В чем измеряется крутизна транзистора

34) Крутизна и напряжение отсечки пт.

Крутизна — один из основных параметров полевого транзистора, характеризующий его усилительные свойства. Крутизна представляет собой отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора т.е. на стоке. Крутизна передаточной характеристики полевого транзистора обычно составляет несколько миллиампер на вольт. С ростом отрицательного напряжения на затворе значение крутизны характеристики транзистора будет уменьшаться, т.к. при увеличении отрицательного напряжения на затворе будет увеличиваться ОПЗ перехода затвора и уменьшаться толщина проводящего канала. Вблизи напряжения отсечки толщина канала вместе с током стока уменьшается до нуля, сопротивление канала возрастает и крутизна падает до нуля.

Управление полевым транзистором осуществляется напряжением на затворе. Поэтому для количественной оценки управляющего действия затвора используют крутизну характеристики: s=dIc/dUзи при Uси=const. Крутизна характеристики достигает максимального значения при Uзи=0. Крутизну характеристики полевого транзистора можно определить графоаналитическим способом. Для этого необходимо провести касательную к стокзатворной характеристики в точке Uзи=0. Наклон этой касательной и определит значение S.

Увеличение ширины канала и степени легирования приведёт к росту крутизны транзистора, потому что при прочих равных условиях, рост числа электронов и размеров области приведёт к уменьшению сопротивления и, следовательно, обеспечит больший ток стока при том же напряжении на затворе. Следовательно, крутизна увеличится. Существенно, что толщина канала одинаково увеличивает крутизну и напряжение отсечки. Ширина канала увеличивает только крутизну, но не влияет на напряжение отсечки.

Напряжение отсечки:

Ток стока имеет слабую зависимость от напряжения сток–исток, поэтому передаточная характеристика изображена в виде одной кри- вой, исходящей из точки UЗИ = Uотс. Это напряжение называется на- пряжением отсечки, при достижении которого транзистор полностью закрыт. По мере уменьшения отрицательного напряжения на затворе ток стока увеличивается в соответствии с уравнением , (3.1) где I0 – ток насыщения транзистора при UЗИ = 0. 2 ЗИ C 0 отс 1 U I I U

Напряжение отсечки будет расти с ростом степени легирования канала транзистора, потому что чем больше число доноров в ОПЗ, тем труднее удалить из канала подвижные электроны. Аналогично с толщиной, необходимо большее напряжение, чтоб удалить все электроны в подложку из толстого канала.

НАПРЯЖЕНИЕ ОТСЕЧКИ (у полевого транзистора) — параметр полевого транзистора с управляющим p-n переходом, определяющий значение напряжение между затвором и стоком, при котором происходит насыщение тока стока, т.е. ток стока перестает зависеть от напряжения на стоке относительно истока.

Поскольку ОПЗ обладает высоким сопротивлением, то при увеличении ширины ОПЗ сечение канала уменьшается и его сопротивление возрастает. Самое низкое сопротивление канала и, соответственно, самый большой ток через него будет при нулевом напряжении на затворе (Uз = 0), затем по мере увеличения ширины ОПЗ при возрастании Uз и, соответственно, уменьшении сечения канала ток будет падать и при некотором напряжении отсечки Uзо канал полностью перекроется и ток через него перестанет возрастать. Соответствующие вольтамперные характеристики ПТУП приведены на рис. 77.

Рис. 77. Вольтамперные характеристики полевого транзистора с управляющим pn переходом.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

Ток насыщения I_с0 в цепи стока транзистора, включённого по схеме с общим истоком, при затворе накоротко замкнутым с истоком (т. е. при U_з.и=0) — характерен лишь для полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом.

Ток стока в рабочей точке можно определить по следующей формуле [2]:

где U_отс — напряжение отсечки.

Уравнение (1) является приближенным для характеристики передачи любого полевого транзистора (особенно с малыми напряжениями отсечки).

Напряжение отсечки U_отс — один из основных параметров, характеризующих полевой транзистор. При напряжении на затворе, численно равном напряжению отсечки, практически полностью перекрывается канал полевого транзистора, и ток стока при этом стремится к нулю.

