RU2069448C1 - Amplifier - Google Patents

Abstract

FIELD: radioelectronics; electronic engineering. SUBSTANCE: amplifier is made of two single-stage FET-based amplifiers. Each FET-based amplifier has load circuit, bias circuit, power source. Common bus of power source is connected to earth and to source of transistor through resistor and capacitor connected in parallel to the resistor. The second bus of power source is connected with drain of FET through the resistor. Resistor is connected between gate of transistor and common bus of power source. Described amplifier has two amplifiers described above with common power source. Gates of transistors of the first and the second amplifiers are integrated. One bus of input signal bus is connected to gates of transistors through a capacitor being common for both amplifiers. The second bus is connected with common bus of power source. Output of amplifier is made between drains of transistors. Two FETs are used as amplifying members, which have gates in Schottky-barriers or p-n junctions with different cut-off voltages of channels. For the other variant, two MOS transistors may be used with different threshold voltages. EFFECT: improved efficiency of operation. 3 cl, 4 dwg

Description

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. The invention relates to the field of electronics and electronic equipment, namely to amplifiers of electric oscillations at field-effect transistors and field-effect transistors with a p-n junction control or with a gate in the form of a Schottky barrier, on which one of the variants of the proposed amplifier is assembled. The invention can be used in the construction of amplifiers for various purposes: in cascades of operational amplifiers, as a linear signal amplifier with a frequency from low to microwave.

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.As is known (see Zi S. Physics of Semiconductor Devices vol. 1, M. Mir, 1984, p. 325,375), the transfer characteristics of field-effect transistor amplifiers are, as a rule, non-linear. The exception is amplifiers based on short-channel GaAs-based transistors with a high overlap voltage, which use a pn junction or a Schottky barrier as a gate (see M. Shur. Modern devices based on gallium arsenide. M. Mir, 1991, p. 306 311, 314 316) with a channel inhomogeneously doped in thickness, in which the saturation region of the electron drift velocity extends over the entire length of the channel. In this case we have:

dl / dh VsZNi (h) q

dU / dh qhNi (h) / Es
Gm dl / dU VsZEs / h (Ug + Uk) (1)
K gmr
Where I is the drain current, Vs is the electron saturation rate, Z is the channel width, q is the elementary charge, and is the channel thickness, h is the thickness of the part of the channel that is depleted in the main charge carriers, U is the gate voltage, Ni is the dopant concentration, Uk is the built-in potential of the pn junction either a Schottky barrier, Ug is the external voltage between the source and the gate, Es is the dielectric constant of the semiconductor, Gm is the slope, K is the voltage gain, R is the load resistance included in the drain circuit of the transistor.

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).If h (Ug + Uk) weakly depends on Ug, which is possible if the condition:
(ah (Uk)) / a << 1. (2)
The latter is realized when most of the channel is weakly doped, and a small part of the channel near the semi-insulating (insulating) substrate is heavily doped. In this case, the voltage gain is practically independent of Ug:
K RVsZEs / a, (3)
as confirmed by experimental results (see, for example, Williams RE Shaw DW 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). An obvious drawback of such designs is the very low value of the steepness and voltage gain compared to devices in which the channel is uniformly doped or inhomogeneous with increasing doping from the substrate to the gate (follows from (1), (2), (3)). The second drawback is associated with the deterioration of the frequency properties of such transistors, since for the gate to work efficiently it is necessary to exceed its length over the channel thickness, but in this case the thickness of the active part of the channel (highly doped region near the insulating substrate) is much smaller than the total channel width, which determines the length, and therefore, it also limits the boundary frequency of the device (see Zi S. Physics of Semiconductor Devices. T.1. M. Mir, 1984, p. 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.Linear transfer characteristics in amplifiers assembled on field-effect transistors are achieved, as a rule, due to a sharp decrease in the gain by introducing negative feedback. A typical single-stage amplifier circuit is shown in FIG. 1, which contains a power source, a decoupling capacitor of the amplifier and the DC input signal source C ₁ , a resistor connected between the common bus of the power source and the source of the transistor Rs, the voltage drop on which provides auto bias between the gate and source, the load resistance in the drain circuit is R, a high-resistance resistor Rc (to avoid shunting the input source at the input of the transistor), through which the bias is applied to the gate of the transistor, and field-effect transistor T1 (see, for example, Greenfield J. Transistors and linear ICs. M. Mir, 1992, p. 186 187). For voltage gain we have:
K Gm (Ug) R / (1 + Gm (Ug) Rs)
where gm is the transistor slope. If GmRs >> 1, then KR / Rs is independent of the voltage between the gate and the source Ug. Reducing the gain is an undesirable phenomenon, in addition, for microwave transistor amplifiers, where the power gain is already low (at frequencies of the order of 10 GHz and higher it is several units per stage with a specific output power of the order of one watt per mm of gate , see, for example, Shur M. Modern devices based on gallium arsenide. M. Mir, 1991, p. 383 403), this method of linearizing the transfer characteristic is not suitable in principle.

