/
Автор: Кроуфорд Р.
Теги: электротехника электроника транзисторы схемотехника электронные схемы полупроводниковые приборы
Год: 1970
Текст
. .
Е
-
,
Texas Instruments Electronics Series
MOSFET IN CIRCUIT DESIGN
Metal Oxide Semiconductor Field effect
Transistors for Discrete
and Integrated circuit Technology
ROBERT Н. CRAWFORD
Semiconductor Components Division
Semiconductor Research and Development Laboratory
Texas Instruments Incorporated
McGRAW HJLL 8001< COMPANY
New У ork San Francisco Toronto London Sydney
1967
р Кроуфорд
СХЕМНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ
МОЛ.. ТРАНЗИСТОРОВ
17еревод с анелийскоео
170д редакцией М. с. саНИНА
Издательство "МИР"
МОСКВА 1970
'ДK 621.382.32
ОТ РЕДАКТОРА PYCCKOrO ИЗДАНИЯ
Книrа посвящена одному из наиболее перспектив-
ных полупроводниковых приборов полевому транзи",
стору со структурой металл окисел полупроводник.
Описаны физические принципы деЙствия lV\Оll арибораJ
ero статические, переходные и частотные характеристи-
ки. Освещены вопросы использования МОП приборов в
интеrральных схемах и приведен ряд примеров расчета
лоrических элементов на Nl0П транзисторах. Кратко
рассмотрено применение МОП приборов в линейных
схемах.
Эта лаконично написанная моноrрафия весьма емка
по содержанию и рассчитана на разработчиков полупро-
водниковых приборов И радиоэлеhТРОННОЙ аппаратуры,
а также инженеров специалистов по применению инТе-
rральных схем.
Редакция литературы по новой технике
БОЛЫlIое внимание, уделяемое в настоящее время
приборам со структурой металл окисел полупровод..
ник, объясняется не только тем, что эти приборы обла-
дают рядом уникальных электрических свойств, но так..
же и тем, что их применение в интеrральных схемах от..
крывает новые перспективы для микроэлектроники. С по-
мощью ..\1.0П..приборов осуществляется переход от обыч..
ных интеrральных схем к так называемым большим
интеrральным схемам (БИС). представляющим собой
законченные функциональные блоки, выполненные на
одном кристалле полупроводника.
Хотя в периодических изданиях опубликовано боль
шое число работ, посвященных теории, расчету и свой
ствам МОП приборов, использование этих материалов
затрудняется из за их распыленности и различий в Tep
минолоrии. В связи с этим книrа Р. Кроуфорда, являю..
щаяся одним из первых систематизированных руко..
водств для работаюших в этой чрезвычайно быстро раз
вивающейся области полупроводниковой электроники,
представляет несомненный интерес для широкоrо Kpyra
советских спеuиалистов. Следует отметить инженерный
подход автора к решению затронутых проблем, а также
наличие большоrо количества rрафиков и примеров
практическоrо расчета, помоrающих более полному ис
пользованию материала книrи. Книrа, кроме Toro, не
требует от читателя rлvбоких знаний в области полупро
водниковой электроники.
Инд. 3 3 12
142-70
6
От редактора русскоео издания
При переводе пришлось преодолеть определенные
трудности, обусловленные тем, что мноrие термины еще
окончательно не установились, а также и тем, что OTe
чественная и зарубежная терминолоrии заметно отли
чаются друr от друrа. В данной книrе нами ПРИНЯТЬJ
термины, наиболее часто используемые в отечественной
литературе. Перевод книrи выполнен Корольковым А. r.
(предисловие, rл 1, 2) и УскаЧQМ М. А. (rл. 3 6).
ПРЕ,QИСЛОВИЕ АВТОРА
М. СОНИН
Цель этой книrи состоит в том, чтобы описать основ..
ные свойства поле оrо транзистора со структурой Me
талл........ окисел полупроводник (МОП), раесматривая
их rлавным образом в схемотехническом аспекте. Пред"
ставленный в книrе материал охватывает теорию и прин
ципЬ! работы прибора, ero характеристики и, наконец,
вопросы применения прибора как в ero дискретной, так
и в интеrральной форме. Я стремился включить в одну
книrу весь основной материал, необходимый инженеру
разработчику схем для понимания работы схем на при..
борах с NI0П структурой и овладения принципами рас..
чета таких схем.
атериал для книrи был собран в течение двух лет
в rоды Moero аКТИБноrо участия в разработке схем на
VlОП транзисторах по проrрамме создания приборрв с
..\1.0П структурой, проводимой фирмой «Тексас инстру"
l\1eHTc». Поэтому в книrу включено MHoro полезной ин..
формации, накопленной в процессе работы с реальными
схемаl\tIИ на j\1.0П транзисторах.
В книrе рассматриваются только полевые транзисто"
ры с МОП структурой И не затронуты полевые приборы
с управляющим р n переходом. Это сделано по двум
причинам. Во первых, я полаrал, что полевой MOll
транsистор сам по себе является важным прибором и
ero необходимо рассматривать отдельно от д,уrих. Bo
вторых, полевые транзисторы с управляющим перехо..
дом рассмотрены в превосходной книrе Севина «Поле..
вые транзисторы» 1), которая также входит в серию MO
ноrрафий по электронике, подrотавливаеl\IЫХ сотрудни
ками фирмы «Тексас инструментс».
Уровень изложения рассчитан на инженера схе}\;10"
техника, в задачи KOToporo входит разработка схем на
1) Имеется руССКИЙ перевод: С е в и tI Л., По.певые траН3ИСТОРЫ J
ИЗД во «Советское радио», 1968. П рим. nерее.
8
17 редис '[овие автора
rлава 1
полевых 1\10П транзисторах. Предполаrается, что чита
тель знаком с основами теории полупроводников и cxe
lVlотехникой.
rл. 1, вводная, написана специально для таких лиц,
как сотрудники отделов сбыта, специалисты по изуче
нию рынков и руководители предприятий, которым нуж"
но Иl\lIеть лишь общее представление о свойствах МОП..
транзистора и нет необходимости rлубоко вникать в Teo
рию этоrо прибора В заключительной части rлавы pac
смотрены тенденции развития технолоrии МОП струк"
тур, а также разработки новых приборов и схем. u
В rл. 2 изложены основы теории и принципы деи..
ствия полевоrо прибора с МОП"структурой и выведены
уравнения, описываlощие ero характеристики.
В rл. 3 рассмотрен вопрос о точности основных ypaB
нений прибора, выведены дополнительные функциональ..
чые соотношения и проведен анализ зависимости по..
движности носителей заряда в канале от напряжения на
затворе.
В rл. 4 дано описание переходных характеристик
1VI0П транзистора при eI-о работе в схеме
rл. 5 посвящена ОДНИlVl лишь вопросаl\l применения
МОП транзисторов в интеrральных схемах. Изложены
основные принципы посrроения таких схем, paCCMOTpe
ны конструктивные решения, используемые при их проек
тировании, детально описань] конкретные интеrральные
схемы на МОП транзисторах.
rл. 6 охватывает вопросы применения МОП транзи
сторов в линейных слемах и построения схем, в которых
(овместно применяются МОП и биполярные транзи"
сторы.
ОСНОВЫ ТЕОРJ.fИ
ПОЛЕВЫХ МОП..ТРАН3ИСТОРОВ
Роберт 1. Кроуфорд
Полевой транзистор со структурой металл оки
сел полупроводник (МОП) 1) представляет собою
прибор, управляемый напряжением, который имеет рез
вычайно высокое входное сопротивление (от 10 до
1014 ОМ). В отличие от полевоrо транзистора с управ-
ляющим р п переходом, ..I\JIОП транзистор, имея изо
лированный затвор, сохраняет высокое входное сопро..
