заменить либо тиристоры, либо мощные биполярные транзисторы, в основе работы которых лежат совершенно другие принципы. В высокочастотных устройствах ситуация складывается несколько иначе. Хотя принцип работы мощных МДП-транзисторов действительно другой, но схемные изменения здесь намного проще, а получаемые преимущества стоят того, чтобы такие доработки провести.

Когда Тешнер, Зулиг и другие исследователи разрабатывали технологию высокочастотного полевого транзистора с управляющим р-п переходом, они стремились, главным образом, к увеличению произведения коэффициента усиления на ширину полосы пропускания, к созданию быстродействующего элемента интегральных схем и, как это выясняется сейчас, к удовлетворению желания создать твердотельную «вакуумную лампу». Теперь цели изменились, и развитие высокочастотных мощных ПТ идет в двух различных направлениях. Одним из них является поиск пути повышения мощности на частотах СВЧ диапазона, для разработки, например, источника мощности для СВЧ печей, выполненного на транзисторах и ИС. Другим направлением является разработка полевых транзисторов с повышенными стабильностью и надежностью, работающих в широкой полосе частот и обеспечивающих в заданном диапазоне минимальный шум, что необходимо для связных систем. Первое направление связано, в основном, с совершенствованием статического индукционного транзистора, а второе-с улучшением мощных УМДП- и ДМДП-транзисторов.

Мощные полевые транзисторы по сравнению с биполярными обладают еще рядом преимуществ помимо тех, которые были изучены в предыдущих главах.

10.2. Достоинства высокочастотного мощного полевого транзистора

Известны три существенные особенности, присущие как статическому индукционному транзистору, так и мощным МДП-транзисторам, которые стимулировали развитие технологии высокочастотных приборов. Сначала перечислим эти особенности не в порядке их приоритета, поскольку они все важны, а затем рассмотрим те значительные преимущества, которые можно получить благодаря каждой из этих особенностей.

Первая особенность состоит в том, что, в отличие от высокочастотных биполярных транзисторов, повышение частоты в разрабатываемых мощных полевых транзисторах не сопровождается уменьшением напряжения пробоя.

Вторая особенность, способствовавшая распространению мощных полевых транзисторов - их тепловые характеристики, благодаря которым допускается параллельное соединение неограниченного числа ПТ, не прибегая к использованию балластных резисторов, как в случае параллельного соединения биполярных транзисторов.

Наконец, третья особенность состоит в том, что мощные полевые транзисторы не имеют свойственных биполярным транзисторам диодов, образованных их переходами база - эмиттер и база - коллектор, являющихся источниками шума.

Необходимо подробно рассмотреть эти свойства, чтобы правильно оценить их значение.

В соответствии с исследованиями, проведенными в работе [3] (см. список литературы в конце книги), амплитудно-частотная характеристика биполярного транзистора определяется произведением напряжения пробоя на предельную скорость дрейфа неосновных носителей. Проще можно было бы сказать, что верхняя граничная частота определяется временем пролета электронов от эмиттера к коллектору:

/гр=1/2ят, (Ш.1).

где т - среднее время, за которое носитель заряда, движущийся со средней скоростью и, пройдет расстояние / от эмиттера к коллектору. Следует обратить внимание на сходство выражений (10.1) и (2.7).

В гл. 2 уже отмечалось, что максимальная рабочая частотд полевого транзистора зависит от длины канала, а значит, напряжения пробоя, тока стока, крутизны и сопротивления канала. OrV; раничения, накладываемые уравнением (10.1), можно частичнд устранить, используя полевые транзисторы с коротким каналом, такие как ДМДП- или УМДП-транзисторы. Было установлено, что на очень высоких частотах за пределами диапазона СВЧ необходимо принимать во внимание время пролета носителей через дрейфовую область в стоке (эпитаксиальный слой). Однако если .уменьшить толщину эпитаксиального слоя, то снизится и напряжен ние пробоя. ;

Все современные высокочастотные мощные биполярные транзисторы проектируются на основе многотранзисторной структуры: Однако в такой структуре вследствие наличия различных дефектов, обусловленных исходным материалом и технологическими операциями, а также вследствие увеличения тока биполярных транзисторов с повышением температуры через цепи отдельных эмиттеров многотранзисторной структуры будут протекать чрезмерные токи. Это может приводить к саморазогреву в этих цепях и к поочередному отказу всех транзисторов структуры. Чтобы исключить это, в эмиттерные цепи включают балластные резисторы. Тогда увеличение тока в цепи вызывает увеличение падения напряжения на резисторе и, следовательно, уменьшение напряжения на эмиттерно-базовом переходе, уменьшающее ток и стабилизирующее работу транзистора. Мощные полевые транзисторы также строятся на основе многотранзисторной (многоканальной) структуры. Однако, так как все полевые транзисторы теплоустойчивы, для них неважен разброс параметров отдельных транзисторов структуры.

Как было продемонстрировано в гл. 1 и в первую очередь на

рис. 1.5, транзистор можно представить в виде двух диодов с общей базой. Диод эмиттер - база смещен в прямом направлении,, поэтому эмиттер инжектирует неосновные носители в базу, тогда как диод база - коллектор смещен в обратном направлении, поэтому коллектор вытягивает неосновные носители из базы. Общеизвестно, что эти диоды являются источниками шума, и хотя в биполярном транзисторе существует несколько таких источников,, преобладает все же шум, обусловленный эмиттерным и коллекторным переходами. Расчет шумовых характеристик транзисторов дог статочно громоздок и сложен, поэтому при необходимости реко мендуется по этому вопросу обращаться к специальной литературе, указанной в конце главы. Ниже будут рассмотрены лишь несколько наиболее важных вопросов относительно шумов в биполярных и полевых транзисторах. Затем перейдем к анализу модели высокочастотного мощного ПТ.

Существует несколько источников и видов шума как в биполярных, так и в полевых транзисторах. Эти виды шумов можно классифицировать следующим образом.

1. Рекомбинационный шум, как следует из названия, обусловлен спонтанными флуктуациями в полупроводниковом материале.. Этот вид шума преобладает в МДП-транзисторах, является основным источником шума в диодах и обычно проявляется в виде дробового шума.

2. Диффузионный шум обусловлен, в частности, нестабильностью диффузионного процесса. При изменениях температуры он проявляется как тепловой шум. Этот шум может также вносить вклад в дробовой шум в диодах.

3. Модуляционный шум может быть основным источником шума в высокочастотных мощных транзисторах, поскольку он отчасти обусловлен флуктуациями тока, возникающими под действием механизма модуляции, как, например, при модуляции звукового сигнала.

На рис. 10.2 сравниваются высокочастотные шумы вблизи несущей в полосе А/ для БТ и МДП-транзистора с коротким каналом, рассчитанных на одинаковую мощность; второй из них имеет

значительно меньший уровень шума (более чем на 20 дБ). Основным в мощных МДП-

Несущая ТрЗНЗИСТОраХ ЯВЛЯСТСЯ рСКОМ-

бинационный шум, обусловленный главным образом действием быстрых поверхностных со- стояний на границе кремний -

Рис. 10.2. Высокочастотный шум вблизи несущей частоты высокочастотных МДП ПТ биполярного и МДП-транзисторов с коротким каналом, имеющих одинаковую мощность