Эквивалентные схемы полевого транзистора с управляющим р-п-переходом

Анализ работы полевых транзисторов в усилительных схемах при малом переменном сигнале удобно проводить с помощью эквивалентных схем. Эквивалентная схема является графическим отображением математической модели. Эквивалентная схема составляется из идеальных (линейных) элементов электрических цепей (сопротивлений, емкостей, индуктивностей, генераторов тока или напряжения), обладает теми же свойствами, что и исходный объект (полевой транзистор) в рамках решаемой задачи, например в заданном диапазоне частот входного сигнала, и является более удобной для анализа.

По способу построения различают физические и формальные эквивалентные схемы. Формальные эквивалентные схемы называют еще схемами замещения. Физические эквивалентные схемы составляют на основании физических представлений для конкретных типов конструкций транзистора, для заданного частотного диапазона, ориентируясь на определенную схему включения транзистора. Каждый вывод физической эквивалентной схемы соответствует электроду транзистора. Таким образом, физическая эквивалентная схема учитывает структуру транзистора и физические процессы в нем.

Исходя из принципа действия и структуры маломощного планарного полевого транзистора с управляющим р-п-переходом, можно составить его эквивалентную схему для области низких частот и схемы включения с общим истоком, которая представлена на рис. 73.

Сопротивления г_с и г_и представляют собой объемные сопротивления кристалла полупроводника на участках между концами канала и контактами стока и истока соответственно. Эти сопротивления зависят от конструкции полевого транзистора, технологии его изготовления, имеют порядок сотен Ом, и на низких частотах их влиянием можно пренебречь.

Рис. 73. Физическая эквивалентная схема полевого транзистора с управляющим р-п-переходом

Емкости С_зи и С_зс, сопротивления г_ш и г_зс отражают в эквивалентной схеме/7-л-переход с его барьерной емкостью и дифференциальным сопротивлением при обратном смещении. Так как сопротивление закрытого р-п -перехода в кремниевых полевых транзисторах велико и составляет величину порядка десятки-сотни МОм, то г_ш и г_зс в большинстве случаев можно не учитывать. В выходную цепь включены: внутреннее сопротивление транзистора Л, (характеризует воздействие напряжения стока на ток стока), генератор тока SU_m, который определяет управляемую составляющую выходного тока и отражает усилительные свойства транзистора, межэлектродная емкость С_си, величина которой зависит от конструкции и материала полупроводника полевого транзистора.

Поясним роль проходной емкости затвор-сток (С_зс, рис. 73). Составляющая входного тока, протекающего через С_зс, будет равна:

На низких частотах входная проводимость равна (1 + К_и) j(x)C_3C, что соответствует емкости (1 + К_и) • С_зс. Отсюда полная входная емкость полевого транзистора равна:

при (Яу^О), или С_вх= С_зи + С_зс при 7?_н = О (А^ = 0). Таким образом, емкость С_зс заметно увеличивает входную емкость усилительного каскада на полевом транзисторе (эффект Миллера). С ростом частоты входного переменного напряжения увеличивается обратная связь через цепьг_зс, С_зс (рис. 73), что эквивалентно уменьшению полного входного сопротивления полевого транзистора и уменьшению его усиления по напряжению. Следовательно, при разработке конструкции полевых транзисторов необходимо уменьшать емкость «затвор — сток».

Для практических расчетов наиболее удобна эквивалентная схема, приведенная на рис. 74, хотя она значительно хуже отражает действительные физические процессы, протекающие в полевых транзисторах.

Кроме физических эквивалентных схем полевого транзистора применяют и формальные эквивалентные схемы {схемы замещения) с Y-, Z- или Я-параметрами. Так как входные и выходные сопротивления полевых транзисторов велики, то удобнее измерять и задавать комплексные параметры проводимостей схемы замещения, которая приведена на рис. 75.

Рис. 74. Модифицированная эквивалентная схема полевого транзистора

Токи и напряжения на выводах полевого транзистора в режиме малого сигнала для схемы с общим истоком (рис. 75) соответствуют следующим характеристическим уравнениям четырехполюсника:

Рис. 75. Формальная эквивалентная схема полевого транзистора, соответствующая системе Е-параметров

Y-параметры определяются при реализации режимов короткого замыкания по переменному току на входе и выходе транзистора:

Если эти режимы воспроизвести на эквивалентной схеме рис. 73, то можно найти формулы перехода от параметров элементов физической эквивалентной схемы к F-параметрам. Пренебрегая малыми проводимостями /7-л-перехода и объемными сопротивлениями полупроводника около истока и стока, получим матрицу Е-параметров для схемы включения полевого транзистора с общим истоком:

где Уц ус) (С_зи + С_зс), у_п —у(оС_зс,

У21 ⁼ S —/’(ОСзс, У22 ⁼ 1/

Все эти параметры зависят от значений постоянных напряжений на электродах полевого транзистора, поэтому должны вычисляться в заданной рабочей точке.