Характеристические частоты транзистора. ПТШ широко применяются с высокочастотных схемах для усиления малого сигнала (Uвx < φT)

ПТШ широко применяются с высокочастотных схемах для усиления малого сигнала (U_вx < φ_T). Поэтому для анализа частотных свойств транзистора целесообразно рассмотреть его малосигнальную физическую эквивалентную схему (рис. 6.5). Конденсаторы С_ЗИ и С_зс моделируют полную емкость затвор – канал, резистор R_K – входное, a R_cu – выходное сопротивление канала Генератор тока SU_зu моделирует транзисторный эффект.

Ток обратносмещенного перехода затвор–канал определяется выражением (6.14), отсюда для входного сопротивления получим

.

Согласно этой формуле, при I_з 0, I_sш 10^-10 А сопротивление R_зu при Т = 300K составляет –250 МОм. Последовательные сопротивления стока и истока не модулируются напряжением затвора и поэтому обусловливают дополнительное падение напряжение между затвором и контактами стока и истока. Как уже отмечалось, это приводит к соответствующему уменьшению выходной проводимости и крутизны.

Рисунок 6.5 – Эквивалентная электрическая схема ПТШ (а) и физические элементы схемы-структуры, соответствующие элементам эквивалентной электрической схемы (б)

Высокочастотные характеристики ПТШ зависят от времени и зарядки = RC, определяемым входной емкостью затвора С_зк, крутизной транзистора S и временем пролета носителей через канал. Если канал легирован равномерно и подвижность носителей постоянная, то время пролета

(6.27)

При высоких электрических полях величина V приближается к величине скорости насыщения V_s, и при малых длинах канала время пролета обычно невелико по сравнению с постоянной времени зарядки затвора RC, определяемой входной емкостью затвора и крутизной транзистора.

Согласно эквивалентной схеме (см. рис. 6.5) частота отсечки f_T определяется как частота, при которой ток через входную емкость С_ЗИ равен выходному току (току генератора SU_зu):

(6.28)

Максимальная частота колебаний определяется выражением

(6.29)

Для повышения f_max следует увеличивать f_T и оптимизировать отношение собственно транзисторных сопротивлений а также уменьшать внешние сопротивления R₃, R_C и емкость обратной связи С_ЗС.

Дело в том, что хотя полуизолирующая подложка в арсенид-галлиевых ИМС обеспечивает высококачественную взаимную изоляцию элементов и снижает их паразитные емкости, однако она не является идеальным изолятором. Поэтому потенциал подложки под каналом ПТШ в ИМС зависит от потенциалов электродов самих транзисторов и от их взаимного расположения.

Полуизолирующая подложка GaAs обладает слабовыраженными свойствами полупроводника p-типа, поскольку уровень Ферми в подложке расположен несколько ниже середины запрещенной зоны, а концентрация дырок выше концентрации электронов (хотя они весьма малы). При этом между подложкой и каналом ПТШ образуется ОПЗ р-п-переход, которая частично проникает в область канала. При уменьшении потенциала ОПЗ расширяется, что приводит к уменьшению канала и, следовательно, тока стока.

Если вблизи ПТШ в ИМС находится какой-либо электрод, потенциал которого ниже потенциала истока (например исток соседнего ПТШ), то потенциал этого «управляющего» электрода влияет на ток стока ПТШ. Этот эффект (паразитное управление по подложке) подобен влиянию напряжения подложка – исток на характеристики МОП-транзистора. Различие состоит в том, что в n-канальном МОП-транзисторе подложка является ярко выраженной p-областью с достаточно высокой проводимостью, и ее потенциал практически одинаков во всей ИМС. В ПТШ проводимость подложки весьма мала, и потенциал подложки зависит от потенциалов близкорасположенных элементов.

Степень проявления эффекта паразитного управления зависит от качества подложки и может быть уменьшена путем создания между каналом и подложкой буферного слоя (слаболегированный эпитаксиальный i-слой либо р-слой с фиксированным относительно истока потенциалом). В цифровых ИМС на GaAs эффект паразитного управления не должен приводить к снижению тока стока открытого ПТШ более чем на 10 % при подаче на близкорасположенные электроды напряжения до –5… –10 В относительно истока.