тивление независимо от величины и полярности вход
Horo напряжения на затворе. Ток утечки затвора прене
брежимо мал да)ке при повышенных температурах, что
дает возможность использовать в аналоrовых схемах
резисторы с очень большими номиналами в цепи CMe
щения затвора, а в цифровых схемах непосредствен"
ную связь.
Устройство МОП транзистора с каналом р типа изо
бражено на выполненных с соблюдением масштаба чер
Te:tKax, которые приведены на рис. 1.1. В подложке из
кремния п типа с удельным сопротивлением от 1 до
10 ом. см путем диффузии создают ДB сильно леrиро:
ванные области р типа с поверхностнои концентраuиеи
примеси от 1018 до 1020 атом/см 3 . Одна из этих диффу
зионных областей называется СТОКОМ, друrая истоком.
Обе они расположены в непосредственной близости pyr
от друrа (расстояние между ними в аКТИВНОl\1 приооре
составляет около 5 мкм, В приборе, выполняющем роль
наrрузки, оно равно от 25 до 50 MKAt). На поверхност
кремния м ежду истоком и стоком расположен тонкии
1) Иноrда эту CTPYh.TYPY называют мдп (металл диэлек
трик полупроводник). Хотя существуют и ДРУI'ие МОП структурь ?
доминирующее положение в современной технике занимает полевои
МОП транзистор. В данной книrе комбинаuия букв «MOI]» будет
ИСПО1ьзована для обозначения структуры, рассматриваемои в дaH
fIОЙ r лаве (рис. 1.1).
......... 7 мим. 1О0nО А
Основы теории полевых МОП транзиСТОРО8
11
(от 800 до 2000 А) слой изоляционноrо материала (обыч
но двуокиси кремния), образующий диэлектрик затвора.
На поверхность пластинки нанесен путем осаждения из
паровой фазы слОй металла, образующий контакты, со..
единительные проводники и электрод затвора.
Условия, возникающие на поверхности раздела крем'"
ния и окисла, таковы, что обычно все приборы с кана...
лом n типа в исходном состоянии
(т. е. при нулевом смещении на за..
творе) открыты, а все приборы с ка..
налом р"типа закрыты. Поскольку
для построения цифровых или пе..
реключательных схем желательно
использовать приборы. которые в
исходном состоянии закрыты, в Ha
стоящее вреl\1Я все имеющиеся в Рис. 1.2. Обозначе
продаже интеrральные схемы (ИС) ние моrI прибора в
построены на МОП транзисторах с схемах.
каналом одноrо типа проводимо
сти, а именно с каналом р типа. По этой же причине
в данной книrе рассматриваются почти исключительно
приборы с каналом р типа.
На рис. 1.2 представлено символическое изображение
...ZV\ОП транзистора (индуцированный канал р типа), ис..
пользуемое в книrе. Электрод истока служит точкой
относительно которой измеряются потенциалы друrих
электродов; затвор представляет собою управляющий
электрод, а сток является выходом прибора. Эти три
электрода, rрубо rоворя, аналоrичны соответственно
эмиттеру, базе и коллектору биполярноrо прибора.
Металлическшj
затВор, о
толшдна 6700 А
ОI<./1сел по8 электРОDОМ Контакт
т& , о .. CM
толщина 1500 А /Изr !iоующu.а слои о а6л 'пью
/ 01<.1.1.(' 0.. тОЛЩина 1200 Д стока
1
::Е
с:::.
1)
1
........:'.'.. :::::-:..;..: ;.;:::.: 0.0 :1"
3800 А
2200 д
· Канал U,зоdраЖf!J/ не tJ масш тode т l/.nUЧНОll толщина КIJнало ZS 5n А
l1
r ..... .....
Исто/< I ..... \ 4400 А
/ \"
..& / \ ........... ...L
/ "
..... ,
05edH8HHbIii ело; стока .....
при смеш.ении 158 ...... \
17600А
6
8
10 МI<М
Н
30лотая
IJро80лока
Зо
Контакт уiJлиh9НН
стока \ l<онтаКfТ'ная
Метал . rл/1че кци площаiJк
затВор
r
Диффузионные
о/ласти
стока и ILcmOKe
Рис. 1.1. Чертеж поперечноrо сечения типичноrо МОП транзистора,
выполненный с соблюдением масштаба.
а) и з -= IOB, И пор == .......5 в; 6) и с :=; .....5B t и з == lOB, И пор == 5в;
в) И с 15 в, ИЗ == [О 8, И пор == 5 в; 2 та же MOr1 CTPYK"
тура в увеличенном масштабе, позволяющем показать ее размеры
по отношению ко всей кремниевой пластинке. Размер канала по
rлубине, а также толщина слоев металла и окисла на чертеже
увеличены, чтобы можно было изобразить эти элементы структуры
раздельно при данном масштабе. СчитаеТСЯ t что исток и подложка
имеют потенциал зе1\1ЛИ.
C:::I
КремниеВая
пластl1.НКО
а
J CmOK
ЗатВор 1
Исток
12
r лава I
Основы теории по 'leBblX МОП траНЗИСТОРО8
13
1.1. РАБОТА МОП..ТРАН3ИСТОРД
При заземленных стоке и истоке затвор управляет
зарядом в канале области, располо}кенной ) поверх
ности подложки между стоком и ИСТОКОl\1. При подаче
на затвор отрицательноrо смещения условия в объеме
кремния изменяются. По мере Toro как на затворе Ha
капливается отрицательный заряд свободные электро
ны, ПРИСУlствующие в кремнии n типа, вытесняются из
прилеrающей к затвору области, и в ней образуется
обедненный слой. При достижении определенной степе
ни обеднения ПРОДОJlжающееся увеличение смещения
затвора вызывает притяжение к поверхности креl\1НИЯ
подвижных положительно заряженных дырок. Коrда в
области канала накопится достаточное количество ды
рок, тип ПрОВОДИl\fОСТИ поверхности кремния изменится
с электронноrо на дырочный, друrими словами. произой
дет инверсия типа проводимости. При этом две диффу..
зионные области р типа окажутся соединенными друr с
друrОl\l посредством инверсионноrо слоя с проводи
мостью р типа, служащеrо каналом. Отсюда и название
прибора полевой транзистор с каналом р типа. Пода
вая на затвор сиrнал, можно модулировать количество
носителей в области канала, так что затвор по существу
реrулирует ток, протекаюший в канале. При малой Be
личине напряжения на стоке инверсионный слой про
стирается на всю область канала, соединяя области ис
тока и стока. При таких условиях ток стока зависит от
напря}кений на стоке и на затворе. Заl\lетим, что на
рис. 1.1 все р области (и диффузионные и инверсион"
ная) изолированы от материала подложки обедненным
слоеrvl.
При постоянном напряжении на затворе повышение
напряжения на стоке изменяет условия в области Ka
нала. Ток стока вызывает омическое падение напряже
ния вдоль канала (/R). Полярность этоrо падения на..
пряжения такова, что оно стреl\fИТСЯ противодейство"
вать полю, создаваеl\10 1) в слое окисла смещением за
твора. Коrда падение напряжения достиrает такой ве..
личины, при котор()й поле уменьшается настолько, что
инверсионный слой больше не возникает, канал перехо
дит В состояние nерекрытия 1), И ток стока стремится к
постоянной ве&lIичине, не зависящей от напряжения на
стоке. rоворят, что прибор при этом находится в состоя..
нии насыщения 2). Как видно из рис. 1.1, б, инверсион-
ный слой имеет наибольшую толщину у истока и стре-
мится к нулевой толщине в точке перекрытия 3). Паде-
ние напряжения на слое окисла между затвором и точ"
кой канала, в которой происходит перекрытие, называют
напряжением перекрытия. или nОРО20ВЫМ напряжением.
Пороrовое напряжение можно определить как напряже-
ние на слое окисла под затвором, необходимое и доста..
точное для начала формирования в канале инверсион"
Horo слоя.
При дальнейшем повышении напряжения на стоке
j\1.0П транзистор переходит в состояние все более rлу..
бокоrо насыщения. Это иллюстрирует рис. 1.1, в, на ко..
тором отражено увеличение обедненных областей, приле..
rающих к стоку, и уменьшение длины канала. Слишком
большое увеличение напряжения на стоке может BЫ
звать распространение обедненной области от стока на
всю длину канала до истока (сквозное обеднение), что
приведет к возникновению неконтролируемоrо тока, ве..
личина KOToporo будет оrраничиваться только внешними
элементами цепи.
1.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ
Семейства вольтамперных характеристик тока стока
для ряда напряжений на затворе приведены на рис. 1.3.
Важнейшие особенности этих семейств таковы:
1) в ламповой электронике этому состоянию соответствует режим
отсечки. Термином «отсечка» мы будем пользоваться в да..1ьнейшем
при описании поведения прибора в схемах, а термин «перекрыТие»
сохраним для анализа физических явлений в приборе. П рим. ред.
2) В отечественной литературе это состояние определяется как
работа МОП транзистора в полоrой области характеристики.
П рИМ. ред.
3) В действительности толщина канала ни в одной точке не
може1 стать равной нулю, faK как если бы это произошло, то в Ka
нале не было бы тока, на самом же деле через прибор, на ха <;JЩИЙСЯ
в состоянии насыщения. протекает ток. Допущение о том, что Тол
щина канала может равняться нулю, это удобное приближение,
позволяющее определить напряжение перекры rия или пороrовое Ha
пряжение.
14
r лавQ 1
1. В качестве параметра определяющеrо отдельную
характеристику семейства, выбрано напряжение в отли-
чие от семейств характеристик биполярных транзисто"
ров rде таким параметром служит ток. Такой выбор
связан с высоким входным сопротивлением МОП при-
боров.
2. Входное напряжение и выходные напряжение и
ток имеют один и тот же знак, что позволяет без труда
[с н ас
[с. ма
:Q
#
I
.
:
O
" ..I
G LLHV
из : 128
Прямая
постОЯННОZ/J
напряжения
стока
ипор
U'3' 8
1ма
200 мка
из: 18
Uз=О
Рис. 1.4. Передаточные характеристики,
показываю.цие зависимость 1 с от из.
Напряжение на стоке поддерживается
постоянным, как показано на рис. 1.3, б.
из : --10 В
tc
500мка
из = 8 8
lc
100 мка
I с. нас
U З = 08
I
I U з =+18
5
u з = G 8
з
и с :: 15 В
J
из
8)( 10 2
10 мка } О 48
О 5 10 15 20 10 на
ис.и., в о 5 10 4
и сu , 8
а б
Рис. 1.3. Характеристики МОП транзистора с каналом р типа.
а прибор с индуцированным каналом. Три точки на кривой
и 3 == 1 О в соответствуют трем напряжением на стоке, которым
отвеЧdЮТ структуры, изображенные на рис. 1.1; б прибор со
встроенным каналом.
с::!
ПраВая
шкала
B 10 2
"""
c:::t
...
u
I "
L
..
4 1O '
иПDР З,75В
\
4
2)( 10 2
осуществлять ПОСLТIедовательное включение каскадов в
цифровых CXel'v1ax. Полевой транзистор с управляющим
р п..переходом: является прибором, для KOToporo ука..
ванное условие не соблюдается.
3. На рис. 1.3, а видно, что для обеспечения сколько...
нибудь заметноrо тока через прибор необходимо подать
на затвор напряжение 4 8. На этом рисунке изобра...
:>heHbI характеристики транзистора с индуцированным
каналом. На рис. 1.3, б приведено семейство характери..
стик МОIl транзистора со встроенным канаЛОlVl; здесь
1
о
2
о
6
-- u з , в
Рис. ] .5. Передаточная характеристика, иллюстрирую-
щая квадратичную форму характеристики 1vl0П при
бора. Кружками отмечены результаты измерен;ий, про...
изведенных на реальном приборе,
16
r лава 1
ОСНОВЫ теории полевых МОП транзисторов
17
при нулевом напряжении на затворе протекает началь..
ный ток 85 мка 1)
4. Величина, на которую изменяется выходной ток
при данном приращении напряжения на затворе, воз
растает по мере роста наПРЯ2Кения на затворе (при Ha
пряжениях выше пороrовоrо). Можно показать, что BЫ
ходной ток пропорционален квадрату входноrо напря
жения. На практике полевой lVl0П транзистор называют
часто прибором с квадратичной характеристикой.
Если на семействе выходных характеристик провести
линию постоянноrо наПРЯ2Кения стока, как это показано
на рис. 1.3, 6, и начертить зависимость между выходным
током и входным наПРЯ2Кением, то получится кривая,
которая носит название передаточной характеристики.
Передаточные характеристики, изображенные на рис. 1.4,
хорошо иллюстрируют работу полевоrо транзистора с
индуцированным и встроенным каналами, величину по
poroBoro напряжения и квадратичный характер зависи..
мости между входным напряжением и выходным током
прибора Реальная зависимость тока стока от наПРЯ2Ке..
ния на затворе представлена на рис. 1.5. Чтобы пока..
зать параболический характер кривой (в полоrой обла..
сти), данные рис. 1.5 представлены таК2Ке в форме
I
"\; [с (и 3). Эта заВИСИf\.fОСТЬ представляет собой прямую
линию. Если продол}кить эту прямую до пересечения с
осью абсцисс (1 с == О), то можно определить величину
пороrовоr о наПРЯ2Кения или напряжения перекрытия 2) ,
1) В американской дитературе МОП приборы с ИНДУJ.ирован
ным каналом носят название транзисторов с оБОI'ащением, а 1vl0П
приборы с встроенным каналом транзисторов с обеднением
17 рим. ред.
2) Предлаrалось использовать термин «перекрытие» только В
применении к приборам со встроенным каналом, а термин «пороrо
вое напряжение» только для приборов С индуцированным каналом.
Термин «напряжение перекрытия» вызывает в памяти полевой TpaH
зистор с управдяющим р п переходом, и как таковой этот термин
уже имеет некоторое преимуществеliное право на употребление.
В обиходной речи специалистов напряжением перекрытия (отсечки)
называется в случае прибора со встроенным каналом raKoe Ha
пряжение на затворе. которое необходимо ДJ1Я Toro чтобы умень-
шить ток стока от ero начальноrо значения 1 с. нас примерно 1.0 нуля.
На рис 1,3, б видно, что это напряжение равно около +3 в.
Со времени разработки приборов с инд) llированным каналом
р типа в терминолоrии полев х т анзисторов стал преобладать тер-
т. е. напряжения включения прибора которое всеrда
важно знать разработчику схемы
----
--UQ1, 56/8елвнае'
......................................... ........,
Ir "" I
j
11 :il
11 1111_
.,/1111..
1111!:iii l. .
11" 11
111
1IIi'
:::d
:i
'::t
"-
c::r
..
о
......
