Характеристики полевых транзисторов

Большое разнообразие типов ПТ, возникающее как следствие возможных комбинаций поляр­ности (p- и n-канальные), вида изоляции затвора (ПТ с полупроводниковым пере­ходом или МОП-транзисторы с изолято­ром в виде окисла), а также типа легиро­вания канала (ПТ обогащенного или обедненного типа) обуславливает наличие нескольких типов этих приборов. Из восьми имеющихся в результате этих комбинаций возмож­ностей шесть могли бы быть реализова­ны, а пять-реализованы на практике. Основной интерес представляют четыре случая из этих пяти.

Чтобы понять, как работает ПТ, начнем рассмотрение только с одного типа, точно так, как мы сделали с биполярным транзистором.

Входные характеристики ПТ. Рассмот­рим вначале n-канальный МОП-транзис­тор обогащенного типа, биполярным ана­логом которого является n-р-n-траязистор (рис. 3.1.1). В нормальном режиме сток (или соответствующий ему коллектор) имеет положительный потенциал относительно истока (эмиттера). Ток от стока к истоку отсутствует, пока на затвор (базу) не будет подано положительное по отношению к истоку напряжение. В последнем случае затвор становится «прямосмещенным», и возникает ток стока, который весь проходит к истоку.

Рис. 3.1. 1 р-и-n канальный МОП-транзистор; б-бипо­лярный n-р-n-транзистор.

рис. 3.1.2 ВАХ полевых транзисторов

Подобно n-p-n-транзистору, ПТ имеет большое приращение полного сопротивления стока, в результате чего при напряжении Uс свыше 1-2 В ток стока почти не меняется. Для этой области характеристик ПТ неудачно выбрано название «область насыщения», тогда как у билоярных транзисторов соответствующая область называется «активной». Подобно биполярному транзистору, чем больше смещение затвора ПТ относительно истока, тем больше ток стока. В любом случае, поведение ПТ ближе к идеальным устройствам - преобразователям проводимости (постоянный ток стока при неизменном напряжении затвор-исток), чем биполярных транзисторов.

До сих пор ПТ выглядел подобно n-p-n-транзистору. Посмотрим, однако, на ПТ поближе. Во-первых, свыше нормального диапазона ток насыщения стока растет довольно умеренно при уве­личении напряжения затвора (U_ЗИ). Фак­тически он пропорционален (U_3И- U_П)², где U_П-«пороговое напряжение затво­ра», при котором начинает идти ток стока (для ПТ на рис. 3.1.2 UП ≤ 1,63 В). Во-вторых, постоянный ток затвора равен нулю, так что мы не должны смотреть на ПТ как на устройство, усиливающее ток (коэффици­ент усиления тока был бы равен бесконеч­ности). Вместо этого будем рассматри­вать ПТ как характеризуемое крутизной устройство - преобразователь проводимо­сти с программированием тока стока на­пряжением затвор-исток. Напомним, что крутизна g_m есть просто отношение i_с/u_си. В-третьих, у МОП-транзистора затвор действительно изоли­рован от канала сток-исток; поэтому, в отличие от биполярных транзисторов, можно подавать на него положи­тельное (или отрицательное) напряжение до 10 В и более, не заботясь о диодной проводимости. И наконец, ПТ отличается от биполярного транзистора в так называемой линейной области графика, где его поведение довольно точно соответствует поведению резистора, даже при отрица­тельном Uси, это оказывается очень по­лезным свойством, поскольку, как вы уже могли догадаться, эквивалентное сопро­тивление сток-исток программируется напряжением затвор-исток.

Рис. 3.1.3 Ключ на МОП-транзисторе

Два примера использования ПТ. Рассмотрим две простые переключающие схемы. На рис. 3.1.3 показан МОП-транзисторный эк­вивалент рассмотрен­ного нами ранее насыщенного транзисторного переключателя. Схема на ПТ проще, поскольку здесь мы совершенно не должны заботиться о неизбежно возник­шем ранее компромиссе между необхо­димостью задать соответствующий необ­ходимый для переключения ток базы (рассматривая наихудший случай-мини­мальное значение h21э в сочетании с сопротивлением холодной нити лампы) и исключить избыточное расходование энергии. Вместо этого мы всего лишь подаем на затвор, имеющий высокое пол­ное входное напряжение, полное напря­жение питания постоянного тока. По­скольку включенный ПТ ведет себя как резистор с малым по сравнению с нагруз­кой сопротивлением, потенциал стока станет при этом близок к потенциалу земли; типичный мощный МОП-транзис тор имеет Rвкл < 0,2 Ом, что превосходно для данной задачи.

