Здесь, как и выше, мы рассмотрим транзистор с каналом только одного типа (р -типа), поскольку принципы действия транзисторов с каналами р- или п -типа одинаковы.
Полупроводниковая структура МДП-транзистора со встроенным каналом р- типа представлена на рис. 15.
Такой транзистор изготавливается из пластинки полупроводникового кристалла с невысоким уровнем легирования донорами, имеющего слабо выраженную проводимость п -типа. На одной из поверхностей пластинки методом высокотемпературной диффузии устраивают слой с повышенным содержанием донорной примеси (проводимость п+). На поверхность этого слоя напыляют металлический слой (электрод подложки). На противоположной поверхности полупроводниковой пластинки методом локальной диффузии акцепторной примеси изготавливают две отделенные друг от друга области полупроводника с р+ -типом проводимости (области стока и истока), а затем, также методом диффузии, между ними изготавливают тонкий слой канала, имеющий слабо выраженную проводимость р -типа.
 |
Таким образом, стоковая и истоковая области оказываются связаными гальванически (между ними нет р-п- перехода). Между областямми с р -типом проводимости и основным объемом полупроводниковой пластинки (подложкой) образуется р - п -переход. На поверхности стоковой и истоковой областей напыляются металлические электроды, к которым припаиваются выводы стока и истока, соответственно. Поверхность полупроводниковой пластинки в месте нахождения канала покрывают слоем изолятора (диоксида кремния), а на этот слой напыляют металлический электрод (затвор). В зависимости от полярности напряжения между каналом и затвором происходит расширение или сужение встроенного канала и, следовательно, уменьшение или увеличение сопротивления канала.
Подчеркнем, что в транзисторах со встроенным каналом ток в цепи стока будет протекать и при нулевом напряжении на затворе. Для его прекращения необходимо к затвору приложить положительное напряжение (при структуре с каналом р -типа), равное или большее напряжения отсечки U ЗИ отс. При этом дырки из инверсного слоя будут вытеснены, практически полностью, вглубь полупроводника и канал исчезнет. При приложении отрицательного напряжения канал расширяется и ток увеличивается. Следовательно, МДП-транзисторы со встроенными каналами работают как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения.
При ориентировочных оценках тока стока транзистора со встроенным каналом в области насыщения можно использовать уравнение
, (16)
где
.
 |
Графики семейства выходных ВАХ МДП-транзистора со встроенным каналом отличается от соответствующих графиков МДП-транзисторов с индуцированным каналом лишь тем, что здесь напряжение U ЗИ может принимать как положительные значения, так и отрицательные (см. рис.16). По форме и те и другие графики качественно идентичны. Здесь тоже имеются крутая (омическая) область I, область насыщения тока стока II и область пробоя канала транзистора в наиболее суженном месте, III.
Стокозатворная вольтамперная характеристика МДП-транзистора со встроенным каналом р- типа имеет вид, показанный на рис.17.
Стокозатворная ВАХ МДП-транзистора со встроенным каналом п- типа имеет вид, показанный на рис.18.
Для расчетов усилительных схем на МДП-транзисторах со встроенным каналом рекомендуется схема замещения транзистора, показанная на рис.19. В нее входят элементы: входную емкость транзистора в схеме с общим истоком (С 11и), его выходная емкость (С 22и), проходная емкость (С 12и), выходное дифференциальное сопротивление (R СИ диф) и источник тока, определяющий усилительные свойства транзистора.
 |
Обычно величины емкостей схемы замещения транзистора имеют следующие значения: С 11и» 1 - 5пФ, С 12и = 0,22 пФ, С 22и = 2 - 6 пФ. Величина сопротивления R СИ диф находится в пределах от десятков до сотен кОм.
Типовые схемы включения источников питания для МДП-транзисторов со встроенным каналом мало отличаются от соответствующих схем для транзисторов с индуцированным каналом (см. рис. 20). Количественные отличия могут быть связаны с величиной и полярностью напряжения смещения потенциала затвора.
 |
Типовые схемы включения источников питания для МДП-транзисторов со встроенным каналом мало отличаются от соответствующих схем для транзисторов с индуцированным каналом (см. рис. 20). Количественные отличия могут быть связаны с величиной и полярностью напряжения смещения потенциала затвора.
Кроме однозатворных МДП-транзисторов со встроенным каналом промышленность также выпускает транзисторы с двумя изолированными затворами (тетродные транзисторы), например КП306, КП350. Наличие второго затвора позволяет одновременно управлять током транзистора с помощью двух управляющих напряжений, что облегчает построение различных усилительных и умножительных устройств. Характеристики их аналогичны характеристикам однозатворных полевых транзисторов, только количество характеристик больше, так как они строятся для напряжения каждого затвора при неизменном напряжении на другом затворе. Соответственно различают крутизну характеристики по первому и второму затворам, напряжение отсечки первого и второго затворов
и т. д. Схемы подачи напряжений смещения на затворы ничем не отличается от тех, что применяются в случае однозатворных транзисторов (см. рис. 21).
 |
Основные параметры МДП-транзисторов и их ориентировочные значения.
