Логические элементы на МОП-транзисторах

Большое распространение имеют ИМС на основе полевых транзисторов структуры МОП. Их принципиальные особенности позволяют создавать элементы и новые узлы цифровых устройств с малым потреблением энергии при высокой помехоустойчивости и нагрузочной способности. По сравнению с микросхемами на биполярных транзисторах они имеют меньшие размеры, что позволяет разместить на единице площади кристалла большее число элементов при более простой технологии.

Действие полевых транзисторов основано на управлении рабочим током при помощи электрического поля, создаваемого входным напряжением, поэтому для них характерно высокое входное сопротивление.

На рис. 4.1 условно показано поперечное сечение p-канального полевого транзистора VT₁, к которому подключен переключатель S₁, подано напряжение источника питания U_и.п и присоединен резистор нагрузки стока R_с. Транзистор имеет объем кремния с электронной проводимостью (n-подложка).

Методом диффузии в объеме созданы две области с повышенной концентрацией положительных носителей тока – дырок. Это области истока И и стока С с проводимостью p⁺. Знак + означает повышенную концентрацию носителей.

Рис. 4.1. Поперечное сечение p-канального полевого транзистора

Чем больше запас носителей, тем больше может быть плотность тока в канале и тем значительнее крутизна передаточной характеристики полевого транзистора (рис. 4.2). На поверхности n-подложки (левая вертикальная плоскость на рис. 4.1.) создают специальным окислением поверхности кремния высококачественный слой кварцевого стекла SiO₂. Толщина этого слоя около 1 мкм. Поверх слоя SiO₂ напыляется металл – Al. Это затвор полевого транзистора (З).

Если транзистор VT₁ в схему не включен, его исток не связан со стоком электрически, т.к. между областями p⁺ находится n-кремний подложки. Подложку П надо присоединить к самой положительной по потенциалу точке схемы (в данном случае это провод U_и.п). Исток также присоединяется к этому проводу. Из области истока положительные носители p теперь могут уходить в канал и через него к отрицательному полюсу питания – U_и.п.

В используемом в микросхемах полевом транзисторе канал создается методом электростатической индукции. Канал проводимости наведется, когда через переключатель S₁ затвор З присоединен к низкому входному уровню Н. На затворе относительно подложки скопится отрицательный заряд, а на поверхности полупроводника – положительный. Нетрудно заметить, что в этом случае области p⁺ замкнуты положительными носителями, поэтому через канал транзистора VT₁ и резистор нагрузки R_с течет ток стока I_с, а на выходе имеется высокий уровень напряжения U_вых = U¹_вых. Таким образом, получилась условная схема полевого элемента РТЛ. Входного тока затвора здесь нет, поэтому резистор ограничения тока затвора отсутствует.

Выходное напряжение U¹_вых = U_и.п R_с / (R_с + R_к) меньше, чем U_и.п на величину падения напряжения на резисторе R_к = 1¸10 кОм. В приведенном выражении R_к – сопротивление канала. Если R_с = 100 кОм, R_к = 10 кОм, U_и.п = 10 В, то U¹_вых = 9,1 В.

Чтобы канал проводимости исчез и цепь тока разомкнулась, следует движок переключателя S₁ перевести в верхнее положение «В». Тогда на «конденсаторе» затвор–подложка напряжения нет (U_з.и = 0) и положительные носители в канале не индуцируются. На выходе логического элемента U_вых = 0, точнее через резистор R_с выходной провод логического элемента соединен с землей.

Если переключатель S₁ заменить потенциометром R, то можно снять проходную характеристику p-канального логического элемента (рис. 4.2).

а б

Рис. 4.2. Схема для снятия передаточной характеристики (а)

и характеристика р-канального транзистора (б)

Постепенно уменьшая разность потенциалов U_з.и, можно заметить, что выходное напряжение U_вых также уменьшается и канал проводимости исчезнет при пороговом напряжении U_з.и = U^p_пор. Наклонная часть характеристики соответствует усилительному режиму полевого транзистора. Коэффициент усиления К_u = S · R_с, где S – крутизна характеристики. Она невелика и обратно пропорциональна величине сопротивления канала R_к. Следовательно, К_u = R_с / R_к. Если взять данные предыдущего примера, то К_u ≈ 10. Следует отметить, что изменение тока в канале при изменении U_зи обусловлено не изменением толщины канала, которая критически не изменяется, а изменением концентрации p-носителей в канале.

Аналогично строится схема полевого элемента РТЛ на n-канальном транзисторе (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Схема включения n-канального полевого транзистора (а)

и его передаточная характеристика (б)

Быстродействие n-канальных транзисторов в 5–8 раз выше быстродействия p-канальных транзисторов, поскольку подвижность электронов существенно больше подвижности дырок.

P- и n-канальные цифровые элементы сами по себе оказались непрактичными как базовые для массовых микросхем прежде всего из-за низкого быстродействия. Действительно, при R_с = 100 кОм и С_н = 30 пФ время отключения t^1,0 = 2,2 · R_c · С_н = 6,6 мкс (в 1000 раз больше, чем у ТТЛ), т. е. быстродействие находится в пределах 150 кГц. Поэтому в логических элементах на МОП-транзисторах исключены резисторы. Их роль выполняют полевые транзисторы с соответствующим каналом проводимости. Эти дополнительные транзисторы называют нагрузочными и включают их вместо резистора R_с.

Поиск по сайту: