Физические ограничения предельной частоты полевого транзистора

В полевых транзисторах ток через канал и процесс управления этим током связаны с перемещением основных носителей заряда. Поэтому быстродействие полевых транзисторов ограничивается лишь временем процессов перераспределения основных носителей заряда в объеме полупроводника и временем их пролета через области пространственного заряда.

Из анализа работы транзистора следует, что значение крутизны связано с сопротивлением канала

S = 1 / r_к0. (1)

Граничная частота может быть выражена, как

. (2)

Физический смысл этого выражения заключается в том, что быстродействие транзистора связывается с перезарядкой емкости С_ЗК через сопротивление канала, происходящей с постоянной времени r_К0С_ЗК.

Эквивалентная схема полевого транзистора на ВЧ

Эквивалентная схема полевого транзистора, используемая для описания его свойств на ВЧ (на частоте до 300-400 MГц) показана на рис.1.

Цепь из последовательно соединенных сопротивления канала и емкости между затвором и каналом отражает инерционность транзистора. Управляющее генератором тока стока SU_З нaпряжение U_З не совпадает с входным напряжением U_ВХ, а меньше его на величину падения напряжения на r_К. По мере повышения частоты напряжение U_З уменьшается, а фазовый сдвиг между U_ВХ и U_З увеличивается. Отражение инерционности транзистора цепочкой из сосредоточенных емкости и сопротивления является приближенным. Более точно свойства транзистора можно представить с помощью цепи из распределенных вдоль канала емкости и сопротивления.

Но это представление более сложно для проведения расчетов. Для диапазона частот, меньших f_ГР/2, приближенная аппроксимация фазо-частотной характеристики полевого транзистора цепью r_КC_ЗК дает достаточную для расчетов точность.

Крутизна S является параметром, определяющим усилительные свойства транзистора. На эквивалентной схеме рис.1 крутизна показана как частотонезависимый, безинерционный элемент.

Резистор r₂₂ представляет активную составляющую выходной проводимости транзистора (g₂₂ = 1 / r₂₂). Обычно эта проводимость мала и может не учитываться при расчетах усилительных схем на ВЧ.

Элементы С_ЗС и C_ЗИ представляют емкости затвора относительно электродов стока и истока. Эти емкости определяются конструктивно - технологическими особенностями транзистора.

Емкость С_ЗС наиболее существенно влияет на работу усилительных схем на ВЧ, так как она определяет уровень внутренней обратной связи в полевом транзисторе. Через С_ЗС сигнал с выхода усилителя (стока) поступает на вход (затвор). В зависимости от конкретной схемы включения транзистора обратная связь может быть отрицательной или положительной, искажать частотную характеристику усилителя, вызывать его неустойчивую работу или самовозбуждение.

Элементы С₁, С₂, С₃ представляют емкости между выводами транзистора, обусловленные конструкцией корпуса, длиной и расположением внешних и внутренних выводов.

Элемент С_СИ представляет емкость между стоком и истоком транзистора. Обычно, в транзисторах с управляющим переходом она незначительна. Напротив, в МДП-транзисторах она велика и включает емкость контактной площадки стока относительно подложки (соединенной с истоком) и емкость перехода, образованного диффузионной р+ областью стока в n-подложке (в транзисторах с каналом р-типа).

Диоды Д_С и Д_И включаются в эквивалентную схему МДП-транзисторов и представляют переходы, образованные диффузионными областями стока и истока в подложке. В некоторых МДП-транзистоpax подложка соединяется с истоком внутри корпуса; в других имеется отдельный вывод от подложки. Обычно, подложка соединяется с истоком и поэтому диод Д_И на эквивалентной схеме оказывается закороченным.

Кроме отмеченных выше ограничений эквивалентная схема рис.1 не учитывает распределенные сопротивления стоковой и истоковой областей, индуктивности внутренних и внешних выводов и корпуса транзистора. Эти элементы приходится учитывать при анализе работы полевых транзисторов в диапазоне СВЧ, или ВЧ транзисторов, обладающих большой крутизной (свыше 30-50 мА/В).