1. Крутизна характеристики
(при U СИ = const и U ПИ = const; S = 0,1 – 500 мА/В);
2. Крутизна характеристики по подложке
(при U СИ = const и U ЗИ = const; S П = 0,1 – 1 мА/В);
3. Начальный стока I Cнач (ток стока при нулевом напряжении U ЗИ;у транзисторов с управляющим р-п -переходом I Cнач = 0,2 - 600 мА; с технологически встроенным каналом I Cнач = 0,1 - 100 мА; с индуцированным каналом I Cнач = 0,01 - 0,5 мкА);
4. Напряжение отсечки U ЗИотс (U ЗИотс = 0,2 - 10 В);
5. Пороговое напряжение U ЗИпор (U ЗИпор = 1 – 6 В);
6. Сопротивление сток — исток в открытом состоянии R СИоткр
7. (R Сиоткр = 2 – 300 Ом);
8. Максимальный постоянный ток стока I Cмакс (I Cмакс = 10 мА – 0,7 А);
9. Остаточный ток стока I C ост – ток стока при напряжении U ЗИотс (I C ост = 0,001 – 10 мА);
10. Максимальная частота усиления fр - частота, на которой коэффициент усиления по мощности Кур равен единице (fр может принимать значения от десятков до сотен МГц).
3. Примеры расчета каскада линейного усиления гармонического сигнала на полевом транзисторе с управляющим р-п- переходом
Выбор рабочей точки.
Расчет любого усилительного каскада начинается с выбора положения рабочей точки транзистора. Только на следующем этапе следует рассматривать переменные (гармонические) составляющие усиливаемого транзистором сигнала.
Положение рабочей точки транзистора в пространстве представления его вольтамперных характеристик, вообще говоря, не зависит от типа схемы, в которой этот транзистор используется в качестве активного элемента. Так же как и в случае с биполярным транзистором, выбор рабочей точки полевого транзистора предполагает определение оптимальных значений постоянных составляющих токов и напряжений в цепях транзистора.
Рассмотрим графоаналитический способ расчета параметров рабочей точки транзистора, планируемого для использования в качестве активного элемента линейного усилителя электрических сигналов. Этот способ применим как при расчете маломощного усилительного узла (каскада), проектируемого по схеме ОИ, так и в маломощных каскадах ОЗ и ОС. Расчет мощных выходных усилительных каскадов имеет свои особенности, которые здесь не рассматриваются.
В отличие от биполярного транзистора, положение рабочей точки полевого транзистора достаточно определить на плоскости представления выходных вольт-амперных характеристик (т.е. на плоскости { U СИ, I С}). На этой плоскости представляется семейство выходных ВАХ (взятое из справочника или построенное по результатам экспериментальных измерений). Поверх полученной картины достраивается нагрузочная прямая.
Положение нагрузочной прямой зависит от того, в каком режиме должен работать транзистор. Амплитуда усиливаемого сигнала, подаваемого на вход рассчитываемого транзисторного каскада, может быть различной величины. В одних случаях приходится усиливать очень слабые электрические сигналы, в других случаях амплитуда усиливаемого сигнала может оказаться относительно большой. Для этих двух крайних ситуаций, соответствующих режимам сильного и слабого сигнала, положение нагрузочной прямой должно быть различным.
Входной сигнал называется сильным, если его амплитуда равна или чуть меньше величины U m.макс » 0,3× U ЗИотс (максимально допустимой амплитуды напряжения сигнала между затвором и истоком, при котором нелинейные искажения усиленного сигнала не превышают 3%). В случае такого сильного входного сигнала наиболее оптимальной нагрузочной прямой является линия, проходящая через точку максимального изгиба верхней ветви семейства выходных ВАХ транзистора. На рис.1 эту точку обозначили буквой А.
Второй определяющей точкой искомой нагрузочной прямой является точка О, лежащая на оси напряжений U КЭ и соответствующая напряжению источника питания, Е пит. Напряжение Е пит не должно превышать величины 0,8× U СИ.пред. (где U СИ.пред. указывается в списке основных параметров рассматриваемого транзистора и соответствует предельно допустимому напряжению между его стоком и истоком). При этом следует иметь в виду, что занижение значения Е пит ведет к уменьшению коэффициента усиления каскада по напряжению.
