Частотные и импульсные свойства полевых транзисторов

Как и в биполярных транзисторах, частотные свойства полевых транзисторов определяются временем пролета носителей в канале и паразитными емкостями, присущими конкретному типу и конкретной структуре транзистора. Среднее время пролета ?_пр электронами л канала складывается из времени пролета канала V и участка перекрытия АЬ.

В л канале электроны перемещаются со средней дрейфовой скоростью.

где средняя напряженность <�продольного электрического поля в канале дается формулой Г= (?/_зи — С/_пор)/Х, а I = I' + АЬ.

В области перекрытия электроны перемещаются со скоростью насыщения о_|1ПС, в результате общее среднее время пролета частиц от истока до стока будет равно.

Наличие времени пролета t_np приводит к зависимости крутизны 8 от времени и частоты (см. [34]), т. е. 5 становится комплексной величиной вида.

где f_s — 1/(2л*_пр) — предельная частота крутизны, на которой |S| уменьшается в J2 раза при С/_си = const по сравнению со статической крутизной S. При f f_s крутизна S = S ~ const. В малосигнальной модели полевого транзистора время пролета моделируется постоянной времени ?_пр = Я, С_ЗК, где С_зк — емкость затвор—канал, не показанная на рис. 6.8.

Рассмотрим роль емкости затвор—сток С_зс, которая включена в цепь обратной связи. Полная входная емкость С_вх определяется емкостями С_зи и С_зс. При наличии усиления в каскаде емкость Сзс ^сильно увеличивает входную емкость. Ток, протекающий через конденсатор обратной связи С_зс, создает дополнительное напряжение на затворе, которое складывается с входным напряжением, т. е. возникает обратная связь по напряжению, которая на высоких частотах может привести к самовозбуждению усилительного каскада. Выходная емкость транзистора, включенного в усилительный каскад при наличии емкости нагрузки С_н, будет равна С_вых = С_си + С_н, где емкость С_си = С_(:", т. е. С_сп в основном определяется емкостью обратносмещенного р—л-перехода сток— подложка, но поскольку в рассмотренных условиях подложка соединена с истоком, то можно считать что емкость сток—исток и сток—подложка эквивалентны. Анализ показывает (см. [1], п. 5.7), что граничная частота усилителя f_гp связана с предельной частотой крутизны соотношением.

Здесь f_гp — частота, на которой модуль коэффициента усиления по напряжению равен 1, а емкость С_зк = С_зи — С_пор(С_Пер — емкость перекрытия затвор—исток).

Таким образом, если С_вых С_зи, то f_гp «С f_s. Обычно эти соотношения справедливы для дискретных транзисторов. В интегральных схемах С_вых и С_зи могут быть соизмеримы и /_гр приближается по значению к /». Упрощенную модель (эквивалентную схему на рис. 6.8, б) в этом случае применять нельзя.

Импульсный режим работы транзистора широко применяется в цифровых устройствах, преимущественно в полевых транзисторах интегральных схем, и будет рассмотрен в гл. 9 на примере логического элемента — инвертора.

Разновидности полевых транзисторов. Силовые комбинированные транзисторы

К достижениям силовой электроники последних лет относятся разработки таких новых типов транзисторов, как транзисторы со статической индукцией (СИТ и БСИТ) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ). Эти типы транзисторов могут коммутировать токи свыше 500 А и напряжения до 2 кВ. В отличие от тиристоров (см. гл. 6) эти приборы имеют лучшее управление, высокое быстродействие и малое потребление тока по цепи управления.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) представляют собой удачное сочетание входного полевого транзистора с изолированным затвором и вертикальным каналом с выходным биполярным п—р—л-транзистором. Имеются много разновидностей таких приборов, однако наибольшее распространение получили приборы, которые в зарубежной литературе имеют название Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT).

Структура IGBT включает два биполярных транзистора — л—р—л (VT,) и р—л—р (VT₂) и полевой транзистор с изолированным затвором VT (рис. 6.11, а).

Как видно из приведенного рисунка, ток коллектора /_К1 транзистора VTj влияет на ток базы транзистора VT₂, а коллекторный ток /_К2 транзистора VT₂ определяет ток базы VTj. В результате структура из двух транзисторов VT_t и VT₂ имеет глубокую внутреннюю положительную обратную связь.

Вводя коэффициенты передачи тока otj для транзистора VTj и а₂ для транзистора VT₂, получим, что /_К2 = /_Э2а₂, Ли ⁼ Ли^а1 ^и>

Рис. 6.11.

поскольку токи /_с, /_К1 и /_К2 текут по параллельным ветвям, суммируясь в точке, откуда вытекает ток /_э, то /_э = /_К1 + /_К2 + /_с (см. рис. 6.11, а). В результате ток стока /_с, полученный из последнего соотношения, равен /_с = /_э(1 — а, — а₂).

Поскольку ток стока полевого транзистора /_с = 51/₃, ток ГСВТ транзистора равен.

где 5_Э = 5/(1 — а_х — а₂) — эквивалентная крутизна биполярного транзистора с изолированным затвором (ЮВТ), которая может принимать большие значения при + а₂ —* 1. Значения и а₂

можно изменять за счет сопротивлений Я, и Л₂ (см. рис. 6.11, а). На рис. 6.11,6 приведены ВАХ одного из транзисторов типа ЮВТ, где значение крутизны достигает 15 А/В.

Достоинством БТИЗ является значительное снижение падения напряжения на замкнутом транзисторном ключе; это объясняется тем, что в режиме насыщения последовательное сопротивление Я₂ шунтируется двумя насыщенными транзисторами УТ_Х и УТ₂, включенными последовательно. Условное обозначение биполярного транзистора с изолированным затвором приведено на рис. 6.11, в, где отражается гибридность этого прибора, включающего элементы условного обозначения полевого и биполярного транзисторов.

Следующей разновидностью приборов, сочетающих свойства полевых и биполярных транзисторов, являются статические индукционные транзисторы (СИТ). СИТ [35] представляют собой полевые транзисторы с управляющим р—п переходом. Они работают в режиме полевого транзистора, когда на затвор подано обратное напряжение, и в режиме биполярного транзистора, когда на затвор подано положительное смещение и затвор выполняет роль базы биполярного транзистора. По сравнению с биполярными транзисторами СИТ имеют лучшее быстродействие из-за лучшего рассасывания неосновных носителей, появляющихся в канале при прямом смещении р—л-перехода (затвора). Оно обусловлено тем, что в отличие от биполярного транзистора, обратное напряжение на затворе может достигать 30 В. Время включения СИТ практически не зависит от режима работы и составляет 20…25 нс при задержке не более 50 нс. На этапе выключения происходит рассасывание накопленных в открытом состоянии неосновных носителей, по аналогии с биполярным транзистором. В результате возникает задержка выключения на время от 20 нс до 5 мкс.

В обычных СИТ при нулевом напряжении на затворе канал находится в хорошо проводящем состоянии (нормально открытое состояние). При подаче отрицательного (обратного) напряжения между затвором и истоком проводимость сильно снижается и транзистор переходит в непроводящее состояние. Нормально открытое состояние при отсутствии управляющего сигнала затрудняет применение СИТ в качестве ключа. Этого недостатка лишены БСИТ (биполярные СИТ), в которых напряжение отсечки технологическими приемами сведено к нулю. БСИТ при отсутствии напряжения на затворе заперты аналогично биполярным транзисторам.

СИТ и БСИТ уступают БТИЗ по быстродействию и мощности управления. К достоинствам СИТ следует отнести очень малое сопротивление канала в открытом состоянии (0,1…0,025 Ом).