Измерение истинного значения напряжения отсечки (при полном перекрытии канала) произвести довольно трудно, так как при этом приходится иметь дело с чрезвычайно малыми токами стока, к тому же зависящими от сопротивления изоляции. В справочных данных на полевые транзисторы всегда указывается, при каком значении тока стока произведены измерения напряжения отсечки. Так, например, для транзисторов КП102 напряжения U_отс получены при токе стока 20 мкА, а у транзистора КП103 — при токе стока 10 мкА.

Крутизна проходной характеристики. Входное сопротивление полевых транзисторов со стороны управляющего электрода составляет 10 7 -10 9 Ом для транзисторов с p-n-переходом. Так как входные токи полевых транзисторов чрезвычайно малы, то управление током в выходной цепи осуществляется входным напряжением. Поэтому усилительные свойства полевого транзистора, как и электронных ламп, целесообразно характеризовать крутизной проходной характеристики.

Крутизна полевых транзисторов

Максимальное значение крутизны характеристики S_макс достигается при U_з.и=0. При этом численное значение S_макс равно проводимости канала полевого транзистора при нулевых смещениях на его электродах.

Крутизна характеристики полевых транзисторов на 1-2 порядка меньше, чем у биполярных транзисторов, поэтому при малых сопротивлениях нагрузки коэффициент усиления каскада на полевом транзисторе меньше коэффициента усиления аналогичного каскада на биполярном транзисторе.

В большинстве случаев крутизну характеристики полевых транзисторов считают частотно-независимым параметром. Поэтому быстродействие электронных схем на полевых транзисторах ограничено в основном паразитными параметрами схемы.

Выражение для крутизны характеристики в рабочей точке ПТ получим, используя (1):

где U_з.и — напряжение затвор-исток, при котором вычисляется S;

Соотношение (3) позволяет по двум известным параметрам рассчитать третий.

Пробивное напряжение. Механизм пробоя полевого транзистора можно объяснить возникновением лавинного процесса в переходе затвор — канал. Обратное напряжение диода затвор — канал изменяется вдоль длины затвора, достигая максимального значения у стокового конца канала. Именно здесь происходит пробой полевого транзистора. Если выводы стока и истока поменять местами, то пробивное напряжение почти не изменится. Например, у транзистора КП102 пробой наступает при суммарном напряжении между затвором и стоком, равном 30 В. Это напряжение является минимальным; фактически напряжение пробоя составляет в среднем около 55 В, а у отдельных экземпляров достигает 120 В [7].

Пробой не приводит к выходу из строя ПТ с управляющим р-n-переходом, если при этом рассеиваемая мощность не превышает допустимой. После пробоя в нормальном рабочем режиме эти транзисторы восстанавливают свою работоспособность. Это свойство транзисторов с p-n-переходом даёт им известное преимущество перед МОП-транзисторами, у которых пробой однозначно приводит к выходу прибора из строя.

Однако необходимо оговориться, что и для ПТ с р-n-переходом пробой не всегда безвреден. Степень его влияния на параметры транзистора определяется значением и продолжительностью действия тока, протекающего при этом через затвор. Так, в результате пробоя может увеличиться ток утечки затвора в нормальном режиме [7].

Динамическое сопротивление канала r_к определяется выражением

Это сопротивление при U_с.и = 0 и произвольном смещении U_з.и можно выразить через параметры транзистора [2]:

При малом напряжении сток-исток вблизи начала координат ПТ ведёт себя как переменное омическое сопротивление, зависящее от напряжения на затворе. Это остаётся справедливым даже в случае изменения полярности напряжения стока (см. рис. 4); необходимо только, чтобы напряжение на затворе было больше, чем на стоке [5].

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Крутизна — Transconductance

Крутизна (для передаточной проводимости ), также редко называемая взаимной проводимостью , — это электрическая характеристика, связывающая ток на выходе устройства с напряжением на входе устройства. Проводимость — это величина, обратная сопротивлению.

Проходная проводимость (или передача допуска ) является AC эквивалент крутизны.