Рис 3.1.4. Аналоговый переключатель

На рис. 3.1.4. показана схема «аналогово­го переключателя», которую вообще не­возможно выполнить на биполярных транзисторах. Идея этой схемы состоит в том, чтобы переключать проводимость ПТ из разомкнутого (затвор смещен в «обратном» направлении) в замкнутое состояние («прямое» смещение затвора), тем самым блокируя или пропуская ана­логовый сигнал (позже мы увидим мно­жество причин выполнять такого рода вещи). В данном случае мы должны лишь обеспечить, чтобы на затвор подавалось более отрицательное переключающее напряжение, чем любой размах входного переключаемого сигнала (ключ разомк­нут) или на несколько вольт более поло­жительное, чем любой входной сигнал (ключ замкнут). Биполярные транзисторы для такой схемы непригодны, поскольку база проводит ток и образует с коллек­тором и эмиттером диоды, что приводит к опасному эффекту «защелкивания». В сравнении с этим МОП-транзистор вос­хитительно прост, нуждаясь лишь в пода­че на затвор (являющийся практически разомкнутой цепью) напряжения, равного размаху входного аналогового сигнала. Будьте, однако, внимательны: наше рас­смотрение этой схемы было до некоторой степени упрощением - например, мы игно­рировали влияние емкости затвор-канал, а также вариации R_вкл при изменении сигнала.

Типы ПТ

N-канальные, р-канальные ПТ. Теперь о генеалогическом древе. Во-первых, поле­вые транзисторы (как и биполярные) могут выпускаться обеих полярностей. Та­ким образом, зеркальным отображением нашего n-канального МОП-транзистора является p-канальный МОП-транзистор. Его характеристики симметричны и на­поминают характеристики p-n-p-тран-зистора: сток нормально имеет отрица­тельное смещение по отношению к исто­ку, и ток стока будет проходить, если на затвор подать отрицательное по отноше-шпо к истоку напряжение не менее од-ного-двух вольт. Симметрия несовершен­на, поскольку носителями являются не электроны, а дырки с меньшей «подвиж­ностью» и «временем жизни неосновных носителей». Эти параметры полупровод­ника важны для свойств транзисторов, а выводы стоит запомнить: p-канальные ПТ имеют обычно более плохие характе­ристики, а именно более высокое порого­вое напряжение, более высокое Rвкл и меньший ток насыщения.

Рис. 3.2.1 N-канальный МОП-транзистор

МОП-транзисторы, ПТ с р-n-переходом. У МОП-транзисторов (металл-окисел-полупроводник) затвор изолиро­ван от проводящего канала тонким слоем Si0₂ (стекла), наращенного на канал (рис. 3.2.1). Затвор, который может быть металлическим или легированным полу­проводником, действительно изолирован от цепи исток-сток (характеристическое сопротивление > 10¹⁴ Ом) и действует на проводимость канала только своим элек­трическим полем. Иногда МОП-транзис­торы называют полевыми транзисторами с изолированным затвором. Изолирую­щий слой довольно тонкий, обычно его толщина не превышает длины волны ви­димого света и он может выдержать на­пряжение затвора до ±20 В и более. МОП-транзисторы просты в применении, поскольку на затвор можно подавать напряжение любой полярности относи­тельно истока, и при этом через затвор не будет проходить никакой ток. Эти тран­зисторы, однако, в большой степени под­вержены повреждениям от статического электричества, вы можете вывести из строя устройство на МОП-транзисторах буквально одним прикосновением.

Символическое изображение МОП-транзистора показано на рис. 3.2.2. Здесь представлен дополнительный вывод, «те­ло» или «подложка»-кусок кремния, на котором выполнен ПТ (см. рис. 3.2.2).

Рис. 3.2.2. a-n-канальный и б-p-канальный МОП-транзисторы

3.3.ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ НА ПТ

В ос­тавшейся части этой главы мы поста­раемся показать схемные решения, в ко­торых проявляются преимущества уни­кальных свойств ПТ, т. е. схемы, которые работают лучше, будучи построены на ПТ, или которые совсем нельзя изгото­вить на биполярных транзисторах. С этой целью может оказаться полезным сгруп­пировать схемы на ПТ по категориям; здесь особенно важным является, как мы это видим.

Схемы с высоким полным сопротивле­нием (слаботочные). Сюда относятся буферные или обычные усилители для тех применений, где ток базы или конечное полное входное сопротивление биполяр­ных транзисторов ограничивает их харак­теристику. Хотя мы можем построить такие схемы на отдельно взятых ПТ, од­нако сегодняшняя практика отдает пред­почтение использованию интегральных схем, построенных на ПТ. В некоторых из них ПТ используется только в качестве высокоомного входного каскада, а вся остальная схема построена на биполяр­ных транзисторах, в других вся схема построена на ПТ.

