Файл: Гольденберг Л.М. Импульсные и цифровые устройства учебник.pdf

Влияние подложки

Стоковый ток МДП транзистора зависит от напряжения иа под­ ложке ип\ изменение напряжения между подложкой и истоком приводит к модуляции проводимости канала; например, повыше­ ние величины напряжения иПна подложке МДП транзистора с ин­ дуцированным каналом p-типа (ип > 0) приводит к уменьшению стокового тока іс, так как уменьшается проводимость канала в ре­ зультате расширения изолирующего обедненного слоя в подложке. Следовательно, подложка может выполнять роль второго затвора; однако входное сопротивление МДП транзистора по этому за­ твору (оно порядка сопротивления обратно смещенного р-/г-пере- хода) во много раз меньше входного сопротивления по основному затвору, изолированному диэлектрическим слоем. Влияние напря­ жения ип подложки на статические характеристики транзистора может быть учтено изменением его порогового уровня [15]:

эффициент, зависящий, в частности, от уровня концентрации приме­ сей в подложке. Обычно в дискретных полевых транзисторах под­ ложка непосредственно соединена с истоком, т. е. иа = 0; в МДП транзисторах ИС это практически невозможно и поэтому даже при «заземлении» подложки ее потенциал ип относительно истока может отличаться от нуля, когда исток не «заземлен».

Быстродействие полевых транзисторов

Быстродействие полевых транзисторов определяется временем пролета tnp носителей заряда вдоль канала и длительностью пере­ заряда t0 паразитных емкостей — емкостей затвор — исток, за­ твор— сток, подложка — исток, подложка — сток (каждая из этих емкостей — порядка десятых долей пикофарады)'и, кроме того, мон­ тажных емкостей и емкостей выводов корпуса (порядка 1 пФ). Обычно tnp<^tc (^пр — порядка долей наносекунды, tc — порядка десятков наносекунд). Поэтому в практических расчетах полевой транзистор рассматривается как безынерционный прибор — гене­ ратор тока ic = Su (где и — входное управляющее напряжение транзистора), шунтированный эквивалентной емкостью С0 и выход­ ным дифференциальным сопротивлением транзистора Япых-

2.7.2. СОПОСТАВЛЕНИЕ СВОЙСТВ И ВОЗМОЖНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ ПОЛЕВЫХ И БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Важнейшим свойством полевых транзисторов является их боль­ шое входное сопротивление RBX по постоянному току: RBX =» ~ ІО7— ІО9Ом у полевых транзисторов с управляющим р-п-пере-

178

транзисторы, и прежде всего МДП транзисторы, в статических ре­ жимах практически не потребляют тока во входных цепях; тем са­ мым обеспечивается возможность построения ключевых элементов с большой нагрузочной способностью. Использование МДП тран­ зисторов с каналами различного типа проводимости позволяет строить переключательные схемы, потребляющие весьма мало энергии.

Отметим также возможность построения однородных структур на полевых транзисторах — они могут выполнять роль и активных и пассивных (нагрузочных) компонентов. Важно указать на зна­ чительно более высокую радиационную стойкость полевых транзи­ сторов, чем биполярных. Весьма существенно, что площадь, зани­ маемая МДП транзистором на поверхности подложки, меньше, чем площадь, занимаемая биполярным транзистором, и это позволяет повысить степень интеграции в ИС на МДП транзисторах.

Вместе с тем необходимо отметить и недостатки полевых тран­ зисторов по сравнению с биполярными; главным из них является относительно невысокое быстродействие; можно также отметить большую величину выходного сопротивления включенного поле­ вого транзистора.

2.7.3. КЛЮЧИ С ЛИНЕЙНЫМ РЕЗИСТОРОМ В НАГРУЗКЕ

Простейшая ключевая схема на МДП транзисторе с линейным резистором R в нагрузке приведена на рис. 2.58а. Входное напря­ жение принимает по абсолютной величине либо низкое значение

по абсолютной величине уровень напряжения UlBUX= — Ес.