СОДЕРЖАНИЕ

Определение

Крутизну очень часто обозначают как проводимость g _m с нижним индексом m для взаимной . Это определяется следующим образом:

СИ единица, сименс , с символом, S ; 1 сименс = 1 ампер на вольт заменил старую единицу проводимости, имеющую то же определение, mho (ом, записанный наоборот), символ ℧ .

Транссопротивление

Транссопротивление (для сопротивления передачи ), также редко называемое взаимным сопротивлением , является двойным крутизной. Он относится к соотношению между изменением напряжения в двух точках выхода и соответствующим изменением тока в двух точках входа и обозначается как r _m :

Единица измерения сопротивления в системе СИ — это просто ом , как в сопротивлении.

Трансимпеданс (или передаточный импеданс ) является эквивалентом сопротивления по переменному току и двойным значением пропускания.

Устройства

Вакуумные трубки

Для вакуумных ламп крутизна определяется как изменение тока пластины (анода), деленное на соответствующее изменение напряжения сетки / катода, при постоянном напряжении между пластиной (анодом) и катодом. Типичные значения g · _m для малосигнальной вакуумной лампы составляют от 1 до 10 миллисименс. Это одна из трех характеристических констант вакуумной лампы, две другие — это коэффициент усиления μ (мю) и сопротивление пластины r _p или r _a . Уравнение Ван дер Бейла определяет их связь следующим образом:

Полевые транзисторы

Точно так же в полевых транзисторах и, в частности, полевых МОП-транзисторах крутизна — это изменение тока стока, деленное на небольшое изменение напряжения затвора / истока при постоянном напряжении стока / истока. Типичные значения g _м для полевого транзистора с малым сигналом составляют от 1 до 30 миллисименс.

Используя модель Шичмана-Ходжеса , крутизну для полевого МОП-транзистора можно выразить как (см. Статью о полевых МОП-транзисторах ):

где I _D — постоянный ток стока в точке смещения , а V _OV — напряжение перегрузки , которое представляет собой разность между напряжением затвор-исток точки смещения и пороговым напряжением (т. е. V _OV ≡ V _GS — V _th ). Напряжение перегрузки (иногда называемое эффективным напряжением) обычно выбирается на уровне около 70–200 мВ для технологического узла 65 нм ( I _D ≈ 1,13 мА / мкм ширины) для g _m 11–32 мСм / мкм.

Кроме того, крутизна переходного полевого транзистора определяется выражением , где V _P — напряжение отсечки, а I _DSS — максимальный ток стока. грамм м знак равно 2 я D S S | V п | ( 1 — V грамм S V п ) < displaystyle g_ <m>= < frac <2i_ <dss>> < left | <v>> right |>> left (<1 – < frac <v>> >>> right)>

Биполярные транзисторы

Г _м от биполярных транзисторов малосигнальных колеблется в широких пределах, будучи пропорционально току коллектора. Он имеет типичный диапазон от 1 до 400 миллисименс. Изменение входного напряжения применяется между базой / эмиттером, а выходное — это изменение тока коллектора, протекающего между коллектором / эмиттером с постоянным напряжением коллектора / эмиттера.

Крутизну биполярного транзистора можно выразить как

где I _C = постоянный ток коллектора в точке Q , а V _T = тепловое напряжение , обычно около 26 мВ при комнатной температуре. Для типичного тока 10 мА g _m ≈ 385 мСм. Входное сопротивление — это коэффициент усиления по току ( β ), деленный на крутизну.

Выходная (коллекторная) проводимость определяется начальным напряжением и пропорциональна току коллектора. Для большинства транзисторов, работающих в линейном режиме, оно значительно ниже 100 мкСм.

Усилители

Усилители крутизны

Усилитель крутизны ( г _м усилитель) выдает ток , пропорционального его входное напряжение. В сетевом анализе усилитель крутизны определяется как источник тока, управляемый напряжением ( VCCS ). Обычно эти усилители устанавливаются в каскодной конфигурации, что улучшает частотную характеристику.

Усилители сопротивления

Transresistance усилитель выдает напряжение , пропорциональный его входной ток. Трансрезистивный усилитель часто называют трансимпедансным усилителем , особенно производителями полупроводников.

Термин для усилителя сопротивления в сетевом анализе — это источник напряжения, управляемый током ( CCVS ).

