Изобретение относится к области радиоэлектроники и электронной техники, а именно к усилителям электрических колебаний на полевых транзисторах и к полевым транзисторам с управляющим p-n переходом либо с затвором в виде барьера Шоттки, на которых собран один из вариантов предлагаемого усилителя. Изобретение может быть использовано при построении усилителей различного назначения: в каскадах операционных усилителей, в качестве линейного усилителя сигналов с частотой от низкой до СВЧ.
Как известно (см. Зи С. Физика полупроводниковых приборов т.1, М. Мир, 1984, стр. 325 375), передаточные характеристики усилителей на полевых транзисторах, как правило, нелинейны. Исключение составляют усилители на короткоканальных транзисторах на основе GaAs c большим напряжением перекрытия, в качестве затвора у которых используется p-n переход либо барьер Шоттки (см. М. Шур. Современные приборы на основе арсенида галлия. М. Мир, 1991, стр. 306 311, 314 316) с каналом, неоднородно легированным по толщине, у которых область насыщения дрейфовой скорости электронов распространяется на всю длину канала. В этом случае имеем:
dl/dh VsZNi(h)q
dU/dh qhNi(h)/Es
Gm dl/dU VsZEs/h(Ug + Uk) (1)
K GmR
Где I ток стока, Vs скорость насыщения электронов, Z ширина канала, q элементарный заряд, а толщина канала, h толщина той части канала, которая обеднена основными носителями заряда, U напряжение на затворе, Ni - концентрация легирующей примеси, Uk встроенный потенциал p-n перехода либо барьера Шоттки, Ug внешнее напряжение между истоком и затвором, Es - диэлектрическая проницаемость полупроводника, Gm крутизна, К коэффициент усиления по напряжению, R сопротивление нагрузки, включенное в цепь стока транзистора.
Если h(Ug + Uk) слабо зависит от Ug, что возможно при выполнении условия:
(a-h(Uk))/a << 1. (2)
Последнее реализуется, когда большая часть канала легирована слабо, а небольшая часть канала вблизи полуизолирующей (изолирующей) подложки легирована сильно. В этом случае коэффициент усиления по напряжению практически не зависит от Ug:
K RVsZEs/a, (3)
что подтверждается экспериментальными результатами (см. например, Williams R. E. Shaw D.W. Guided channel FETs: Improved linearity and noise figure, IEEE Trans Electron Devices, ED-25(6), 600 605, 1978).
Очевидным недостатком таких конструкций является очень низкое значение крутизны и коэффициента усиления по напряжению по сравнению с приборами, у которых канал однородно легирован либо неоднородно с увеличением степени легирования от подложки к затвору (следует из (1), (2), (3)). Второй недостаток связан с ухудшением частотных свойств таких транзисторов, поскольку для эффективной работы затвора необходимо превышение его длины над толщиной канала, но в этом случае толщина активной части канала (сильнолегированной области вблизи изолирующей подложки) много меньше полной ширины канала, которая и определяет длину, а следовательно, и лимитирует граничную частоту прибора (см. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Т.1. М. Мир, 1984, стр. 355 358).
Линейных передаточных характеристик в усилителях, собранных на полевых транзисторах, добиваются, как правило, за счет резкого снижения коэффициента усиления путем введения отрицательной обратной связи. Типичная схема однокаскадного усилителя изображена на фиг.1, которая содержит источник питания, конденсатор развязки усилителя и источника входного сигнала по постоянному току С1, резистор, включенный между общей шиной источника питания и истоком транзистора Rs, падение напряжения на котором обеспечивает автосмещение между затвором и истоком, сопротивление нагрузки в цепи стока - R, высокоомный резистор Rc (во избежание шунтирования источника входного сигнала по входу транзистора), через которое смещение подается на затвор транзистора, и полевой транзистор Т1 (см. например, Гринфилд Дж. Транзисторы и линейные ИС. М. Мир, 1992, стр. 186 187). Для коэффициента усиления по напряжению имеем:
K Gm(Ug)R/(1 + Gm(Ug)Rs)
где Gm крутизна транзистора. Если GmRs >> 1, то K R/Rs не зависит от напряжения между затвором и истоком Ug. Снижение коэффициента усиления - нежелательное явление, кроме того, для транзисторных усилителей, работающих на СВЧ, где коэффициент усиления по мощности и без того низкий (на частотах порядка 10 Ггц и выше составляет несколько единиц на каскад при удельной выходной мощности порядка одного ватта на мм затвора, см. например, Шур М. Современные приборы на основе арсенида галлия. М. Мир, 1991, стр. 383 403), такой способ линеаризации передаточной характеристики не подходит в принципе.