I
Рис. 1.6. Кривые, отражающие
В.пияние напряжения на затворе
на напряжение пробоя. Стрелками
показаны направления увеличения
по абсолютной величине отрица
тельноrо напряжения на затворе.
При достаТОЧНОlVl увеличении напря}кения на стоке
l\10ЖНО наблюдать характеристики пробоя, аналоrичные
приведенным на рис. 1.6 1). ЗаlVlетим, что напряжение
мин «пороrовое напряжение»: считается. что это приб.пи:зительно
такое напряжение на затворе, которое необходимо для Toro, чтобы
прибор перешел в открытое состояние, т. е. начал проводить ток.
Здесь возникает трудность, связанная с тем, что начальная точка
передаточной характеристики получает различные обозначения в за
висимости от Toro, лежит ли она справа или слева от линии U з == О
(рис. 1.4).
Поскольку работа прибора как с индуцированным, так и со
встроенным каналом описывается одними и теми же уравнениями
(единственное их отличие Lвязано со знаком наПРЯ)l{ения включе
ния), и поскольку оба типа приборов работают по существу одина-
ковым образом, будет использоваться одно обозначение U пор . Так
как большинство МОП транзисторов является приборами с инд) ци
рованным каналом, в данной книrе будет применяться термин «пора-
rOBoe напряжение». Однако в тех случаях: коrда использование Tep
мина «перекрытие» позволяет пояснить существо дела, будет при-
меняться этот термин
1) Предполаrается, что при снятии xapaI\. теристик пробоя сквоз-
но<:> обеднение кана Ia Ht наступает.
2 Эак. 311
18
r lава I
пробоя зависит от напряжения на затворе: ero в личина
возрастает по мере Toro, как напряжение на З8ТВОI'е
при обретает все большие по абсолютной ве.пичине отри..
цательные значения.
1.3. ЦИФРОВЫЕ СХЕМЫ
Обычно сложная ИС со структурой металл оки-
сел ПОЛУПРОВОдник состоит только из l\10П транзисто"
ров и не содержит ни резисторов ни конденсаторов, ни
и сWI
и см
и пит
J
I
1
Выхоо
11
I
1
I I
I L.........o
а
tf
Рис. 1.7. Основные лоrические элементы:
а НЕ ИЛИ; б НЕ И.
диодов Основными КОНСТРУКТИВНЫl'vlИ ячейками, из кото-
рых строятся МОП..схемы, являются лоrические элемен-
ты НЕ И и НЕ ИЛИ, представленные на рис. 1.7. Такие
элементы поодиночке и в КОl\fбинациях используются
для построения схем, выполняющих заданные лоrиче-
ские фУНКIlИИ, а также триrI'еров и запоминающих схем,
создания линий З8деРЖhИ в цепях синхронизации и BO
обще для выполнения всех функuий llифровоrо управ-
ления.
Системы на .Nl0П"структурах лучше Bcero реализо
вать при ПОl'vl0ЩИ лоrических вентилей НЕ ИЛИ Одной
из причин этоrо можно считать более эффективное ис
1>0
"
т
;::j
...... :х:
Q.)
QJ::t:
:t:
::::it::)
C,)
'\с::)
СУ')
11 ·
'-...J
::t::
tU
cY)
C::: U
14:
-!
W>lVIJ S/7J
c"t;::)
с;)
f-.3
::о
Q::)
А
J; 1 1
J;N >IOШ;Jl/hб 1. се
7f J::
'ъ toN >IOШJ1)h!i 11
се а:: I
ct: '-'-
1 r )(ОШJllhб Z iN J/ОШJllh!i 1 :;
-.q <:.,)
:t:
Q::
I=:J
...-
90N >lОШJVh!i
2*
(;:j
.
о
с)
:s::
о
f-4
::I:
Q)
::I:
О
t::
::g
О
::s::
::r:
Q)
:;Е
о
о
t:: ·
t) Q)
",\О
P.
В
Q) c\s
Q) a::I
::т'
:s::;::s:
::а
да
t::;Q)
д
'0
t::
::r:::a
............. a::I
:s: ..
. ::s::
::S:
::r::
::I:
::s:
O
f-o Q)
::r:
Q)
::g
Q)
(()
tt:
::s::
:::r
c\s
::r:
::s::
\о
О
u
::s:
о..
20
r лава 1
Основы теории полевых МОП транзuстор()в
21
пользование площади подложки в случае вентилей
НЕ ИЛИ по сравнению с веНТИЛЯl\fИ НЕ И. На рис. 1.8
изображена КОl\1бинация элеl\1ентов НЕ И/НЕ ИЛИ и
дан тополоrический чертеж расположения КОl\1понентов,
Поскольку транзисторы Тр 1 Тр3 соединены последо
вательно, усиление каждоrо из них должно быть в три
раза ВЫше, чеl\1 у транзистора Тр4 для Toro, чтобы во
либо к отдеЛЬНЫl\1 источникам питания Уl\1еньшение [)пит
и подключение затворов наrрузочных транзисторов к OT
дельному источнику дает ВОЗl\10ЖНОСТЬ снизить потребле
ние l\10ЩНОСТИ и увеличить быстродействие.
и пит
J
I Il..o
I
1.4. СКОРОСТЬ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ
Присущие МОП схемам оrраничения по скорости ра..
боты обусловлены исключительно наличием в CXel\Jle
паразитной еl\1КОСТИ и неспособностью МОП транзисто"
ров перезаряжать эту el\1KOcTb. Собственные предельные
частоты саl\JIИХ МОП приборов имеют величину порядка
1 ТсЦ. В настоящее вреl\JIЯ, однако, редко можно BCTpe
тить в продаже CXel\Jl) на МОП транзисторах, работаю
щую на частотах выше 2 M ц. (Исключение составляют
четырехтактные схемы, которые способны работать на
частотах, близких к 10 МСЦ.) В то же время ИС на би
полярных приборах часто имеют быстродействие на по..
рядок выше, чем CXel\1bI на МОП приборах. Основная
причина TaKoro различия заключается в том, что бипо
лярный транзистор Иl\Jlеет более высокую крутизну gт,
или коэффициент усиления, в пересчете на единицу пло..
lilади. чем l\10П транзистор Сравнение заВИСИl\10СТИ
крутизны от тока для биполярноrо и МОП траНЗИСТОРОR
отчетливо свидетельствует о превосходстве биполярноrо
прибора (рис. 1.10). При тех раЗl\Jlерах, KOTopbte типичны
для прибора, входящеrо в состав интеrральной CXel\1bI,
биполярный транзистор Иl\1еет gm В 10 500 раз более
высокое, чеl\1 МОП транзистор, причем конкретная Be
личина .:Зависит от тока через прибор. Коэффициент уси..
ления l\10П транзистора можно повысить путеl\1 увели
чения ширины канала, однако поскольку емкость, как и
gm, является линейной функцией площади прибора, е\1"
кость так)ке возрастает.
На рис. 1.11 представлена типичная форма выходноrо
сиrнала инвертора, выполненноrо на МОП транзисторах.
Вреl\JIЯ включения, определяемое упраВЛЯЮЩИl\1 транзи
стором, обычно Hal\1HOro еньше, чеl\1 время выключения,
определяеl\10е пассивным траНЗИСТОРОl\I, служаШИl\Jl на..
f'рУЗКОЙ. На практике Bpel\1eHel\Jl t B1 \'1 l\JI0ЖНО пренебречь
по сравнению с tвыIл'. Справедливость выражения
U cv
и см
I I
I
Рис. ! .9. Триrrер с перекрестными
связями, построенный из двух OCHOB
ных элементов НЕ ИЛИ.
