Эквивалентные схемы полевого транзистора с управляющим p-n 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 p-n переходом, можно составить его эквивалентную схему для области низких частот и схемы включения с общим истоком, которая представлена на рис. 8.

Рис. 8. Физическая эквивалентная схема полевого транзистора с управляющим p-n переходом

Сопротивления r_C и r_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. Емкости C_ЗИ и C_ЗC, сопротивления r_ЗИ и r_ЗС отражают в эквивалентной схеме p-n переход с его барьерной емкостью и дифференциальным сопротивлением при обратном смещении. Так как сопротивление закрытого p-n перехода в кремниевых полевых транзисторах велико и составляет величину порядка десятки-сотни МОм, то r_ЗИ и r_ЗС в большинстве случаев можно не учитывать. В выходную цепь включены: внутреннее сопротивление транзистора R_i (характеризует воздействие напряжения стока на ток стока), генератор тока S× U_ЗИ, который определяет управляемую составляющую выходного тока и отражает усилительные свойства транзистора, межэлектродная емкость C_СИ, величина которой зависит от конструкции и материала полупроводника полевого транзистора.

Поясним роль проходной емкости затвор-сток(C_ЗС, рис. 8). Составляющая входного тока, протекающего через C_ЗС, будет равна:

( _ВХ - _ВЫХ)× jwC_ЗС = _ВХ (1 + _U)× jwC_ЗС (17)

На низких частотах входная проводимость равна (1 + K_U)× jwC_ЗС, что соответствует емкости (1 + K_U)× C_ЗС. Отсюда полная входная емкость полевого транзистора равна:

C_ВХ = С_ЗИ + (1 + K_U)× C_ЗС (18)

при R_H ¹ 0 (K_U ¹ 0), или C_ВХ = С_ЗИ + C_ЗС при R_H = 0 (K_U = 0). Таким образом, емкость C_ЗС заметно увеличивает входную емкость усилительного каскада на полевом транзисторе (эффект Миллера). С ростом частоты входного переменного напряжения увеличивается обратная связь через цепь
r_ЗС, C_ЗС (Рис. 8), 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. 9, хотя она значительно хуже отражает действительные физические процессы, протекающие в полевых транзисторах.

Рис. 9. Модифицированная эквивалентная схема полевого транзистора

Кроме физических эквивалентных схем полевого транзистора применяют и формальные эквивалентные схемы (схемы замещения) с Y-, Z- или H-параметрами. Так как входные и выходные сопротивления полевых транзисторов велики, то удобнее измерять и задавать комплексные параметры проводимостей схемы замещения, которая приведена на рис. 10.

Токи и напряжения на выводах полевого транзистора в режиме малого сигнала для схемы с общим истоком (рис. 10) соответствуют следующим характеристическим уравнениям четырехполюсника:

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

у_11И = _З / _ЗИ , у_21И = _С / _ЗИ, (21)

_СИ = 0 _СИ = 0

у_12И = _З / _СИ, у_22И = _С / _СИ.(22)

_ЗИ = 0 _ЗИ = 0

Если эти режимы воспроизвести на эквивалентной схеме рис. 8, то можно найти формулы перехода от параметров элементов физической эквивалентной схемы к Y-параметрам. Пренебрегая малыми проводимостями p-n перехода и объемными сопротивлениями полупроводника около истока и стока, получим матрицу Y-параметров для схемы включения полевого транзистора с общим истоком:

[Y] = , (23)

где у₁₁ = jw(C_ЗИ + С_ЗС), у₁₂ = - jwС_ЗС,

у₂₁ = S - jwС_ЗС, у₂₂ = 1/R_i + jwС_СИ.

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