Аналоговые ключи. МОП-транзисторы являются превосходными аналоговыми ключами, управляемыми напряжением, как мы уже указывали в разд. 3.01. Мы еще обсудим вкратце данный предмет. И снова говоря «аналоговый ключ», мы должны в общем случае иметь в виду интегральные микросхемы, а не схемы, построенные на дискретных элементах.

Цифровая логика. МОП-транзисторы доминируют при построении микропро­цессоров, схем памяти и большинства вы­сококачественных цифровых логических схем. Микромощные логические схемы изготавливаются исключительно на МОП-транзисторах. Здесь, как и прежде, МОП-транзисторы используются в составе интегральных схем. Далее мы уви­дим, почему ПТ отдается предпочтение перед биполярными транзисторами.

Мощные переключатели. Мощные МОП-транзисторы часто бывают пред­почтительнее биполярных транзисторов для переключения нагрузок, как мы уже показали в нашей первой схеме, приведен­ной в данной главе. Для таких примене­ний используются мощные дискретные ПТ.

Переменные резисторы; источники тока. В «линейной» области стоковых характе­ристик ПТ ведут себя подобно резисто­рам, управляемым напряжением; в об­ласти «насыщения» они являются управ­ляемыми напряжением источниками тока. Вы можете использовать эти присущие ПТ свойства в своих схемах.

Общая замена биполярных транзисто­ров. Вы можете использовать ПТ в гене­раторах, усилителях, стабилизаторах на­пряжения, радиоприемных схемах (по крайней мере в некоторых из них),-там, где обычно используются биполярные транзисторы. Применение ПТ не гаран­тирует улучшения схемы-иногда такая замена желательна, иногда нет. Их сле­дует просто иметь в виду как возможную альтернативу.

Источники тока на ПТс р-n-переходом

ПТ используется в качестве источников тока в составе интегральных схем (в част­ности, в ОУ), а также иногда и в схемах на дискретных элементах. Простейший источник тока на ПТ показан на рис. 3.3.1.

Рис. 3.3.1. Источник тока (слева) и семейство выходных характеристик n-ка-налыюго ПТ с p-n-переходом типа 2N5484: зависи­мость I_С при различных значениях U_m при полном масштабе изменений параметров.

Мы выбрали ПТ с р-n-переходом, а не МОП-транзистор, поскольку ему не тре­буется смещения затвора (режим с обед­нением). Из стоковых характеристик ПТ (рис. 3.3.1) видно, что ток будет прибли­зительно постоянным при иси больше 2 В. Однако в силу разброса I_Снач величи­на этого тока непредсказуема. Например, устройство 2N5484 (типичный n-каналь-ный транзистор с p-n-переходом) имеет паспортную величину I_Снач от 1 до 5 мА. И все же эта схема привлекает своей простотой двухвыводного устройства, дающего постоянный ток. Существуют дешевые серийные «диодные стабилиза­торы тока», представляющие собой всего лишь отобранные по току ПТ с p-n-переходом, у которых затвор соединен со стоком. Это токовые аналоги стабили­тронов (стабилизаторов напряжения). И снова говоря «аналоговый ключ», мы должны в общем случае иметь в виду интегральные микросхемы, а не схемы, построенные на дискретных элементах.

3.4. Логические и мощные ключи на МОП-транзисторах

Другие виды применений ПТ-ключей-это логические и мощные переключающие схемы, Отличить их просто. При пере­ключении аналогового сигнала мы используем ПТ как последовательный ключ, разрешающий или блокирующий прохождение аналогового сигнала, кото­рый представляет собой изменяющееся в некотором диапазоне (непрерывным, т.е. аналоговым образом) напряжение. Аналоговый сигнал-это обычно сигнал, имеющий низкий уровень напряжения и незначительную мощность. С другой сто­роны, при логическом переключении клю­чи на МОП-транзисторах замыкаются и размыкаются, перебрасывая выход схемы от одного источника питания к другому. Фактически эти «сигналы» являются циф­ровыми, а не аналоговыми-они скачком переходят от уровня питания одного источника к другому, представляя тем самым два состояния: «высокое» и «низ­кое». Промежуточные уровни напряжения не являются полезными или желатель­ными; фактически, они даже незаконны! И наконец, понятие «мощные переключа­тели» относится к включению и выключе­нию питания нагрузки, такой как лампа, обмотка реле или двигатель вентилятора. В таких применениях обычно и напряже­ния, и токи велики. Рассмотрим вначале логические переключатели.

Логические ключи. На рис. 3.4.1 показан простейший тип логического переключа­теля на МОП-транзисторе. В обеих схе­мах в качестве нагрузки используется ре­зистор и обе они осуществляют логичес­кую функцию инвертирования-высокий логический уровень на входе создает низ­кий уровень на выходе, и наоборот. Вариант схемы на -канальном транзисторе включает выход на землю при подаче на затвор высокого уровня, тогда как в /^-ка­нальном варианте на резисторе обра­зуется высокий логический уровень при заземленном (низкий уровень) входе.