включеННОl\Jl СОстоянии общее сопротивление этих трех
транзисторов было равно сопротивлению Тр4. Это при
водит к увеличению в три раза площади, заНИl\1аемой
одним транзистором.
Соединив ЛОI'ические элементы НЕ ИЛИ так, как это
показано на рис. 1.9, l\JI0ЖНО получить триrrер с пере-
креСТНЫl\IИ СВЯЗЯl\JIИ. Резисторы в этих связях OTCYT
ст уют, так как в них нет неоБХОДИl\J10СТИ ввиду чрезвы
чаино высоких входных СОПРОТИВtllений транзисторов.
Ускоряющие конденсаторы в этой схеме тоже не нужны.
В качестве наrрузочных резисторов используются i'v10П
транзисторы с низким коэффициентом усиления. ТаКИl\1
путем можно получить BeCbl\1a большие наrРУЗ0чные со-
противления, порядка 200 КОМ. Затворы наrрузочных
транзисторов MorYT быть подсоединены либо к стокам
Основы теории полевых МОП транзисторов
23
gm .v2 11с' МОП
9 т q1c/ KT оиПОЛЯРНblЙ
\}
'О'
<f.
\ . 4ООО мхмо
t-
t выил » t вил объясняется ДВУl\1Я фактораl\1И. Во первых,
сопротивление наrрузочноrо прибора обычно раз в дe
сять превышает сопротивление управляющеrо прибора.
Это означает что при одной и той же паразитной elVfKo
сти постоянная времени наrрузочноrо транзистора R
10 раз болыпе ПОСТОЯНRОЙ времени управляющеrо TpaH
зистора. BO BTOpЫX, в процессе переключения напряже
ние l\1ежду затвором и истоком управляющеrо транзи
стора, которое определяет величину смещения остается
и пит
I I k aZPY3Ka
.
10000
10
tвкл
t
1000
с:::>
ивых
...
..1.. С
'i.... па.о
...&...
t 6ы t<.л
100
и8Xru p'
.....
Тр 2,
управляющий
Рис. 1.11. Принципиальная схема инвертора и типич
вые формы сиrнала при переключении.
10
100
1000
постоянным и равным и вх , в то время как у наrрузоч
Horo транзистора смещение на затворе модулируется BЫ
ходныl'Л (истоковым) напряжением таким образом, что
при увеличении выходноrо сиrнала коэффициент усиле..
ния наrрузочноrо прибора УlVlеньшается. Транзистор Тр I
можно представить как нелинейный резистор, сопротив"
ление KOToporo возрастает при увеличении напряженич
на паразитной el\1KOCT I1 С пар . Оба эти фактора, Bl\1eCTe
взятые, показывают, чТо постоянная времени заряда ем",
кости, определяеl\1ая наrрузочным транзистором и яв..
ляется той величиной, которая оrраничивает возможно
сти раб()ТЬJ МОП транзисторов областью низких частот.
К счаСТhЮ, l\fОЖНО принять целый ряд l\1ep, которые сни
Зят отрицательное влияние переходных процессов в на..
rрузочныл МОП приборах.
1
1 мка
Рис. 1.] о. Сравнение крутизны биполярных и МО П..
тр анзи старо в.
24
r лава J
OCHOBbl теории nолеВblХ МОП транзисторов
25
1.5. СТРУКТУРЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ С КАНАЛАМИ
ПРОТИВОПОЛОЖНЫХ ТИПОВ ПРОВОДИ \ОСТИ
Использование МОП транзисторов с каналами проти"
воположных типов проводимости давно считается иде..
аЛЬНЫl\1 решениеl\1 мноrих задач, возникающих при создq..
нии сло)кных ИС Лоrический элемент на транзисторах
с каналаl\JIИ противополо)кных типов проводимости В ста..
тическом состоянии практически не потребляет мощно..
сти, что делает целесообраЗНЫlVl ПРИl\lенение таких эле..
l\IeHTOB в маЛОl\JI0ЩНЫХ CXel\1aX, в частности в активных
заПОl\1инающих устройствах большой емкости. Скорость
переключения в этом случае значительно выше, чеl\Jl при
использовании приборов одноrо типа ПрОВОДИlVIОСТИ. Раз
ность выходных уровней равна напряжению источника
питания что исключает необходимость в использовании
,
двух источников питания. Наконец, выходной Иl\Jlпеданс
управляющеrо транзистора значительно ниже, чеl\1 в cXe
1\laX на приборах с каналами одноrо типа ПРОВОДИl\lОСТИ.
Все эти достоинства делают схемы на транзисторах с Ka
налаl\JIИ противополо)кных типов ПРОВОДИl\'10СТИ BeCb1VI(:)
nривлекатеЛЬНЫl\JIИ для разработчика. Однако они не ли
Iпены и существенных недостатков.
В настоящее время основная трудность заключается
в разработке технолоrии, неоБХОДИl\fОЙ для получения
близких по характеристика приборов с каналами про
тивоположных типов ПРОВОДИl\10СТИ Приборы с KaHa
.паl\fИ n и р типа по саl\IОЙ своеЙ природе приобретают
различные характеристики в процессе их COBl\1eCTHOro
изrотовления 1) . Так транзисторы r канаЛО1\I П типа яв
ляются прибораl\JlИ со BCTpOeHHbI\I каналом, тоrда как
приборы с канаЛОl\1 р типа являются приборами с инду
uироваННЫl\1 кан алом. Добавочные техно ТIоrические ОПе
рации, наПРИl\fер допо 1Jнительные операuии диффузии п
фотолитоrрафической обработки, необходимые для по-
лучения монолитных схем на приборах с каналами про
тивоположных типов ПрОВОДИl\IОСТИ, повышают производ..
1) в настоящее время у(овершенствоьание полупроводниковой
теХНО 'IОППI позволило получать в одном КРИСТ3.1.1е крсмн я \10П
транзисторы с индуцированным ка на 10\1 I<aK n , так и р 7ИПОВ.
П рим. ред.
ственные затраты и снижают выход rодных изделиЙ, что
BeCbl\1a нежелательно как с точки зрения изrотовителя,
так и с точки зрения заказчика. К друrИl\1 недостаткам
l\10ЖНО отнести следующие факторы:
1. Поскольку приборы с каналами протиuвоположных
типов проводимости создаются на ед нои подложке,
неоБХОДИl\J10 использовать тот или инои вид изоляции
между приборами (в схемах на прибоrах с каналами
одноrо типа ПРОВОДИl\10СТИ
такой неоБХОДИl\J10СТИ нет),
а это приводит к Зi1меТRОl\1У
увеличению площади, зани
маеl\10Й лоrичеСКИl\1 элемен
т о lVI .
2. Число приборов, тре..
буемых для выполнения за..
данноЙ функции, больше,
чеl\1 в CXel\JlaX на приборах с 8хо8
канаЛОl\1 одноrо типа IIрОВО
димости.
На рис. 1.12 представ..
лен инвертор, выполненный
на приборах с индуцирован
ными каналами противопо
ложных типов проводимости.
Коrда входной сиrнал Иl\1еет
низкий уровень, затвор прибора с каналом п типа l\10ЖНО
считать соединеННЫl\1 с ИСТОКОl\1, при этом прибор закрыт
Затвор прибора с каналом р типа соединен в это время
с точкой, имеющей в схеме наибольший отрицательны;!