Таким образом, в случае сильного сигнала нагрузочная прямая должна примерно совпадать с наклонной сплошной линией, проходящей через точки А и О (см. рис.22). В случаях более слабых сигналов она будет проходить через точки А1 и О, А2 и О, А3 и О (по мере убывания амплитуды сигнала). Отметим здесь, что понятия «сильный сигнал» или «слабый сигнал» являются относительными. Если для одного конкретного транзистора данный сигнал следует рассматривать как сильный, то для более мощного транзистора он может оказаться слабым. Выбирать следует такой транзистор, чтобы каскад, собранный на его основе был согласован как с источником сигнала (согласование по входу) так и с нагрузкой (согласование по выходу). При этом очевидно, что значения токов I C00, I C(А), I C(А1) (и т.д.) будут связаны с величиной заданного в задании сопротивления нагрузки. Следовательно, выбор подходящего транзистора должен осуществляться исходя из величины сопротивления нагрузки.
Рекомендуемое значение I C00, удовлетворяющее ограничениям по предельно допустимому току стока и мощности, выделяемой на транзисторе, должно соответствовать следующему неравенству:
, (17)
где Р макс – максимально допустимая активная мощность, выделяемая на транзисторе. Одновременно с этим должно быть выполнено условие оптимального согласования усилительного каскада, построенного на данном транзисторе, с нагрузкой, R Н:
. (18)
Для схемы ОИ это последнее равенство означает, что при его выводе были использованы приближенные соотношения: R И » 0,3 R С и R С » (1,5¸2,0) R Н. Очевидно, что одновременное выполнение условий (17) и (18) связано с выбором конкретного транзистора под данную нагрузку.
Определив значения I C00 и Е пит и, следовательно, задав положение нагрузочной прямой, необходимо выбрать на этой прямой положение рабочей точки. Для этого следует найти точки пересечения выбранной нагрузочной прямой с самой нижней ветвью ВАХ (с одной стороны) и с пунктирной параболической кривой (с другой стороны). Последняя проходит через точки максимального изгиба всех графиков семейства выходных ВАХ. Середина отрезка нагрузочной прямой, заключенной между указанными двумя точками пересечения и является оптимальным положением рабочей точки транзистора.
Установив координаты рабочей точки в пространстве выходных ВАХ рассматриваемого транзистора, легко определить ее положение и на его стоко-затворной ВАХ (т.е. на плоскости { U ЗИ, I С}). Такое построение позволит определить крутизну стокозатворной ВАХ в рабочей точке, S 0(РТ). Здесь следует отметить, что стоко-затворные (проходные) ВАХ, соответствующие значениям U СИ в интервале 5¸20 В, практически накладываются друг на друга. Поэтому для рассматриваемого построения можно использовать любую ветвь из семейства проходных ВАХ, снятую при значении напряжения между стоком и истоком транзистора, принадлежащем указанному интервалу. Однако более точное значение S 0(РТ) получается из следующего построения. Через рабочую точку, определенную на плоскости представления выходных ВАХ транзистора проведем вертикальную прямую, пересекающую все графики выходных ВАХ (см. рис.23) в точках 0¸6. Определив ординаты этих точек, мы получаем ряд значений тока стока - I С(0) ¸ I С(6). Поскольку точки пересечения принадлежат графикам с конкретными значениями напряжения U ЗИ, мы можем найти соответствия между значениями I С(0) ¸ I С(6). из полученного ряда и значениями напряжения U ЗИ.
 |
В результате мы получаем координаты ряда точек искомой стоко-затворной характеристики на плоскости { U ЗИ, I С}. Среди этих точек находится и выбранная рабочая точка. Результат построения этой стоко-затворной характеристики представлен на рис.24.
Крутизна стоко-затворной характеристики (S 0(РТ)) в выбранной рабочей точке Р определяется с помощью следующего геометрического построения (см. рис. 25). К точке Р проводим касательный отрезок АБ. Через точку А проводим вертикальный отрезок АВ, а из точки Б – горизонтальный отрезок БВ. В результате получаем прямоугольный треугольник АБВ. Если длину катета АВ выразить в миллиамперах (согласно масштабу вдоль оси I С), а длину катета БВ – в вольтах (согласно масштабу вдоль оси U ЗИ), то отношение АВ (в миллиамперах) к БВ (в вольтах) даст статическую крутизну S 0(РТ).
Величина выходного динамического сопротивления рассматриваемого полевого транзистора определяется с помощью следующего построения. К рабочей ветви ВАХ в рабочей точке Р строится касательный отрезок АБ произвольной длины (см. рис. 26). Этот отрезок используется в качестве гипотенузы для построения прямоугольного треугольника. Один из катетов этого треугольника параллелен оси I C, а другой – параллелен оси U СИ.
 |
 |
Если длину катета АБ выразить в миллиамперах (согласно масштабу вдоль оси I С), а длину катета БВ – в вольтах (согласно масштабу вдоль оси U СИ), то отношение АБ (в миллиамперах) к БВ (в вольтах) даст величину выходного динамического сопротивления данного транзистора (в Y-параметрах - у 22).