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). Known single-stage amplifier, selected as a prototype, different from the above in that parallel to the resistor Rs included shunting it by alternating current capacitor. The voltage gain of such an amplifier is Gm (Ug) R (see, for example, Greenfield J. Transistors and Linear ICs. M. Mir, 1992, p. 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. The objective of the invention is to provide a simple amplifier with a linear transfer characteristic and high gain and to design short-channel field effect transistors with a p-n junction or with a gate in the form of a Schottky barrier for this amplifier.

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. The task is ensured by the fact that the amplifier is formed of two single-stage field-effect transistor amplifiers, each of the amplifiers containing a load circuit, a bias circuit, a power source, the common bus of which is grounded and connected through a resistor and a capacitor connected in parallel with the source of the transistor, and a second source bus The power supply is connected through the resistor to the drain of the field-effect transistor, a resistor is connected between the gate of the transistor and the common bus of the power source. The proposed amplifier is formed of two such amplifiers with a common power source, with the gates of the transistors at the first and second amplifiers connected to each other, one bus of the input signal source connected to the gates of the transistors through a capacitor common to both amplifiers, the second connected to a common bus of the power source. The amplifier output is made between the drains of the transistors, two field-effect transistors with gates in the form of p-n junctions or Schottky barriers with different channel cut-off voltages, or two MOS transistors (metal-oxide-semiconductor transistors) with different threshold voltages are used as amplifying elements. In addition, the sources of both transistors can be connected to each other, to which a common power supply bus is connected through a resistor and a capacitor connected in parallel to it.

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. In addition, the sources of both transistors can be directly connected to a common bus of the power source, between which a fixed bias source is connected in series with the gate in series with the resistor. In addition, the amplifier can be assembled on two short-channel field effect transistors, the working area of which is uniformly doped semiconductor films located on insulating (semi-insulating) substrates, the gates of the transistors are made in the form of pn junctions or Schottky barriers, the channel thickness is uniform for the first transistor, and the thickness for the second channel from zero varies linearly along the width of the shutter.

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. That is, the essence of the invention lies in the fact that, since the transfer characteristics of field-effect transistor amplifiers have linear and non-linear terms, two single-stage amplifiers are made, the output signal being removed between the transistor drains, and the parameters of the transistors and resistance included in the drain and source circuits, are selected so that the nonlinear terms in the transfer characteristics of the first and second amplifiers cancel each other out.

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. In FIG. 1 shows a diagram of an amplifier on a field-effect transistor with auto-bias resistance (an analogue of the proposed amplifier). Figure 2 shows a diagram of an amplifier assembled on two field effect transistors with a linear transfer characteristic and a high gain. Figure 3 shows a section of a field effect transistor used in a linear amplifier. Figure 4 shows the dependences for the saturation current of transistors with a control pn junction KP 302 A, KP 302 G and the dependence of the output voltage of the amplifier assembled on these transistors according to the scheme of figure 2, on the voltage between the gate and the source.

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. The amplifier contains (see figure 2) a power source with a common bus 1 and a second bus 2, a decoupling capacitor of the amplifier and the DC input signal source 3, a resistor connected between the common bus of the power source 1 and the sources of transistors 4, the voltage drop on which It provides auto-bias between the gates and the sources, resistors connected between the bus of the power source 2 and the drains of transistors 5 and 6, a high-resistance resistor 7 (to avoid shunting the input source at the amplifier input), through which the bias is applied and the gates of transistors, a capacitor, a shunt resistor 4 for alternating current 8, field-effect transistors 9 and 10, moreover, one bus of the input signal source is connected to the common bus of the power source 1, and the other through the capacitor 3 to the gates of the transistors. The amplifier output is made between the drains of the transistors. The circuit with a fixed bias of the gates with respect to the sources differs from that given in that the sources of both transistors are connected to a common power bus, and a fixed bias source is connected in series with a resistor 7 between the common bus of the power source 1 and the gates of the transistors. The amplifier can be assembled on two short-channel field-effect transistors (see Fig. 3, in which one of the transistors is cut), the working area of which is uniformly doped semiconductor films 12 located on insulating (semi-insulating) substrates 13, the gates of the transistors 14 are made in the form of pn transitions or Schottky barriers, the thickness of the channel being uniform for the first transistor and the channel thickness for the second being linearly changing along the gate width from zero.

Усилитель работает следующим образом. The amplifier operates as follows.

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 (Up^3/2 3(Ug + Uk)Up^1/2 + 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(Up1^1/2 Up2^1/2)(Ug + Uk) + Up2^3/2 - Up1^3/2).To explain the operation of the amplifier, we turn to the Shockley model, which well describes long-channel uniformly doped transistors using a pn junction or a Schottky barrier as a gate (see Zee S. Semiconductor Device Physics Vol. 1, M. Mir, 1984, p. 330 332). For the saturation current, we have:
I Ip [1-3 (Ug + Uk) / Up + 2 ((Ug + Uk) / Up) ^3/2 ] (4)
Up qNia ² / (2Es)
Ip ZM (qNi) ² (a) ³ / (6EsL)
where Up is the voltage of the overlap (cutoff channel); Uk built-in potential of pn junction or Schottky barriers; Ug external voltage between source and gate; I saturation current; Z, L, a width, length, thickness of the channel, respectively; Es channel permittivity; Ni dopant concentration; M mobility of the main charge carriers in the channel of the transistor; q elementary charge. Expression (4) can be rewritten for the voltage drop U on a resistor with a value of R included in the drain circuit, which is caused by the saturation current I in the form, expressing a through Up:
C1 RZM / (3L) (2EsqNi) ^1/2 (5)
U C1 (Up ^3/2 3 (Ug + Uk) Up ^1/2 + 2 (Ug + Uk) ^3/2 ) (6)
If we take two transistors with different cutoff voltages of the channels in which the drains are connected through loads to the power source, then the potential difference between the drains of the transistors in saturation mode for both devices with the same C1 and Uk and the same voltage between the source and the gate for both transistors linearly dependent on Ug:
U2 U1 C1 (3 (Up1 ^1/2 Up2 ^1/2 ) (Ug + Uk) + Up2 ^3/2 - Up1 ^3/2 ).

Здесь Up1, Up2 напряжения перекрытия для первого и второго транзисторов соответственно; U1, U2 падение напряжения на сопротивлении нагрузки для первого и второго транзисторов соответственно. Here, Up1, Up2, the voltage of the overlap for the first and second transistors, respectively; U1, U2 voltage drop across the load resistance for the first and second transistors, respectively.

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(Up1^1/2 Up2^1/2) (7) Если Up1 > 2 Up2, то К сравним с максимальным коэффициентом усиления для усилителя с нелинейной передаточной характеристикой, даваемой моделью Шокли.That is, the idea is that, since the transfer characteristics of the field-effect transistor amplifiers have linear and nonlinear terms, two amplifiers are made in the transfer characteristics of which the linear terms are different and the nonlinear ones are the same. The difference between two such transfer characteristics is linear and represents the transfer characteristic of the proposed amplifier. The schematic implementation of this idea is straightforward. It is only necessary to assemble two independent amplifiers, on one transistor each, equally connected (either with a common source or with a common gate), the inputs of which are supplied with the same signal, the output signal is removed between the outputs of both amplifiers (see figure 2) . The circuit with a fixed bias of the gates with respect to the sources differs from that given in that the sources of both transistors are grounded and a fixed bias source is connected in series with the resistor 7 between the common bus of the power source 1 and the gates of the transistors. The range of locking voltages between the source and the gate, in which the transfer characteristic of the device is linear, is given by the ratio:
0 <Ug <Up2 Uk, Up2 <Up1
For voltage gain we have:
K d (U2 U1) / dUg C1 (3 (Up1 ^1/2 Up2 ^1/2 ) (7) If Up1> 2 Up2, then K is comparable to the maximum gain for an amplifier with a non-linear transfer characteristic given by the Shockley model.