 

Связь параметров эквивалентной схемы с параметрами транзистора

как четырехполюсника

Как правило, полевые транзисторы как четырехполюсники, работающие на малом сигнале, описываются системой y – параметров (параметров проводимости). На рис. 2 показано представление транзистора в виде четырехполюсника, обозначены входные и выходные напряжения, токи и их направления.

Уравнения четырехполюсника в системе y - параметров имеют вид

i_ВХ = y₁₁U_ВХ + y₁₂U_ВЫХ (3)

i_ВЫХ = y₂₁U_ВХ + y₂₂U_ВЫХ (4)

Если положить поочередно U_ВХ или U_ВЫХ равными нулю (короткое замыкание - КЗ - по переменному току на входе или выходе), то y - параметры имеют следующий смысл:

y₁₁ - входная проводимость (при КЗ на выходе);

y₁₂ - проводимость обратной связи (при КЗ на входе);

y₂₁ - проводимость прямой передачи (крутизна) (при КЗ на выходе);

y₂₂ - выходная проводимость (при КЗ на входе).

В принципе возможны три схемы включения полевых транзисто­ров: с общим истоком, с общим стоком и общим затвором. Обычно применяется схема с общим истоком или схема с общим стоком (истоковый повторитель). Для включения транзистора с общим истоком на частоте < f_ГР/3 приближенные выражения для y_U – параметров имеют вид:

y_11U» iw(C_ЗИ+ C₂ + C_ЗС + C₁ + C_ЗК) (5)

y_12U» - iw(C_ЗС + C₁) (6)

y_21U» S - iw(C_ЗС + C₁) (7)

y_22U» iw(C_ЗC+ C₃ + C_CИ + C₁) (8)

Из (5), (6) и (8) следует, что входная, выходная прово­димости и проводимость обратной связи могут быть выражены следующим образом:

y_11U = iwС_11U (9)

С_11U = С_ЗИ + С₂ + С_ЗС + С₁ + С_ЗК (9а)

y_12U = - iwС_12U (10)

С_12U = С_ЗС + С₁ (10а)

y_22U = iwС_22U (11)

С_22U = С₃ + С_ЗС + С₁ + С_СИ (11а)

В этих выражениях С_11U, С_12U, С_22U представляют собой входную, проходную и выходную емкости полевого транзистора, включенного по схеме с общим истоком. Входная емкость С_11U - емкость между выводом затвора и выводами истока и стока, соединенными вместе (по переменному току). Выходная емкость С_22U - емкость между выводом стока и выводами затвора и истока, соеди­ненными вместе (по переменному току). Проходная емкость С_12U - емкость между выводами стока и затвора при заземленном выводе истока.

Таким образом, крутизна, входная, проходная и выходная ем­кости являются параметрами, с помощью которых можно представлять свойства полевого транзистора как четырехполюсника на ВЧ.

 

III. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ И ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Метод и аппаратура для измерения крутизны

Измерение крутизны полевых высокочастотных транзисторов производится методом, изложенным в ГОСТ 20398.3-74. Схема измерения крутизны показана на рис.3.

На испытуемый транзистор ИТ подается напряжение Е_З затвора и напряжение Е_С стока. Путем регулировки Е_З, устанавливается нужное значение тока стока. На затворе транзистора от генератора подается ВЧ напряжение с небольшой амплитудой. Сопротивлением нагрузки для ВЧ в цепи стока служит конденсатор С₂, представляющий так называемую конструктивную емкость (емкость, образованную элементами конструкции колодки, к которой подключается испытуемый транзистор). Сопротивление емкости С₂ на всех рабочих частотах очень мало и обеспечивает условия короткого замыкания по переменному току в цепи стока. Переменное ВЧ напряжение на С₂, пропорциональное току стока через разделительный конденсатор С₃ подается на измерительный приемник. После усиления и детектирования измеряемый сигнал подается на индикатор, который проградуирован в значениях крутизны испытуемого транзистора. Калибровка измерителя производится подключением эталонного резистора R₂ переключателем BI вместо измеряемого транзистора. Это соответствует включению транзистора с крутизной I/R₂.

