– низкий уровень собственных шумов.

Однако из-за высокого выходного сопротивления они требуют наличия в своем составе согласующего элемента, снижающего выходное сопротивление и повышающего мощность выходного сигнала до уровня, который обеспечивал бы нормальную работу последующего усилителя низкой частоты. Такими согласующими элементами обычно являются интегральные микросхемы усилителей, построенные по схеме ИП и монтируемые непосредственно в корпусе ЭМ [3]

В прошлом широкое применение имели усилители-повторители КБ1402УЕ и КБ1403УЕ, выпускаемые предприятиями в Таллине и Ташкенте соответственно. Эти интегральные микросхемы использовались в микрофонах типа М4 с емкостью мембраны порядка 10 пФ, при этом коэффициент передачи по напряжению, который они обеспечивали, составлял, соответственно, 0,4÷0,5 и 0,34÷0,4. Микросхема КБ1402УЕ имеет отрицательную полярность питания, что не совсем удобно при ее подсоединении к усилителю низкой частоты (УНЧ), которые, как правило, имеют положительное питание.

Миниатюризация ЭМ, как правило, сопровождается уменьшением емкости микрофонной мембраны. Это приводит к уменьшению вырабатываемого ею сигнала и к ухудшению соотношения «сигнал-шум» на выходе согласующего усилителя. Ухудшение соотношения «сигнал-шум» ставит проблему повышения качества согласующих микросхем, что означает увеличение коэффициента передачи по напряжению и уменьшение собственного шума микросхемы при малой емкости источника сигнала.

Значение коэффициента передачи согласующей микросхемы, работающей в миниатюрном микрофоне, определяется в первую очередь значением ее входной емкости, которая в паре с емкостью мембраны микрофона образует емкостной делитель, шунтирующий входную цепь микросхемы по переменному сигналу. Поэтому разработка согласующей микросхемы для миниатюрных ЭМ, в первую очередь связана с решением задач уменьшения ее эффективной входной емкости и снижения входного тока утечки, который определяет основную составляющую собственного шума микросхемы.

В микросхеме ИП типа КБ1402УЕ входная емкость складывается из емкости p-n-перехода затвора ПТУП и паразитных емкостей контактных площадок стока, истока и общей относительно затвора.

Величина входной емкости снижена за счет минимизации размеров затвора транзистора до 1 – 1,2 мкм и контактных площадок. При этом достаточно высокие усилительные характеристики ПТУП обеспечены за счет оптимизации его топологии – соотношения геометрических размеров и концентрационных профилей в активных слоях. Кроме того, микросхема, как и последующий УНЧ, рассчитана на положительную полярность питания, то есть, применен n-канальный вариант ПТУП. Все это дало возможность, не ухудшая шумовые характеристики микросхемы по сравнению с КБ1402УЕ, достичь уровня КУ 0,60÷0,72 при емкости источника сигнала 10 пФ.

Дальнейшая минимизация размеров элементов микросхемы в таком топологическом варианте уже практически невозможна, как с точки зрения технологии присоединения выводов при сборке микросхемы, так и из-за неизбежного ухудшения параметров ПТУП и микросхемы в целом [3].

1.2 Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом. Физические принципы функционирования

???? ? ????????????????? ??????, ??????? ?????? ???????? ??????????? ? ?????????? ???? ????????????? ?????. ????????? ???????? ??????????? ? n-??????? ???????? ?? ??????? 2 [4].

V_DS – напряжение перехода затвор-сток, V_GS – напряжение перехода затвор-исток, I_S – ток истока, I_D – ток стока, I_G – ток затвора.

Рисунок 2 – Базовая структура ПТУП с n-каналом

Она состоит из проводящего канала, который имеет два омических контакта, один из которых является истоком, а другой стоком, между которыми приложено напряжение сток-исток. Третий электрод, затвор, формирует область канала p-n-перехода. Таким образом, ПТУП – по существу резистор, управляемый напряжением, и его сопротивление изменяется с изменением ширины обедненной области, простирающейся внутрь канала.

Так как процессы проводимости преимущественно осуществляется одним типом носителей заряда, в отличие от биполярного транзистора (БТ), в котором используются оба типа носителей, ПТУП также называется униполярным транзистором.

Обозначения и полярности напряжений переходов для n-канального и p-канального ПТУП показаны на рисунке 3.

?) ?)

а) ПТУП с n-каналом. б) ПТУП с p-каналом.

Рисунок 3 – Обозначения ПТУП и полярности напряжений переходов

Направление стрелки затвора ПТУП указывает направление протекания тока затвора, если переход затвора смещен в прямом направлении.

Таким образом, для n-канального ПТУП напряжение затвор-исток должно быть нулевым или отрицательным, а напряжение сток-исток положительным. P-канальный ПТУП требует противоположных полярностей напряжения.

Чтобы проанализировать физические принципы функционирования ПТУП, для полевого транзистора с n-каналом рассмотрим сначала очень малые напряжения сток-исток V_ds (рисунок 2). В этом режиме смещение затвор-канал, а, следовательно, и ширина обедненной области у затвора одинаковы по всему каналу. Вид канала в разрезе показан на рисунке 4.

Рисунок 4 – Область канала ПТУП с обедненными областями

Рассмотрим одномерную структуру с длиной затвора L между областями истока и стока. Ширина Z перпендикулярна к плоскости бумаги (обычно Z > L), ток стока протекает вдоль направления y .

Также рассмотрим резкий асимметричный переход затвора с концентрацией акцепторов N_a в p-области много большей, чем концентрация доноров N_d в канале, N_a >> N_d . Поэтому, обедненная область простирается, прежде всего, в n-канал. Расстояние между затвором p-типа и подложкой d, толщина обедненной области затвора в n-канале W, и толщина нейтральной части канала X_w . Для того чтобы сосредоточиться на роли затвора, предположим, что обедненная область перехода подложки простирается, прежде всего, в подложку, так что

X_w ~ d – W,(1)

что обычно выполняется на практике.

Сопротивление области канала может быть записано как

(2)

где ρ – удельное сопротивление канала.

Следовательно, ток стока равен

(3)

Зависимость W от напряжения затвора определяется соотношением

,(4)

где φ₀ – встроенный потенциал.

Подставим (4) в (1), а (1) в (3). Ток теперь может быть записан как функция напряжений на затворе и на стоке.

.(5)

Коэффициенты перед скобками представляют выходную проводимость G_O n-области, таким образом, уравнение (5) перепишется как