Известен однокаскадный усилитель, выбранный в качестве прототипа, отличающийся от вышеописанного тем, что параллельно резистору Rs включен шунтирующий его по переменному току конденсатор. Коэффициент усиления по напряжению такого усилителя равен Gm(Ug) R (см. например, Гринфилд Дж. Транзисторы и линейные ИС. М. Мир, 1992, стр. 172).
Задачей данного изобретения является создание простого усилителя с линейной передаточной характеристикой и высоким коэффициентом усиления и создание конструкций короткоканальных полевых транзисторов с управляющим p-n переходом либо с затвором в виде барьера Шоттки для этого усилителя.
Поставленная задача обеспечивается тем, что усилитель сформирован из двух однокаскадных усилителей на полевых транзисторах, причем каждый из усилителей содержит цепь нагрузки, цепь смещения, источник питания, общая шина которого заземлена и соединена через резистор и параллельно включенный ему конденсатор с истоком транзистора, вторая шина источника питания соединена через резистор со стоком полевого транзистора, между затвором транзистора и общей шиной источника питания включен резистор. Предлагаемый усилитель сформирован из двух таких усилителей с общим источником питания, причем затворы транзисторов у первого и второго усилителей соединены друг с другом, одна шина источника входного сигнала подключена к затворам транзисторов через конденсатор, общий для обоих усилителей, вторая соединена с общей шиной источника питания. Выход усилителя выполнен между стоками транзисторов, в качестве усилительных элементов использованы два полевых транзистора с затворами в виде p-n переходов либо барьеров Шоттки с различными напряжениями отсечки каналов, либо два МОП транзистора (транзистора типа металл-окисел -полупроводник) с различными пороговыми напряжениями. Кроме того, истоки обоих транзисторов могут быть соединены друг с другом, к которым через резистор и параллельно включенный ему конденсатор подключена общая шина источника питания.
Кроме того, истоки обоих транзисторов могут быть непосредственно соединены с общей шиной источника питания, между которой и затвором последовательно с резистором включен источник с фиксированным смещением. Кроме того, усилитель может быть собран на двух короткоканальных полевых транзисторах, рабочая область которых однородно легированные полупроводниковые пленки, расположенные на изолирующих (полуизолирующих) подложках, затворы транзисторов выполнены в виде p-n переходов либо барьеров Шоттки, у первого транзистора толщина канала однородна, у второго толщина канала от нуля линейно меняется вдоль ширины затвора.
То есть суть изобретения заключается в том, что, поскольку в передаточных характеристиках усилителей на полевых транзисторах есть линейные и нелинейные члены, делаются два однокаскадных усилителя, причем выходной сигнал снимается между стоками транзисторов, а параметры транзисторов и сопротивления, включенные в цепи стоков и истоков, подбираются таким образом, чтобы нелинейные члены в передаточных характеристиках первого и второго усилителей компенсировали друг друга.
На фиг. 1 приведена схема усилителя на полевом транзисторе с сопротивлением автосмещения (аналог предлагаемого усилителя). На фиг.2 приведена схема усилителя, собранного на двух полевых транзисторах с линейной передаточной характеристикой и высоким коэффициентом усиления. На фиг.3 приведен разрез полевого транзистора, используемого в линейном усилителе. На фиг.4 приведены зависимости для тока насыщения транзисторов с управляющим p-n переходом КП 302 А, КП 302 Г и зависимость выходного напряжения усилителя, собранного на этих транзисторах по схеме фиг.2, от напряжения между затвором и истоком.
