1.5. Основные режимы работы пт
Стоковые характеристики ПТ обычно разделяют на три участка: пологую область, крутую область и область пробоя. Однако, как отмечалось в п. 1.3.3, существует четвертый участок – область возникновения прямых токов затвора (прямых токов подложки у МДП-транзисторов), использование которой целесообразно в ряде радиоэлектронных устройств.
Рассматривая вольтамперные характеристики ПТ, нетрудно сделать вывод о том, что ПТ могут работать в четырёх режимах: усиления, управляемого сопротивления, обратимого пробоя и с прямыми токами затвора. В некоторых случаях возможна комбинация упомянутых режимов.
В режиме усиления рабочая точка выбирается в пологой области характеристик ПТ. Работа ПТ в таком режиме аналогична работе усилительного каскада на электронной лампе. Усилительные свойства ПТ характеризуются крутизной. Для установки рабочей точки к участку затвор-исток прикладывается запирающее напряжения смещения. Оно может образовываться, например, за счет протекания стокового тока через резистор в цепи истока. Возможны три способа включения ПТ в схемах усилителей: с общим истоком, с общим стоком и общим затвором. На практике широко используются первые два способа, реализующие важное достоинство ПТ – высокое входное сопротивление.
В режиме управляемого сопротивления рабочая точка выбирается в крутой области характеристик ПТ. Важной особенностью такого режима является то, что рабочая точка может быть выбрана в начале координат вольтамперных характеристик. При этом отпадает необходимость в источнике питания стоковой цепи, и существенно упрощаются схемы, реализующие такой режим. Работа ПТ в режиме управляемого сопротивления при отсутствии питания выходной цепи не имеет аналогов среди электронных ламп. Основным параметром, характеризующим работу ПТ в рассматриваемом режиме, является проводимость, которая изменяется в широких пределах как функция напряжения затвор-исток.
Режим обратимого пробоя реализуется при больших напряжения сток-затвор или сток-исток. Он характеризуется двумя параметрами – напряжением пробоя и максимально допустимым током стока ПТ при пробое. Выбором внешних элементов схемы необходимо ограничивать ток стока при пробое, чтобы избежать необратимого пробоя.
Режим с прямыми токами затвора реализуется при подаче запирающего напряжения на участок канал-затвор ПТ. Основным параметром, характеризующим работу ПТ в таком режиме, является прямой ток затвора. В режиме с прямыми токами затвора используются выпрямительные свойства p-n-перехода ПТ или выпрямительные свойства контакта металл-полупроводник БШ ПТ. Прямой ток затвора ПТ необходимо ограничивать с помощью внешних элементов в тех случаях, когда мощность, рассеиваемая в p-n-переходе ПТ приближается к максимально допустимой.
1.6. Способы аппроксимации характеристик передачи пт
В большинстве опубликованных работ, посвященных ПТ, указывается, что характеристика передачи ПТ IС = f(UЗИ) описывается квадратичной параболой. Выражения для аппроксимации характеристик передачи предлагаются отдельно для пологой и крутой областей. Теоретическое выражение для характеристики передачи МДП ПТ в пологой области имеет вид:
(1.8)
Характеристика передачи ПТ с p-n-переходом также часто аппроксимируется аналогичной зависимостью. В работе [3] утверждается, что характеристика передачи ПТ c p-n-переходом близка к квадратичной параболе, независимо от конструкции прибора и технологии его изготовления.
В работе [12] приведены выражения для характеристик передачи ПТ c p-n-переходом в пологой области для двух случаев: распределения примесей в канале:
а) для равномерного распределения примесей в канале:
(1.9)
б) для линейного распределения примеси в канале:
(1.10)
где A’ и А’’ - постоянные коэффициенты.
Отличие реальных характеристик ПТ от теоретических связывают с влиянием сопротивлений неуправляемых участков канала и наличием неоднородностей в канале.
В работе [13] предложена формальная аппроксимация характеристик ПТ любого типа и структуры в виде:
(1.11)
где α и r – эмпирические коэффициенты.
Достоинство этой аппроксимации заключается в том, что она описывает простым выражением свойства ПТ как в крутой так и в пологой областях. Недостатком аппроксимации, как будет показано ниже, является её низкая точность при описании свойств реальных отечественных ПТ.
Лучшее совпадение теоретических и экспериментальных характеристик наблюдается при использовании квадратичной аппроксимации. Её целесообразно использовать при упрощенных инженерных расчетах.
Однако использование квадратичной аппроксимации не позволяет правильно оценить нелинейные эффекты, вызванные ПТ. Согласно элементарной теории для идеального ПТ, первая производная крутизны выходного тока не меняется при изменении входного напряжении, а высшие производные крутизны равны 0. В практических случаях это не подтверждается.
Поэтому, в настоящей работе при точном расчёте устройств связи на ПТ в режиме управляемого сопротивления и режиме усиления предлагается использовать аппроксимации характеристик передачи ПТ с учётом эффективного сопротивления истока. Это сопротивление включается в исток идеального ПТ, обладающего квадратичной характеристикой передачи, для получения характеристик, соответствующих реальному ПТ. В работе приводятся значения крутизны и проводимости ПТ, а также их производные, полученные из предложенных аппроксимаций.