потенциал (с зеl\1лей), и поэтому транзистор открыт. При
этих условиях выходной сиrнал имеет высокий уровень,
т. е. он инвертирован по отношению к входному. Коrда
на входе возникает высокий уровень, прибор с каналом
п типа открывается, а с канаЛОlVI р типа закрывается, в
результате чеrо выходной сиrнал приобретает низкиЙ
) ровень. Заl\JlеТИl\1, что в люБОl\Jl случае один прибор
включен (и образует цепочку с НИЗКИl\1 Иl\Jlпедансом для
разряда паразитной еl\1КОСТИ), а второй выключен (при
ЭТОl\1 он оrраНИЧFвает ток стока, а следовательно, и мощ"
ность на уровне, опреде 1яеl'vl0l\Jl утечкаrvIИ прибора) .
Jum
I Канал o типa
Выхоо
I
..&.- С
':.... па.р
... . ...
f HQF n
lпа
Рис. 1.12. Принципиальная
схема инвертора на МОП при
борах с каналами противопо-
ложных типов проводимости.
26
Основы теории по leBblX МОП транзисторов
27
rлавQ 1
столь б.пизка к стоимости существующих биполярных
Слем, что не будет никаких экономических оснований для
использования МОП структур
2. Интеrральные схемы. Обширной сферой ПрИ1\1ене
ния МОП структур будут большие сложные интеrраль..
ные схемы, обладающие низким и средним быстродеЙ...
ствием. Эти ИС будут представлять собой небольшие
законченные систе1\1Ы или подсистеl\JIЫ. Объединение всех
доrических устройств такой системы или подсистемы в
одном кристалле позволяет выполнить на этом кристалле
все межсоединения. Таким образом, корпус ие будет
содержать лишь выводы, служащие для передачи сиrна
лов и подключения к источнику питания. Уменьшение
числа выводов приводит к снижению стоимости корпуса
ие. Стоимость испытаний сложных ИС, которая может
составлять существенную часть полной СТОИl\JI0СТИ ИС,
В значительной степени зависит от числа выводов схе1\1Ы
,
служащих для подвода и передачи сиrналов е ростом
числа выводов возрастает и время, необходимое для ис
пытания CXel\JIbI, если учесть перебор всех сочетаний и
комбинаций входных сиrналов. Идеальным является слу"
чай, коrда большая сложная ИС имеет один вход и один
выход. Сиrнал подается в схему, надле}{(зщим образом
преобразовывается, а затем появляется на выходе.
l<лассическим и наиболее показательным примеРО1\1 Ta
кой схемы является сдвиrовой реrистр (СР). в этом
случае импульс поступает в реrистр, хранится в течение
заданноrо вреl'.1ени (измеряемоrо миллисекундами, мину
тами или даже сутками), а затем по команде подается
на выход в форме, приrодноЙ для ero непосредственноrо
использования. Каждый разряд в цепочке триrrеров, об
разующих СР, возбуждает точно такой же разряд, так
что трудности выполнения внутренних соединений, а
также паразитные емкости, размер выходных буферных
каскадов и объем оперативных испытаний сведены к
МИНИ1\IУМУ.
Сдвиrовой реrистр хотя и выполняет весьма полез-
HbIue функции, по существу иллюстрирует предельный с.пу
чаи минимальноrо числа выводов. В более общем случае
ие имеет несколько входных и выходных выводов. При
:мером может служить двоично десятичный дешифратор,
1.6. БУДУЩЕЕ ТЕХНИКИ МОП..ПРИБОРОВ 1)
Интеrральные МОП схемы будут иметь будущее
лишь в том случае, если у них окажутся определенны
преи:мущества перед существующими биполярными ИС.
Вообще rоворя, эти преимущества не обязательно дол-
жны заключаться в характеристиках. Биполярные при
боры ввиду свойственных и 1\1 низких пороrовых напря
жений, высоких значений крутизны и малых напря
)кений насыщения будут превосходить lV10П схемы, если
сравнивать их по такому критерию, как отношение 1\10Щ
ности к быстродействию. Реальным преимуществом
схем на МОП транзисторах может стать их низкая СТОИ"
мость. Последняя в конечном счете 1\10жет быть достиr...
нута за счет Toro, что технолоrия l\'\ОП..схем позволяет
обеспечить получение более сложных Функuиональных
схем на даннои площади кристалла и более BbIcoKoro
выхода rодных схем по сравнению с аналоrИЧНЫ1\1И воз..
можностями современной технолоrии биполярных ИС.
1. Дискретные приборы и одиночные лоrические эле-
менты Спрос на дискретные МОП приборы будет l\Jlал
в сравнении со спросом на МОП ис. Дискретные при
боры будут использоваться в таких схемах, как а) aHa
лоrовые ключи, поскольку теоретически смещение нуле
Boro уровня напряжения у МОП транзисторов равно
нулю, б) высокочастотные усилительные схемы, коrда
желательно обеспечить малые шумы и квадратичную ха..
рактеристику, а также в) в ряде отдельных случаев, в
частности для соrласования устройств, построенных на
полевых и биполярных транзисторах, или в тех случаях,
Kor a удается с успехом использовать специфические
своиства прибора, например ero чрезвычайно высокое
входное сопротивление.
По reM же соображениям нельзя ожидать B_IcoKoro
'спроса на МОП ис, представляющие собой одиночные
.JIоrические элементы. Причина заключается в том, что
их характеристики будут столь плохими а стоимость
1) Все соображения, высказанные в данном разде.пе оТtiосятся
к ИС на приборах с fJ каналом, за иск.пючением п. 6, КОТОр IЙ OTHO
сится кИС, выпо.пняеМЫ\1 на приборах (' канаJlами противополож-
ных ТИПОВ ПрОБОДИМОСТИ
28
r лава 1
Основы теории полевых МОП траНЗUСТОfJов
29
изобра}l(енный на рис. 5.25 В этой CXel\Jle, ПОl\JIИl\JI0 BЫBO
дОВ питания, имеется еще 8 входных и 15 выходных вы-
водов.
3. Специальные разработки. По l\lepe Toro как инте-
rральные устройства, выполненные на одном кристалле,
становятся более крупными и более СЛОЖНЫl\lИ, они пре
Rращаются так)ке и в более специализированные yCTpoi'I
ства, и, следовательно, во все большей степени оrрани-
чивается область их возможных применений. По этоЙ
причине на рынке ИС со структурой lV\ОП будут преоб
LТIадать схемы, изrотовляеl\lые по специальным заказам.
Автор считает вполне ВОЗlVIОЖНЫl\l разработку крупными
и l\Jlелкими фирмами. специаЛИЗИРУЮЩИl\1ИСЯ на выпуске
электронных систеl\l, собственных МОП ие. Однако
этоrо нельзя сказать относительно схем на биполярных
приборах. Тем самым выявляется основное различие ме-
жду технолоrией больших ие (БИС) на биполярных
транзисrорах и технолоrией Бие на МОП транзисто
рах сравнительная леrкость, с которой можно практи
чески реализовать схемы на lVI0П приборах. При этом
большая часть работы по проектированию схемы будет
выполняться саl\lИМ заказчиком. Заслуживающим вни
мания исключениеl\Jl lVlОЖНО считать сдвиrовые реrистры,
которые продаются «на метры».
На вопрос о том, кто в будущеl\Jl станет создавать
конструкцию ИС на МОП приборах, BeCbl\Jla яркиЙ or
вет дает следующая выдержка из работы Сили и YOH
лесса [1]:
«Приведенные выше соображения побудили onHoro
конструктора технолоrа заl\lетить, что он l\:10r бы разра
ботать CXel\lY на МОП приборах с rораздо большеЙ
леrкостью, чем обычную транзисторную cxelVlY Это спра
ведливо и в том случае, коrда сравниваются 1C на бипо
лярных и l\10П транзисторах. Квалифицированный раз
работчик цифровых схем, KOToporo ознакомят с основ..