Усилитель содержит (см. фиг.2) источник питания с общей шиной 1 и второй шиной 2, конденсатор развязки усилителя и источника входного сигнала по постоянному току 3, резистор, включенный между общей шиной источника питания 1 и истоками транзисторов 4, падение напряжения на котором обеспечивает автосмещение между затворами и истоками, резисторы, включенные между шиной источника питания 2 и стоками транзисторов 5 и 6, высокоомный резистор 7 (во избежание шунтирования источника входного сигнала по входу усилителя), через который смещение подается на затворы транзисторов, конденсатор, шунтирующий резистор 4 по переменному току 8, полевые транзисторы 9 и 10, причем одна шина источника входного сигнала подключена к общей шине источника питания 1, а другая через конденсатор 3 к затворам транзисторов. Выход усилителя выполнен между стоками транзисторов. Схема с фиксированным смещением затворов по отношению к истокам отличается от приведенной тем, что истоки обоих транзисторов соединены с общей шиной питания, а последовательно с резистором 7 между общей шиной источника питания 1 и затворами транзисторов включается источник фиксированного смещения. Усилитель может быть собран на двух короткоканальных полевых транзисторах (см. фиг.3, на которой выполнен разрез одного из транзисторов), рабочая область которых однородно легированные полупроводниковые пленки 12, расположенные на изолирующих (полуизолирующих) подложках 13, затворы транзисторов 14 выполнены в виде p-n переходов либо барьеров Шоттки, причем у первого транзистора толщина канала однородна, у второго толщина канала от нуля линейно меняется вдоль ширины затвора.
Усилитель работает следующим образом.
Для пояснения работы усилителя обратимся к модели Шокли, которая хорошо описывает длинноканальные однородно легированные транзисторы, в качестве затвора у которых используется p-n переход либо барьер Шоттки (см. Зи С. Физика полупроводниковых приборов т.1, М. Мир, 1984, стр. 330 332). Для тока насыщения имеем:
I Ip[1-3(Ug + Uk)/Up + 2((Ug + Uk)/Up)3/2] (4)
Up qNia2/(2Es)
Ip ZM(qNi)2(a)3/(6EsL)
где Up напряжение перекрытия (отсечки канала); Uk встроенный потенциал p-n перехода либо барьеров Шоттки; Ug внешнее напряжение между истоком и затвором; I ток насыщения; Z, L, a ширина, длина, толщина канала соответственно; Es диэлектрическая проницаемость канала; Ni концентрация легирующей примеси; М подвижность основных носителей заряда в канале транзистора; q элементарный заряд. Выражение (4) можно переписать для падения напряжения U на резисторе с номиналом R, включенном в цепь стока, которое вызвано током насыщения I в виде, выразив а через Up:
C1 RZM/(3L)(2EsqNi)1/2 (5)
U C1 (Up3/2 3(Ug + Uk)Up1/2 + 2(Ug + Uk)3/2) (6)
Если взять два транзистора с разными напряжениями отсечки каналов, у которых стоки соединены через нагрузки с источником питания, то разность потенциалов между стоками транзисторов в режиме насыщения для обоих приборов при одинаковых C1 и Uk и одном и том же напряжении между истоком и затвором для обоих транзисторов линейно зависит от Ug:
U2 U1 C1(3(Up11/2 Up21/2)(Ug + Uk) + Up23/2 - Up13/2).
Здесь Up1, Up2 напряжения перекрытия для первого и второго транзисторов соответственно; U1, U2 падение напряжения на сопротивлении нагрузки для первого и второго транзисторов соответственно.
То есть идея заключается в том, что, поскольку в передаточных характеристиках усилителей на полевых транзисторах есть линейные и нелинейные члены, делаются два усилителя, в передаточных характеристиках которых линейные члены разные, а нелинейные одинаковы. Разность двух таких передаточных характеристик линейна и представляет собой передаточную характеристику предлагаемого усилителя. Схемное осуществление этой идеи не вызывает затруднений. Необходимо лишь собрать два независимых усилителя, на одном транзисторе каждый, одинаково включенных (либо с общим истоком, либо с общим затвором), на входы которых подается один и тот же сигнал, выходной сигнал снимается между выходами обоих усилителей (см. фиг.2). Схема с фиксированным смещением затворов по отношению к истокам отличается от приведенной тем, что истоки обоих транзисторов заземлены и последовательно с резистором 7 между общей шиной источника питания 1 и затворами транзисторов включается источник фиксированного смещения. Диапазон запирающих напряжений между истоком и затвором, в котором передаточная характеристика прибора линейна, дается соотношением:
0 < Ug < Up2 Uk, Up2 < Up1
Для коэффициента усиления по напряжению имеем:
K d(U2 U1)/dUg C1(3(Up11/2 Up21/2) (7) Если Up1 > 2 Up2, то К сравним с максимальным коэффициентом усиления для усилителя с нелинейной передаточной характеристикой, даваемой моделью Шокли.
До этого речь шла о полевых транзисторах с однородно легированным каналом. Однако это требование не является обязательным, поскольку известно, что передаточные характеристики для приборов с низким напряжением перекрытия адекватно рассчитываются с помощью эквивалентного однородного профиля с эффективной концентрацией доноров ND и толщиной канала А (см. М. Шур. Современные приборы на основе арсенида галлия. М. Мир, 1991, стр. 321), которые определяются соотношением:
A 2Es Up/Q, ND Q/(qA), где
То есть в выражении (5) необходимо заменить Ni на ND. В этом случае усилитель собирается на двух полевых транзисторах, рабочая область которых - неоднородно легированные полупроводниковые пленки на полуизолирующих (высокоомных) подложках, а в качестве затвора используются p-n переходы либо барьеры Шоттки с одинаковыми встроенными потенциалами. Напряжение перекрытия Up для обоих транзисторов разное, а величина RZM(EsND)1/2/L у обоих транзисторов совпадает.
Предложенная идея применима к длинноканальным МОПтранзисторам (см. например, Р. Маллер, Т.Кейминс, Элементы интегральных схем. М. Мир, 1989, стр. 503 614), ток насыщения для которых дается выражением:
I≈KMCxZ(Ug Ut)2/(2L) (8)
где Cx EsLZ/h емкость диэлектрического слоя SiO2 под затвором с шириной Z и длиной L, M подвижность электронов, если канал n-типа, либо дырок при канале p-типа, h толщина диэлектрического слоя SiO2 под затвором транзистора, Ug внешнее смещение между затвором и истоком, Ut - пороговое напряжение, Es диэлектрическая проницаемость кремния, К величина ≈ 1, зависящая от уровня легирования канала. Или:
I KEsMZ2(Ug2 2UgUt + Ut2)/(2h)
Очевидно, в этом случае усилитель собирается на двух МОПтранзисторах с разным пороговым напряжением, причем R1K1Z12M1/h1 R2K2Z22M2/h2, где Z1, Z2 ширины затворов; M1, M2 подвижности электронов, если канал n-типа, либо дырок при канале p-типа; h1, h2 толщины диэлектрических слоев под затворами для первого и второго транзисторов соответственно; R1, R2 номиналы резисторов, включенных в цепи стоков первого и второго транзисторов соответственно; К1, К2 величины ≈ 1, зависящие от уровня легирования каналов. Если каналы транзисторов легированы одинаково, то связь между структурными параметрами упрощается: R1Z12/h1 R2Z22/h2. Полученное соотношение справедливо для транзисторов, уровни легирования каналов у которых величины одного порядка, по причине слабой зависимости М и К от концентрации легирующей примеси (см. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Т.1, стр. 34, т.2, стр. 15 17. М. Мир, 1984).
Причем Ug > Ut1 > Ut2, где Ut1, Ut2 пороговые напряжения первого и второго транзисторов соответственно.
Теперь рассмотрим короткоканальные транзисторы с большим напряжением перекрытия, в качестве затвора у которых используется p-n переход либо барьер Шоттки (см. М. Шур. Современные приборы на основе арсенида галлия М. Мир, 1991, стр. 306 311, 314 316) с каналом, однородно легированным по толщине, у которых область насыщения дрейфовой скорости электронов распространяется на всю длину канала.
