависимость крутизны от тока следует из (9.17) и (9.21).

. (9.22)

Эти зависимости отражены на рисунке 9.9. На больших токах крутизна насыщается вследствие ограничения тока омическими сопротивлениями R_С и R_И.