Измерение крутизны высокочастотных полевых транзисторов производится прибором Л2-38. Этот прибор обеспечивает измерение крутизны в диапазоне значений от 0,5 до 30 мА/В на частотах 100, 250, 400 МГц. Основная погрешность измерения не превышает ±15% от измеряемой величины.

Метод и аппаратура для измерения емкостей полевых транзисторов

Измерение емкостей полевых транзисторов производится по методу, изложенному в ГОСТ 20398.5-74. Измерения проводятся при включении транзистора с общим истоком по принципу емкостно-омического делителя. Он поясняется схемой рис.4.

Напряжение от ВЧ генератора U₁ (его амплитуда не превышает 50 мВ) подается на цепь из последовательно соединенных измеряемой емкости С_Х и резистора R₁ (это и есть емкостно-омический делитель). За счет протекающего высокочастотного тока на резисторе r₁ выделяется переменное напряжение U₂. Это напряжение усиливается и детектируется измерительным усилителем, на выходе которого включен индикатор.

Величина модуля ½U₂½ измеряемого напряжения равна:

, (12)

где f - частота напряжения генератора.

Сопротивление R₁ и частота выбираются такими, что для всех значений измеряемой емкости выполняется условие: 1/2pfC_X>>R₁, означающее, что ток через С_Х и R₁ определяется практически лишь величиной С_Х. Из последнего условия следует, что

. (13)

Таким образом, напряжение U₂, измеряемое усилителем, пропорционально значению неизвестной емкости. Шкала индикатора измерительного усилителя получается линейной относительно С_Х.

Схемы включения полевого транзистора при измерении емкостей показаны на рис. 5. Во всех схемах генератор ВЧ подключается к стоку испытуемого транзистора. Резистор R₁, на котором измеряется переменное напряжение, пропорциональное емкости, подключен к затвору. Через дроссель Д_Р1 на сток транзистора подается необходимое постоянное напряжение. При этом дроссель имеет очень малое сопротивление постоянному току, и в то же время, большое сопротивление переменному, что исключает ответвление тока генератора ВЧ в источник питания транзистора.

Конденсатор С₁ является разделительным и препятствует протеканию постоянного тока от электрода стока через ВЧ генератор. В то же время, сопротивление R₁, на частоте f должно быть малым и не влиять на ток в измерительной цепи.

На затвор испытуемого транзистора через резистор R₁ подается необходимое постоянное смещение. Конденсатор С₂ является разделительным и препятствует попаданию постоянного напряжения на вход измерительного усилителя.

Конденсатор С₄ кратчайшим путем соединяет нижний конец резистора R₁ с "землей" измерительного усилителя. Тем самым, между входом и "землей" измерительного усилителя приложено лишь то переменное ВЧ напряжение, которое выделяется непосредственно на резисторе R₁.

Схемы включения транзистора при измерении С_11U, С_12U, С_22U отличаются лишь способом подключения конденсатора С₃. На рис. 5,а при измерении С_11U конденсатор С₃ соединяет по переменному току сток и исток транзистора. В схеме рис.5,б при измерении С_12U соединяет с "землей" исток транзистора. Наконец, в схеме рис.5,в при измерении С_22U им соединяются между собой затвор и исток транзистора. Во всех случаях сопротивление С₃ на частоте f должно быть незначительным, чтобы с достаточной точностью можно было считать переменные напряжения на соединяемых конденсатором электродах одинаковыми.

Для измерения емкостей полевых транзисторов используется прибор Л2-34. В приборе имеется генератор, от которого напряжение с частотой 10 МГц ±10% поступает на измеряемую емкость. Амплитуда переменного напряжения на испытуемом транзисторе не превышает 300 мВ. Диапазоны измерения входной и выходной емкости - 0,3¸30 пФ, проходной от 0,03 до 30 пф. Основная погрешность измерения составляет ±10%.