В этом случае усилитель собирается на двух полевых транзисторах, рабочая область которых однородно легированные пленки на изолирующих или полуизолирующих подложках, а в качестве затвора используются p-n переходы либо барьеры Шоттки. Причем у одного из транзисторов толщина канала линейно меняется от нуля вдоль ширины затвора. Транзисторы имеют общий вход и два выхода, между которыми снимается выходное напряжение (см. фиг.2). В случае, когда толщина канала однородна, для тока транзистора имеем:
I1 Z1Vs1qNi1(a1 h1)
h1 (2(Uk1 + Ug)Es1/(q Ni1))1/2,
где I1 ток стока, Vs1 скорость насыщения основных носителей заряда, Z1 ширина канала, q элементарный заряд, а1 толщина канала, h1 толщина той части канала, которая полностью обеднена основными носителями заряда, Ni1 концентрация легирующей примеси, Uk1 встроенный потенциал p-n перехода либо барьера Шоттки, Ug внешнее напряжение между истоком и затвором, Es1 - диэлектрическая проницаемость полупроводника.
В случае, когда толщина канала линейно изменяется вдоль ширины затвора Z2 от 0 до а2 (см. фиг. 3, на которой приведен разрез рассматриваемого транзистора, содержащего однородно легированную полупроводниковую пленку 12, полуизоляционную подложку 13, затвор, образующий с пленкой барьер Шоттки, 14). Для тока стока транзистора при малых α имеем:
I2 = Vs2qNi2((a2Z2/2)-h2Z2+(h2/2)(h2/α))
(ток равен произведению плотности тока (Vs2 q Ni2) на площадь области нейтральности (площадь треугольника A, В1, C1), h2 BC ≈ A1C1)
Поскольку α = a2/Z2,, h2 (2(Uk2 + Ug) Es2/(q Ni2))1/2, то Uвых R2I2 - R1I1 линейно зависит от Ug, если
R2Z2Vs2(Ni2Es2)1/2 R1Z1Vs1(Ni1Es1)1/2 (9)
Uk1 Uk2,
где I2 ток стока, Z2 ширина канала, а2 толщина канала, h2 толщина той части канала, которая полностью обеднена основными носителями заряда, Ni2 концентрация легирующей примеси, Uk2 встроенный потенциал p-n перехода либо барьера Шоттки, Vs2 скорость насыщения основных носителей заряда, Es2 - диэлектрическая проницаемость пленки, R1, R2 сопротивления, включенные в цепи стоков первого и второго транзисторов (номиналы резисторов 5 и 6), Uвых - выходное напряжение усилителя. Коэффициент усиления по напряжению в этом случае дается соотношением:
K2 R2Vs2Z2Es2/a2 (10)
Сравнивая (10) и (3), при равенстве активной части канала транзистора, канал которого легирован неоднородно с увеличением степени легирования от затвора к подложке, с толщиной каналов рассматриваемых транзисторов:
a h(Uk) a1 ≈ a2,
при одинаковых нагрузках (R R2) и при коэффициенте нелинейности в передаточной характеристике неоднородно легированного транзистора ≈ 1% (см. (1) и (2)):
(a h(Uk))/a ≈ 0,01,
получим соотношение:
K2/K ≈ 100
Если транзисторы изготовлены из одного полупроводникового материала и одинаково легированы, то (9) упрощается:
R2Z2 R1Z1
Если а2 а1, то в диапазоне смещений Ug от нуля до отсечки канала усилитель имеет линейную передаточную характеристику.
Заметим, что требование равенства встроенных потенциалов для p-n переходов либо барьеров Шоттки у затворов транзисторов, образующих усилительный элемент как для короткоканальных, так и для длинноканальных транзисторов, не является обязательным. Поскольку встроенные потенциалы можно "выравнять" путем подачи на затворы транзисторов различных по величине постоянных смещений относительно их истоков. В этом случае исток каждого из транзисторов соединен с общей шиной источника питания через свой резистор автосмещения, параллельно которым подключены шунтирующие по переменному току эти резисторы конденсаторы. Кроме того, для практических целей часто используется аппроксимация для тока насыщения, хорошо описывающая многие реальные полевые транзисторы, в которую встроенный потенциал барьера не входит:
I Is(Ug Umax)2, (11)
где Umax напряжение отсечки канала, Is постоянная величина, Ug - напряжение между истоком и затвором.