Базовый усилитель инвертирующего сопротивления может быть построен из операционного усилителя и одного резистора. Просто подключите резистор между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя и подключите неинвертирующий вход к земле. Тогда выходное напряжение будет пропорционально входному току на инвертирующем входе, уменьшаясь с увеличением входного тока и наоборот.

Для усиления сигнального тока от фотодиодов на приемном конце сверхвысокоскоростных оптоволоконных линий широко используются специальные микросхемы трансрезисторных (трансимпедансных) усилителей.

Операционные усилители крутизны

Операционный усилитель крутизны (ОТ) является интегральной схемой , которая может функционировать в качестве усилителя крутизны. Обычно они имеют вход, позволяющий контролировать крутизну.

4.2.1. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (ПТУП) – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала p-n—переходом, смещенным в обратном направлении (рис. 4.14).

Электрод, из которого в канал входят носители заряда, называют истоком; электрод, через который из канала уходят носители заряда, – стоком; электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, – затвором. При подключении к истоку отрицательного (для n-канала), а к стоку положительного напряжения в канале возникает электрический ток, создаваемый движением электронов от истока к стоку, т.е. основными носителями заряда. В этом заключается существенное отличие полевого транзистора от биполярного. Движение носителей заряда вдоль электронно-дырочного перехода (а не через переходы, как в биполярном транзисторе) является второй характерной особенностью полевого транзистора.

При отсутствии напряжения на входе (U_зи = 0) ток I_с, создаваемый этими электро­нами, определяется напряжением стока (U_си) и сопротивле­нием канала, зависящим от его поперечного сечения.

При подаче на переход обратного напряжения U_зи < 0, его ширина равномерно увеличивается, сечение канала уменьшается по всей его длине и сопротивление канала возрастает. Самое низкое сопротивление канала и соответственно самый большой ток через него будет при нулевом напряжении на затворе (U_зи = 0), затем по мере увеличения ширины перехода при возрастании U_зи и соответственно уменьшении сечения канала ток будет падать, и при некотором напряжении на затворе произойдет смыкание переходов, канал полностью перекроется и ток через него перестанет протекать. Это напряжение называется напряжением затвор-исток отсечки (U_{зи отс}). Канал в этом случае будет иметь вид, показанный на рис. 4.15.

Выходные характеристики транзистора. На рис. 4.16 изображено семейство статических выходных характеристик I_с = f (U_си) при различных значениях напряжения на затворе U_зи.

Каждая характеристика имеет два участка – омический (для малых U_си) и насыщения (для больших U_си). При U_зи = 0 с увеличением напряже­ния U_с ток I_с вначале нарастает почти линейно, однако далее характеристика перестает подчиняться закону Ома. Ток I_с начинает расти медленно, ибо его увеличение приводит к повышению падения напряжения в канале и возрастанию потенциала вдоль канала от истока к стоку. Потенциал же затвора одинаков по всей длине.

Появляется разность потенциалов между каналом и затвором, которая увеличивается в сторону стока. Вследствие этого толщина запирающего слоя увеличивается клинообразно (рис. 4.17) и сопротивление канала также увеличивается, а возрастание тока I_С замедляется. При напряжении насыщения U_{си нас} = U_{зи отс} сечение канала у стока приближается к нулю, и рост тока стока I_с прекращается.

Реальные характеристики в области насыщения имеют небольшой наклон. Незначительное увеличение тока стока в режиме насыщения при повышении напряжения U_си объясняются некоторым уменьшением эффективной длины канала при расширении перекрытого участка.

Следующая характеристика, снятая при некотором обратном напряжении затвора (U

_зи), когда запирающий слой имеет большую толщину при тех же значениях U_си, будет более пологой на начальном участке, и насыщение наступит раньше, при меньших значениях

Передаточные (стоко-затворные) характеристики (рис. 4.18) представляют собой зависимости тока стока от напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке

Характер этой зависимости ясен из принципа действия полевого транзистора. Ток стока имеет максимальную величину при отсутствии напряжения на затворе (U_зи = 0), когда толщина канала максимальна. При подаче обратного напряжения на затвор переход расширяется, толщина канала уменьшается, сопротивление возрастает, и ток стока уменьшается. Когда напряжение на затворе достигает величины U_{зи отс} , канал полностью перекрывается и ток стока падает до минимального значения.

Входная характеристика ПТУП – это зависимость I_з = f (U_зи). Представляет собой обратную ветвь ВАХ p-n-перехода (рис. 4.19).

Основным параметром, ис­пользуемым при расчете усилительного каскада с полевым транзистором, является статическая крутизна характеристики прямой передачи, т.е. отношение изменения тока стока к изменению напряжения ме­жду затвором и истоком:

Крутизна обычно измеряется в миллиамперах на вольты и для типовых транзисторов она равна от десятых долей до единиц миллиампер на вольт. Крутизна характеризует управляющее действие затвора.

Дифференциальное выходное сопротивление опреде­ляется следующим образом:

Оно составляет, примерно от десятков до сотен килоом.

Статиче­ский коэффициент усиления по напряжению равен:

Он показывает, во сколько раз изменение напряжения на затворе воздействует эффективнее на ток стока, чем изменение напряжения на стоке.

Входное дифференциальное сопротивление равно:

Входное сопротивление имеет значение от сотен килоом до десятков мегаом.

Поскольку характеристики полевого транзистора нелинейны, значения дифференциальных параметров зависят от выбранного режима работы по постоянному току.

Эквивалентная схема ПТУП

Основным элементом эквивалентной схемы полевого транзистора (рис. 4.20), характеризующим усилительные свойства прибора, является зависимый генератор тока SU_зи. Частотные и импульсные характеристики транзистора определяются емкостями электродов: затвор – сток (C_зи), затвор – сток (C_зс), сток – исток (C_си). Емкости C_зи и C_зс зависят от площади затвора и степени легирования канала, емкость C_зс – самая маленькая среди рассмотренных.

Сопротивления утечки R_зс, R_зи, R_зс весьма велики, и учитываются, как правило, при расчете электрических усилительных каскадов постоянного тока. При расчете импульсных каскадов и усилительных каскадов переменного тока их не учитывают, поскольку проводимость емкостей обычно всегда больше шунтирующих их проводимостей утечки электродов.

Схемы включения полевого транзистора

Полевой транзистор в качестве элемента схемы представляет собой активный несимметричный четырехполюсник, у которого один из зажимов является общим для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой из электродов полевого транзистора подключен к общему выводу, различают схемы (рис. 4.21):

1) с общим истоком и входом на затвор;

2) с общим стоком и входом на затвор;

3) с общим затвором и входом на исток.

Температурная зависимость параметров ПТУП

При изменении температуры свойства полупроводниковых материалов изменяются. Это приводит к изменению параметров полевого транзистора, в первую очередь, тока стока, крутизны и тока утечки затвора.

Зависимость изменения тока стока от температуры определяется двумя факторами: контактной разностью потенциалов p-n-перехода и изменением подвижности основных носителей заряда в канале. При повышении температуры контактная разность потенциалов уменьшается, ширина перехода также уменьшается, канал расширяется, сопротивление его падает, а ток стока увеличивается. Но повышение температуры приводит к уменьшению подвижности носителей заряда в канале и тока стока. Первое сказывается при малых токах стока, второе – при больших.

При определенных условиях действие этих факторов взаимно компенсируется, и ток полевого транзистора не зависит от температуры. На рис. 4.22 приведены стоко-затворные характеристики при различных температурах окружающей среды и указано положение термостабильной точки (ТСТ).

Для кремниевых транзисторов крутизна (S) с увеличе­нием температуры уменьшается. С повышением температуры увели­чивается собственная проводимость полупроводника, возрастает входной ток затвора (I_з) через переход и, следовательно, уменьшается R_вх. У полевых кремниевых транзисторов с p-n-переходом при комнатной температуре ток затвора порядка 1 нА. При увеличении температуры ток удваивается на каждые 10 °С. Хотя абсолютное изменение тока незначительно, его надо учитывать при больших сопротивлениях в цепи затвора. В этом случае изменение тока затвора может вызвать существенное изменение напряжения на затворе полевого транзистора и режима его работы.