ными принципаlVlИ конструирования МОП схеl\I, cMo)J{eT
Bcero за несколько часов научиться самостоятельно раз-
рабатывать такие cxel\lbI. Уже одно это rарантирует раз-
витие МОП IC, поскольк) в ЭТОl\f случае задача разра-.
ботки новых устройств вновь ло)кится на плечи инже..
нера практика, который, собственно rоворя и должен ее
решать. По существу, инженерам конструкторам будут
предоставлены новые возможности для раскрытия их
творческих способностей».
4. Сложные интеrральные схемы и интеrральные
матрицы 1) Вообще rоворя, для Toro чтобы наиболее
полно использовать преИl\lущества iV10П технолоrии, He
оБХОДИlVI0 рассмотреть принципы построения больших
интеrральных схем (БИС), обеспечивающие создание
конструкции, а также выбор тополоrии схемных элемен-
тов и технолоrии изrотовления законченноrо лоrическоrо
элемента на минимальной возможной площади. Лоrи..
ческий элеl\lент разрабатываеlСЯ специально для выпол"
нения только одной функции. Такой элеl\lент собирается,
испытывается и заключается в корпус как законченный
функциональный узел Для Toro чтобы лоrический эле..
мент выполнял свою функцию, должны быть работо
способны все 1000/0 ero компонентов. Если элемент не
выполняет свою функцию, ero забраковывают.
Друrим решением проблемы является создание инте..
rральных l\lатриц. В данном случае идея заключается в
изrотовлении большоrо числа основных конструктивны'\
ячеек (например, простых лоrических вентилей), испыта..
нии каждой из них, выявлении работоспособных ячеек и
соединении их l\Jlежду собою (при выполнении таких сое..
динений неработоспособные ячейки пропускаются) так,
чтобы получить законченную функциональную систему
или субсистему. До сих пор основные работы в области
интеrральных \1атриц велись на основе биполярных схем
(за некоторыми примечательными исключеНИЯl\lИ). Это,
конечно, не означает, что для создания интеrральных
матриц нельзя использовать МОП приборы. Но в этом
случае элеl\Jlентарная ячейка l\Jlатрицы будет rораздо
сложнее в функционаtlIсНОМ отношении, чем при исполь..
зовании биполярных приборов. (В последнем случае эле
ментарная ячейка может представлять собой простой
четырехвходовой лоrический вентиль.) ДОПУСТИl\l, напри
мер, что заказчику требуется 500 разрядный сдвиrовыЙ
реrистр При ЭТОl\l основным конструктивным элемеНТОl\l
fvl0)KHO считать 50 разрядную ячейку, т. е. сложный
J J Более подробно об этом СМ. в работе [2]
30
r лава 1
ОСНОВЫ теории полевых lv10П траН3llсторов
Зf
элемент, содержащий 50 разрядов (300 транзисторов),
СТ3clовится исходной ячеЙhОЙ матрицы. Чтобы получить
требуеl\fЫЙ реrистр на 500 разрядов, необходимо соеди-
нить последовательно 10 работоспособных 50 разрядных
ячеек (для этоrо потребуется отдельная операuия фото-
литоrрафии) .
5 К созданию более быстродействующих схем. По.
скольку быстродействие сущеСТВУЮIllИХ схем на МОП..
приборах в 100 раз ниже теоретическоrо предела, в
ближайшие несколько лет можно ожидать более суще-
CTBeHHoro увеличения быстродействия МОП.схем, чем
схем на биполярных приборах. l-Iными словами, u леrче
добиться десятикратноrо увеличения быстродеиствия
МОП приборов, чем биполярных. К cy eCTBeHHOMY уве-
личению скорости работы l\10ЖНО приити четырьмя пу-
тями: 1) усовершенствованием самих схем, т. е. при по...
мощи специаЛЬНЬiХ приемов, которые разработчик может
использовать для улучшения характеристик, не изменяя
при этом OCHOBHoro технолоrическоrо процесса; таким
техническим приемом может быть подключение затворов
наrрузочных транзисторов к отдельным источникам или
применение l\fноrотактной CXel\fbI синхронизации; 2) при..
менением новых материалов, например арсенида rаллия,
который характеризуется большей подвижностью носи
телей, чем кремний; 3) применением для изоляции за..
твора новых улучшеНrIЫХ диэле триков, обраЗУI?llI,И
более тонкий слой с более высокои диэлектрическои по
стоянной, чем применяемая в наСТОЯПI,ее время двуокись
кремния; 4) использованием новых технолоrических про
цессов, наПрИl\1ер, таких, как диэлектрическая изоляция
КОlVIпонентов, или создание кремниевых схем на сапф ...
ровой подложке для снижения паразитных емкостеи,
либо метода, позволяющеrо увеличить подвижность но..
сителей в поверхностном слое применяемых в настоящее
время полупроводников.
6. Схемы на МОП"транзисторах с каналами проти"
воположных типов проводимости. ИС на МОП транзи
сторах с противоположными типами проводимос и не
окажvт существенноrо влияния как на современныи, так
и перспективный уровень сбыта однополярных схем Н1
приборах с каналом р типа. Поскольку при изrотовлении
схем на приборах с противополо)кными типами прово-
ДИl\10СТИ неизбежно уменьшение выхода rодных изделиЙ
(так как технолоrия этих CXel\Jl насчитывает больше опе-
раций) такие схемы будут стоить дороже, чем схемы
на транзисторах с ОДНИl\1 типом проводимости. КРОl'ле
Toro, из за увеличения площади, занимаемой схемой,
выполняющей заданную функцию, существенно YMeHЬ
шаются преимущества, связанные с таКИl\1И достоинства-
ми МОП схем перед схемами на биполярных приборах,
как больший выход rодных и l\1еньшие размеры транзи"
сторов. Таким образом, схемы на МОП"транзисторах с
каналами противоположных типов проводимости будут
вынуждены конкурировать со схемами на биполярных
приборах только в отношении характеристик, но не по
стоимости. Схемы на МОП"транзисторах с каналами
противоположных типов проводимости найдут примене
нне при построении l'лаломощных цифровых устройств с
неинтенсивным режимом работы, например в больших
запоминающих устройствах на активных приборах, rде
ва)кно снизить потребляемую мощность. Можно пред-
видеть, что схемы на iV\ОП транзисторах с каналами про
тивоположных типов проводимости будут преобладать
в высококачественных дороrих устройствах, тоrда как
схемы на 1\10П транзисторах с каналом р типа будут
широко применяться в недороrих универсальных устрой..
ствах.
7. Успехи техники МОП..приборов. Полевой транзи
стор со структурой lV\ОП настолько универсален, что
уже современная техника позволяет создать на ero ос...
нове мноrочис.пенные новые приборы, схемы и l\Jlетоды.
Хотя обычно МОП транзистор считают малосиrнаЛЬНЫl\1
прибором с низким коэффициентом усиления, уже де...
монстрировались реальные приборы на МОlltности от 50
до 100 вт 11ачинают появляться и весьма необычные
приборы, наПРИ .1ер МОП тиристоры (КУБ), преобразо..
ватели, элементы с отрицательным сопротивлением и
i\10П приборы, обнаруживающие туннельный эффект.
Широкое разнообразие МОП транзисторов и множе...
ство комбинаций этих приборов, которые можно полу..
чить В пределах одноrо кристалла кремния, с очевид"
ностью указывают на универсальность МОП техники.