Рис. 3.4.1 Логические инверторы на «-канальном (а) и /?-канальном (б) МОГИранзисторах.

Об­ратите внимание на то, что МОП-тран­зисторы в этих схемах используются как инверторы с общим истоком, а не как истоковые повторители. В цифровых ло­гических схемах подобных представлен­ным нас обычно интересует выходное на­пряжение («логический уровень»), проду­цируемое некоторым входным напряже­нием; резистор служит просто пассивной нагрузкой в цепи стока, обеспечивая при запертом ПТ выходное напряжение, рав­ное напряжению питания стока. С другой стороны, если мы заменим резистор осве­тительной лампочкой, реле, приводом печатающей головки или какой-то другой мощной нагрузкой, получим схему мощного переключателя (рис. 3.3). Хотя мы используем ту же самую схему «ин­вертора», однако при переключении мощ­ной нагрузки нас интересует ее включе­ние и выключение, а не напряжение вы­хода.

Инвертор на КМОП. Представленные выше инверторы на «-канальном или р-ка-нальном МОП-транзисторе имеют не­достатки: они потребляют ток в состоя­нии «ВКЛ» и имеют относительно высо­кое выходное сопротивление в состоянии «ВЫКЛ». Можно уменьшить выходное сопротивление (уменьшив R), но только ценой увеличения рассеиваемой мощ­ности, и наоборот. За исключением источ­ников тока иметь высокое выходное сЬ-противление, конечно же, всегда плохо. Даже если подключенная к выходу на­грузка имеет высокое сопротивление (на­пример, это затвор другого МОП-тран­зистора), все равно возникают проблемы шумов из-за емкостных наводок и умень­шается скорость переключения из состоя­ния «ВКЛ» в состояние «ВЫКЛ» («хвост переключения») за счет паразитной ем­кости нагрузки. В этом случае, например, инвертор на «-канальном МОП-транзис­торе со стоковым резистором, имеющим компромиссное сопротивление, скажем10 кОм, даст на выходе форму сигнала, показанную на рис. 3.4.2.

Рис. 3.4.2 Ключ на полевом транзисторе и эпюры напряжений

Ситуация напоминает однокаскадный эмиттерный повторитель из разд. 2.15, в котором потребляемая мощность в сос­тоянии покоя и мощность, направляемая в нагрузку выбираются из тех же комп­ромиссных соображений. Решение здесь одно-использование пушпульной схемы, особенно хорошо подходящей для пе­реключателей на МОП-тг>анзисторах. Взгляните на рис. 3.58; здесь показано как можно было бы организовать двухтактный ключ. Потенциал земли на входе вводит нижний транзистор в состояние отсечки, а верхний-во вклю­ченное (замкнутое) состояние, в резуль­тате чего на выходе будет высокий логи­ческий уровень.

Рис. 3.59. КМОП-вентили И-НЕ и И.

О цифровых КМОП-схемах гораздо больше будет сказано там, где будут рас­сматриваться цифровые логические схемы и микропроцессоры (гл. 8-11). На сей момент остановимся на очевидном: КМОП-схемы-это семейство маломощ­ных логических схем (с нулевым потреб­лением мощности в состоянии покоя), имеющих высокое полное входное сопро­тивление и жестко заданные уровни вы­ходного напряжения, соответствующие полному диапазону напряжений питания. Однако прежде чем оставить сей предмет, мы не можем устоять против соблазна показать еще одну КМОП-схему (рис. 3.59). Это логический вентиль И-НЕ, на выходе которого будет низкий логический уровень только в том случае, если на обоих входах-на входе А и на входе В-будет высокий уровень. Понять, как он работает, исключительно просто.

Если уровни А и В-оба высокие, то оба последовательно включенные я-каналь-ные МОП-ключи 7\ и Т2 находятся в проводящем состоянии, жестко фиксируя на выходе потенциал земли; /^-канальные ключи Г3 и Т4 оба разомкнуты, так что ток через них не течет. Однако если уро­вень на любом из входов А или В (или на обоих) низкий, то соответствующий /?-ка-нальный МОП-транзистор открыт, пода­вая на выход высокий уровень, так как один (или оба) транзистор последова­тельной цепи Тг Т2 закрыт и ток через них не проходит.

Схема называется вентилем И-НЕ, по­скольку она осуществляет логическую функцию И, но с инверсным (НЕ) выхо­дом. Хотя вентили и их варианты-предмет рассмотрения гл. 2, вы можете доставить себе удовольствие, попытав­шись набить руку на решении следующих проблем.