При Ивх = Двх и I Двх| > | U„о? I транзистор открыт и на выходе

напряжения Ес обеспечивается расположение рабочей точки откры­

по характеристике выбранного транзистора. Например, пусть

Двх= —2В, UlBX= — 6В и пусть выбран МДП транзистор, у кото­ рого ѵ = 10м кА /В 2, t/пор = — 4В. Для согласования высоких

179

уровней выбираем Ес = 6В (при этом U\ых = — 6В = U’DX); для согласования низких уровнен (учитывая, что рабочая точка рас­ положена в пологой области) определяем согласно ф-ле (2.176)

ток ic = Ic = Y ([/L — и,Юр)2 = 20 мкА и учитывая мСМІШ= £/вХ, вы­

числяем R — (Ес— I£/°х I)//с = 200 кОм.

Длительность переключения ключа, как отмечалось выше, оп­ ределяется в основном временем заряда и разряда эквивалентной

паразитной емкости С0 (показанной пунктиром на рис. 2.58а). При запирании МДП транзистора емкость С0 заряжается током рези­ стора R и длительность фронта равна:

Обычно это величина порядка десятков или сотен наносекунд. При отпирании МДП транзистора емкость С0 разряжается

где Rmx — выходное сопротивление транзистора.

180

2.7.4. КЛЮЧИ С МДП ТРАНЗИСТОРОМ В НАГРУЗКЕ

Наряду с линейными резисторами роль нагрузки ключа может играть МДП транзистор; более того, в настоящее время во многих ИС отсутствуют другие компоненты, кроме МДП транзисторов.

На рис. 2.59 приведены два .варианта ключей, в которых МДП транзисторы Т\ используются как управляющие («активные») ком­ поненты, а МДП транзисторы Т2 — как нагрузочные компоненты; схема рис. 2.59 характерна для ключей на дискретных МДП тран­ зисторах (подложка соединена с истоком); схема рис. 2.59 харак­ терна для ключей на ИС (подложка заземлена).

е)

Рассмотрим вначале схему рис. 2.59а.

Напряжение смещения на затвор нагрузочного компонента выбирается либо равным напряжению источника питания ЕС(Е3 = = Е С), либо больше его (Е3 > Е С). В первом случае при Е3 = ЕС

напряжения на стоке относительно истока ис» и затворе и'зи (штри­ хами отмечены величины, относящиеся к нагрузочному компо­ ненту), равны (и'зн = м'„), вследствие чего нагрузочный МДП транс­

форматор работает в режиме, соответствующем пологой области своих характеристик; действительно, этот режим наступает уже

181

управляющего транзистора) должно быть низким по абсолютной

величине | ивых | = | и°вых \ < | U„ор | (например, U°Dh]X= — 1 В). Ос­ новная часть напряжения питания Ес при этом должна падать на нагрузочном компоненте, т. е. напряжение | u'n j между стоком и

истоком открытого (в пологой области) нагрузочного МДП тран­

сопротивление нагрузочного компонента Rmrp должно быть много

где R'0 — сопротивление МДП транзистора постоянному току; с уче­ том (2.179)

S' — крутизна. Из ф-лы (2.182), в частности, следует, что на­ грузочный МДП транзистор, работающий в пологой области, мож­ но представить эквивалентной схемой в виде последовательного со­

единения резистора с сопротивлением RQ и источника напряжения

Ес = Ес — Unop (рис. 2.59а).

Согласно ф-ле (2.183), чем меньше коэффициент ѵ', тем больше сопротивление и меньше крутизна транзистора. Так, например, при

£ , . = 10 В, и'Пор= — 4 В, ѵ '= 3 мкА/В2 получаем £ / =18мкА/В,

Ro ^ 112 кОм. Крутизна S управляющего транзистора обычно на порядок больше, а его сопротивление на порядок меньше соответ­ ствующих параметров нагрузочного МДП транзистора.

Когда Ывх = £7вх(| Ulx I < I Uпор |), управляющий МДП транзи­ стор заперт, нагрузочный транзистор по-прежнему открыт (в по­ логой области), причем эквивалентное напряжение питания его

равно: Е'с— Ес— | t/пор J и, следовательно, напряжение на выходе

не потребляет тока и можно пренебречь остаточным током закры­ того транзистора и токами утечки). На рис. 2.59Ö приведены вольтамперные характеристики управляющего и нагрузочного МДП транзисторов ключевой схемы, изображенной на рис. 2.59а.

Uвх = — 10В, С/°вых= - З В , что получается за счет соответствую­ щего выбора управляющего и нагрузочного транзисторов.

Основным недостатком рассмотренной схемы ключа (при £3 = = £ с) является низкое быстродействие. Действительно, при вы­

182