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.Prior to this, we were talking about field-effect transistors with a uniformly doped channel. However, this requirement is not mandatory, since it is known that the transfer characteristics for devices with a low overlap voltage are adequately calculated using an equivalent uniform profile with an effective concentration of donors ND and channel thickness A (see M. Shur. Modern devices based on gallium arsenide. M . World, 1991, p. 321), which are determined by the ratio:
A 2Es Up / Q, ND Q / (qA), where

That is, in expression (5), it is necessary to replace Ni with ND. In this case, the amplifier is assembled on two field-effect transistors, the working area of which is heterogeneously doped semiconductor films on semi-insulating (high-resistance) substrates, and pn junctions or Schottky barriers with the same built-in potentials are used as a gate. The overlap voltage Up for both transistors is different, and the value of RZM (EsND) ^1/2 / L for both transistors is the same.

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).The proposed idea is applicable to long-channel MOS transistors (see, for example, R. Muller, T. Keymins, Elements of integrated circuits. M. Mir, 1989, p. 503-614), for which the saturation current is given by the expression:
I≈KMCxZ (Ug Ut) ² / (2L) (8)
where Cx EsLZ / h is the capacitance of the dielectric layer of SiO ₂ under the gate with a width Z and length L, M is the electron mobility if the channel is n-type or holes when the channel is p-type, h is the thickness of the dielectric layer of SiO ₂ under the gate of the transistor, Ug is the external bias between the gate and the source, Ut is the threshold voltage, Es is the dielectric constant of silicon, K ≈ 1, depending on the level of channel doping. Or:
I KEsMZ ² (Ug ² 2UgUt + Ut ² ) / (2h)
Obviously, in this case, the amplifier is assembled on two MOS transistors with different threshold voltages, with R1K1Z1 ² M1 / h1 R2K2Z2 ² M2 / h2, where Z1, Z2 are the gate widths; M1, M2 of the electron mobility, if the channel is n-type, or holes when the channel is p-type; h1, h2 the thickness of the dielectric layers under the gates for the first and second transistors, respectively; R1, R2 are the values of the resistors included in the drain circuit of the first and second transistors, respectively; K1, K2 values ≈ 1, depending on the level of channel doping. If the transistor channels are doped the same way, then the connection between the structural parameters is simplified: R1Z1 ² / h1 R2Z2 ² / h2. The resulting relation is valid for transistors whose channel doping levels are of the same order of magnitude, due to the weak dependence of M and K on the concentration of the dopant (see Zee S. Physics of Semiconductor Devices. T.1, p. 34, v. 2, p. 15 17. M. Mir, 1984).

Причем Ug > Ut1 > Ut2, где Ut1, Ut2 пороговые напряжения первого и второго транзисторов соответственно. Moreover, Ug> Ut1> Ut2, where Ut1, Ut2 are the threshold voltages of the first and second transistors, respectively.

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. Now we consider short-channel transistors with a high voltage of overlap, the gate using the pn junction or the Schottky barrier (see M. Shur. Modern devices based on gallium arsenide M. Mir, 1991, p. 306 311, 314 316) with a channel, uniformly alloyed in thickness, in which the saturation region of the electron drift velocity extends over the entire channel length.