Преимущество изобретения заключается в том, что:
1. Предлагаемые усилители имеют линейную передаточную характеристику и высокий коэффициент усиления, сравнимый с максимальным коэффициентом усиления, достижимым в однокаскадных усилителях на полевых транзисторах (без положительной обратной связи) при нелинейной передаточной характеристике, и могут работать в широкой полосе частот от нуля до СВЧ.
2. Усилитель может работать в далекой СВЧ-области, когда в качестве усилительного элемента используются короткоканальные GaAs транзисторы с затвором Шоттки.
3. Усилитель имеет очень простую конструкцию.
По схеме фиг. 2 был собран усилитель на транзисторах с управляющим p-n переходом КП 302 А, КП 302 Г, ток насыщения которых с хорошей точностью описывался в (11):
I I1 3,9(Ug 1,8)2 для КП 302 А
I I2 2,0(Ug 3,4)2 для КП 302 Г (см. фиг.4)
в цепь стока транзистора КП 302 А включен резистор с номиналом 200 Ом (R1 200 Ом), в цепь стока транзистора КП 302 Г включен резистор с номиналом 390 Ом (R2 390 Ом). На фиг.4 представлена зависимость выходного напряжения усилителя от напряжения между затворами и истоками транзисторов, которая линейна в диапазоне запирающих напряжений от нуля до двух вольт. Напряжение источника питания составляло 12,5 В.
Изобретение может быть использовано в электронной промышленности.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ТРАНЗИСТОР | 1995 |
|
RU2119696C1 |
| ТРАНЗИСТОР | 1995 |
|
RU2143157C1 |
| ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР | 1996 |
|
RU2139599C1 |
| ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР | 2003 |
|
RU2278448C2 |
| ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР | 2001 |
|
RU2279736C2 |
| ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР | 1995 |
|
RU2117360C1 |
| ВАРИКАП | 1994 |
|
RU2086045C1 |
| ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ | 1997 |
|
RU2168813C2 |
| ВАРАКТОР | 1994 |
|
RU2086044C1 |
| ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ | 1995 |
|
RU2108639C1 |
Использование: изобретение относится к области радиоэлектроники и электронной техники. Усилитель сформирован из двух однокаскадных усилителей на полевых транзисторах, каждый из которых содержит цепь нагрузки, цепь смещения, источник питания, общая шина которого заземлена и соединена через резистор и параллельно включенный ему конденсатор с истоком транзистора, вторая шина источника питания соединена через резистор со стоком полевого транзистора, между затвором транзистора и общей шиной источника питания включен резистор. Предлагаемый усилитель состоит из двух таких усилителей с общим источником питания, причем затворы транзисторов у первого и второго усилителей соединены друг с другом, одна шина источника входного сигнала подключена к затворам транзисторов через конденсатор, общий для обоих усилителей, вторая соединена с общей шиной источника питания. Выход усилителя выполнен между стоками транзисторов, в качестве усилительных элементов использованы два полевых транзистора с затворами в виде p-n переходов либо барьеров Шоттки с различными напряжениями отсечки каналов, либо два транзистора типа металл-окисел-полупроводник с различными пороговыми напряжениями. 2 з.п. ф-лы, 4 ил. 
| СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ: НАТРИЯ, КАЛИЯ НЕПОСРЕДСТВЕННО В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ | 2001 |
|
RU2198306C2 |
| Переносная печь для варки пищи и отопления в окопах, походных помещениях и т.п. | 1921 |
|
SU3A1 |
| Гринфильд Дж | |||
| Транзисторы и линейные И.С | |||
| - М.: Мир, 1992, стр | |||
| Приспособление для воспроизведения изображения на светочувствительной фильме при посредстве промежуточного клише в способе фотоэлектрической передачи изображений на расстояние | 1920 |
|
SU172A1 |