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.In this case, the amplifier is assembled on two field-effect transistors, the working area of which is uniformly doped films on insulating or semi-insulating substrates, and pn junctions or Schottky barriers are used as a gate. Moreover, in one of the transistors, the channel thickness varies linearly from zero along the gate width. Transistors have a common input and two outputs, between which the output voltage is removed (see figure 2). In the case when the channel thickness is uniform, for the transistor current we have:
I1 Z1Vs1qNi1 (a1 h1)
h1 (2 (Uk1 + Ug) Es1 / (q Ni1)) ^1/2 ,
where I1 is the drain current, Vs1 is the saturation rate of the main charge carriers, Z1 is the channel width, q is the elementary charge, a1 is the channel thickness, h1 is the thickness of the part of the channel that is completely depleted in the main charge carriers, Ni1 is the dopant concentration, Uk1 is the built-in potential of the pn junction or Schottky barrier , Ug is the external voltage between the source and the gate, Es1 is the dielectric constant of the semiconductor.

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.In the case where the channel thickness varies linearly along the gate width Z2 from 0 to a2 (see Fig. 3, which shows a section of the considered transistor containing a uniformly doped semiconductor film 12, a semi-insulating substrate 13, a gate forming a Schottky barrier with the film, 14 ) For the drain current of the transistor for small α, we have:
I2 = Vs2qNi2 ((a2Z2 / 2) -h2Z2 + (h2 / 2) (h2 / α))
(the current is equal to the product of the current density (Vs2 q Ni2) and the area of the neutral region (the area of the triangle A, B ₁ , C ₁ ), h2 BC ≈ A ₁ C ₁ )
Since α = a2 / Z2 ,, h2 (2 (Uk2 + Ug) Es2 / (q Ni2)) ^1/2 , then Uout R2I2 - R1I1 linearly depends on Ug if
R2Z2Vs2 (Ni2Es2) ^1/2 R1Z1Vs1 (Ni1Es1) ^1/2 (9)
Uk1 Uk2,
where I2 is the drain current, Z2 is the channel width, h2 is the thickness of the part of the channel that is completely depleted in the main charge carriers, Ni2 is the concentration of the dopant, Uk2 is the built-in potential of the pn junction or Schottky barrier, Vs2 is the saturation rate of the main charge carriers, Es2 is the dielectric film permeability, resistance R1, R2 included in the drain circuit of the first and second transistors (resistors 5 and 6), Uout is the output voltage of the amplifier. The voltage gain in this case is given by the ratio:
K2 R2Vs2Z2Es2 / a2 (10)
Comparing (10) and (3), if the active part of the channel of the transistor is equal, the channel of which is doped nonuniformly with an increase in the degree of doping from the gate to the substrate, with the channel thickness of the transistors under consideration:
ah (Uk) a1 ≈ a2,
at the same loads (R R2) and with a nonlinearity coefficient in the transfer characteristic of a nonuniformly doped transistor ≈ 1% (see (1) and (2)):
(ah (Uk)) / a ≈ 0.01,
we get the ratio:
K2 / K ≈ 100
If transistors are made of one semiconductor material and are equally doped, then (9) is simplified:
R2Z2 R1Z1
If a2 a1, then in the range of displacements Ug from zero to the cutoff of the channel, the amplifier has a linear transfer characteristic.

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.Note that the requirement of equality of the built-in potentials for pn junctions or Schottky barriers for the gates of transistors forming an amplifying element for both short-channel and long-channel transistors is not mandatory. Since the built-in potentials can be "aligned" by applying to the gates of the transistors different in magnitude constant displacements relative to their sources. In this case, the source of each of the transistors is connected to the common bus of the power source through its own bias resistor, in parallel with which are connected capacitors shunting along the alternating current. In addition, for practical purposes, an approximation for the saturation current is often used, which describes well many real field-effect transistors, which does not include the built-in potential of the barrier:
I Is (Ug Umax) ² , (11)
where Umax is the channel cut-off voltage, Is is a constant value, Ug is the voltage between the source and the gate.

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.An advantage of the invention is that:
1. The proposed amplifiers have a linear transfer characteristic and high gain, comparable to the maximum gain achievable in single-stage amplifiers using field-effect transistors (without positive feedback) with a non-linear transfer characteristic, and can operate in a wide frequency band from zero to microwave.

2. Усилитель может работать в далекой СВЧ-области, когда в качестве усилительного элемента используются короткоканальные GaAs транзисторы с затвором Шоттки. 2. The amplifier can operate in the far microwave region when short-channel GaAs transistors with a Schottky gate are used as an amplifying element.

3. Усилитель имеет очень простую конструкцию. 3. The amplifier has a very simple design.

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.According to the circuit of FIG. 2, an amplifier based on transistors with a control pn junction KP 302 A, KP 302 G was assembled, the saturation current of which was described with good accuracy in (11):
I I1 3.9 (Ug 1.8) ² for gearbox 302 A
I I2 2.0 (Ug 3.4) ² for KP 302 G (see figure 4)
a resistor with a nominal value of 200 Ohms (R1 200 Ohms) is included in the drain circuit of a transistor KP 302 A; a resistor with a nominal value of 390 Ohms (R2 390 Ohms) is included in the drain circuit of a transistor KP 302 G. Figure 4 shows the dependence of the output voltage of the amplifier on the voltage between the gates and the sources of the transistors, which is linear in the range of blocking voltages from zero to two volts. The power supply voltage was 12.5 V.

Изобретение может быть использовано в электронной промышленности. The invention can be used in the electronics industry.

Claims (3)

1. Усилитель, содержащий первую усилительную цепь из полевого транзистора, исток которого соединен с параллельно соединенными первым резистором и конденсатором, а сток соединен с вторым резистором, при этом свободный вывод параллельно соединенных первого резистора и конденсатора соединен с общим выводом источника питания, другой вывод которого соединен со свободным выводом второго резистора, а затвор полевого транзистора через конденсатор соединен с выводом для подключения входного сигнала, отличающийся тем, что введена вторая усилительная цепь, аналогичная первой и подключенная аналогичным путем к выводам общего источника питания, причем затворы полевых транзисторов у первой и второй усилительных цепей соединены, один вывод для подключения входного сигнала подключен к затворам транзисторов через конденсатор, общий для обеих усилительных цепей, а второй соединен с общим выводом источника питания, выход усилителя выполнен между стоками транзисторов, в качестве полевых транзисторов использованы транзисторы с затворами в виде р-n переходов или барьеров Шоттки с различными напряжениями отсечки каналов, или два транзистора типа металл-окисел-полупроводник с различными пороговыми напряжениями. 1. An amplifier containing a first amplifier circuit from a field effect transistor, the source of which is connected to a first resistor and a capacitor connected in parallel, and the drain is connected to a second resistor, while the free output of the first resistor and capacitor connected in parallel is connected to a common output of the power source, the other output of which connected to the free terminal of the second resistor, and the gate of the field-effect transistor through a capacitor is connected to the terminal for connecting the input signal, characterized in that the second amplifier is introduced an electrical circuit similar to the first one and connected in a similar way to the terminals of a common power source, and the field-effect transistor gates of the first and second amplifier circuits are connected, one output signal connection is connected to the transistor gates through a capacitor common to both amplifier circuits, and the second is connected to a common output of the power source, the amplifier output is made between the drains of the transistors, transistors with gates in the form of pn junctions or Schottky barriers with diff different channel cutoff voltages, or two metal-oxide-semiconductor transistors with different threshold voltages. 2. Усилитель по п. 1, отличающийся тем, что истоки обоих транзисторов соединены друг с другом. 2. The amplifier according to claim 1, characterized in that the sources of both transistors are connected to each other. 3. Усилитель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что полевые транзисторы выполнены в виде короткоканальных полевых транзисторов, рабочая область которых выполнена в виде однородно легированных полупроводниковых пленок, расположенных на изолирующих или полуизолирующих подложках, затворы транзисторов выполнены в виде р-n переходов или барьеров Шоттки, причем у первого полевого транзистора толщина канала однородна, у второго толщина канала от 0 линейно меняется вдоль ширины затвора. 3. The amplifier according to claim 1 or 2, characterized in that the field-effect transistors are made in the form of short-channel field-effect transistors, the working area of which is made in the form of uniformly doped semiconductor films located on insulating or semi-insulating substrates, the transistor gates are made in the form of pn junctions or Schottky barriers, moreover, the channel thickness is uniform in the first field-effect transistor; in the second, the channel thickness from 0 varies linearly along the gate width.

Images