32
r лава 1
Формируя cOBlVlecTHo линейные и цифровые :Jлеl\lенты,
l\.IO)KHO реализовать в одном l\fОНОЛИТНОМ кристалле цe
лые подсистемы, выполняющие такие функции, как, Ha
ПрИlVlер, аналоrо uифровое преобразование МаЛОlVI0щные
и мощные приборы мо)кно изrотовлять в ходе единоrо
процесса обычными методаl\1И, создавая таКИl\1 образом
законченные усилители COBl'.1eCTHOe использование
МОП транзисторов и биполярных приборов позволит
улучшить характеристики изrотовляеlVlЫХ устроЙств.
Примерами полезных сочетаниЙ MorYT явиться следую
щие возможности: 1) использование BeCb1\tlа высоких
входных сопротивлениЙ 1\10П транзисторов в схемах на
биполярных приборах, 2) ПРИl\1енение биполярных при..
боров в выходных буферных каскадах 11С, построенных
на МОП приборах, и 3) использование МОП структур
вместе с планарными биполярными прибораlVlИ для
улучшения стабильности, повышения коэффициента уси
ления и напряжениЙ пробоя биполярных приборов.
8. Примеры современных приборов и схем со струк-
турой МОП. На рис. 1.13 и 1.14 прелстав.пены выпускае
мые в настоящее вреlVIЯ приборы и схемы со структуроЙ
МОП. Рис. 1.13 это фотоrрафия сло)кной интеrраль
ной cxeJVIbI со структурой lV1ОП, представляющеЙ собою
64 разрядный динаl\lический сдвиrовый реrистр с ДBYX
тактным запуском. Схема состоит из 413 приборов и pa
ботает как одновходовоЙ последовательныЙ реrистр с
четырьмя раздельными выходами. ИС изrотовлена на
пластинке кремния раЗl\1ерами 1,5X2,5 мм.
На рис. 1.14 изображен мощный 1'Vl0П"транзистор.
На верхней фотоrрафИlf представлен отдельный кри
сталл, а на нижней тот же кристалл, СlVI0нтированный
в корпусе. Размер криста"lла 2,3 Х 3 Лt..'и Транзистор об
ладает большоЙ крутизноЙ ('" Iaj8) и ХОРОШИl\1И частот..
НЫlVIИ свойствами (переКТIючение тока [а осущеСТВ lяет
ся за время менее 20 нее!\.). 1анный ПО,,1евой ..\10П тран
зистор способен переК,,1ючать токи от 1 до 3 а при Ha
пряжениях от 35 до 45 8.
9. Краткие выводы. В течение БЛИLh.аЙших HeCKoLlb
ких лет сложные ие на l\10П приборах, ПО ВИДИМОl'vfУ,
составят значительную часть объеl'vlа ПРОИЗЕf)дства ин
теrральных cxervl. величение сбыта 11C со структ) рои
. » r <? ::=:;\
:.' '" ! '. .: I .,---
......:
'f ....
I j:.. f ## :." .... ..yj
. f ': '".: :. . ..:.' <:;'., : > . t-i'
... « '.' .., .
J.l :;"1 ," .. . FI "& 1;"
1 .{ 'o i; ' :,.I . 1 ...!I!.......i?: .:. ...::: :: : .:.,
'1: . :..' , . Ш. ,tJI, . . 1 : : : :::::. : :
: .' ff. i :'.' ..: ... >: .; tb . . ..Jtm ., .., . w"* "
! .' gt t "i . "1 JqY .... [.dF ';":::
, 'C , jij,ш 1 i Jj ' 1 ;; ,; .....(--> }i::.:::: ".
, 'ii l l . ,«L; I ' [1 ..., . jП 1 ', J "
.11 p ., ,. ,... ".' . -- .." > ttшf . .
; . t .. ;", , ,\ :,' "
. h i , !] , " f!.; ........ ... ., "
' . ( .' .... ji-. ."J .: :.: . :: ; :: : : : :::. : ::: : . . : : : ::. : :. . ::: . : : :.: . . : :. . : ' . :' :: ,.
.ш , t r : .. ' !1 'j { ! .> "".. t
,' ' ;; fьt:! jjg :. i
' if .rt. ' J I.':," ,,;;: ,т"-'71;{ .,"-- ..
-1, . 1 )' . . ;:::.::::;:: :.::::::
. i ' ' ., ..';; i I [ )
.. 11 щ &
, . . I (,.,] [, ,'$
:::..... ........: .:.::.:.::)::;:. .:/::i :) ':.':::'':;:;:' : 6 :::::,:,':::::::::':':::::::: .:::.:::::: :::i:::::)::i: : i::::::::::;;1 .:::::;:.'.:::: '.::.
.. . ." . ......::;: : :?::: : ..:. ?6? { ::.:"::::: ":.'.:.' ..
:: :::::.. ":': ':
:. :.:- -.."
:: :::: .::
...::....
., О......
... ..... .
.,.. <»> ...-:.
. . . :=:". ........х ":": ': ::::':...:.,::. .,::::::: ::
3 3ак 311
f--o
u
::s::
<I)
р..
::s::
:Q
t:r.I
О
::s::
t:r.I
I:::f
'"
::s::
:Q
I:::f
о-
м
C'\J
о-
I
CD
CJ
:s:
о..
:;:.-:-:-
Основы теории полевых МОП транзuсторов
35
I
. '.!iiНj11 пr !:'!f4ffi1!:'1ffi1 ffi1 ii!nirm""
..
I w== = ;
.' " ..' '. ',.Qi1 .й iFr.:'IrnЧ I . rnirn1rтrmrn1r;tt :
{ , 11'11;
d ..' . ..Ь tШ ШfJi::.Iij:;н: .IW i04.IiZ4W . .
МОП произойдет не в результате вытеснения биполяр..
ных }IC, а за счет усиленноrо внедрения интеrральной
электроники. Откроются новые области применения эле к..
тронных устройств, которые ранее были HeДOCTY HЫ для
полупроводниковой электроники по экономическим сооб..
ражениям. Станут ЭКОНОl\1ически осушествимыми такие
устроЙства, для которых требуются orpoMHble количества
транзисторов, например цифровые фильтры и цифровые
дифференциальные анализаторы. МОП приборы реши-
тельно утвердятся в таких областях техники, rде до сих
пор преобладали механические устройства; и одним из
первых примеров этой тенденции являются малые на..
стольные счетные машины.
. . . . . .
. .... . .
:: .000 :":. О:. »;..:... м . ..... \....::..'
. .. .':: :;:<:: ;: ...</ .. ....
t :
t::
' :
.ЛИТЕРАТУРА
1. S е е 1 у J. L., W а n 1 а s s F. М., contributors: ЕЕЕ Specifying
Guide: MOS Integrated Circuits, ЕЕ Е, рр. 60 70, Мау 1966.
2. Р е t r i t z R. L., Large Scale Integration Technology, Traпs. Met.
Soc. А/ МЕ, 236, 235 249 (March 1966).
3. В о g е r t Н. Z., Metal Oxide Silicon Integrated Circuits, SCP aпd
SoLid State Techпol., рр. 30 35 (March 1966).
4. С h r i s t i а n s е n О., ЕЕЕ Specifying Gujde: MOS Integrated
Circuits, ЕЕЕ, рр. 60 70, Мау 1966.
5. Editorial Staff: Planning to Use MOS Arrays? Electroп. Desigп,
рр. 42 45 (Jan. 18. 1966).
6. F i е 1 d R. К., MOS Arrays Diffuse into Commercial Market,
Electron. Desigп, рр. 22 26 (Jan. 18, 1966).
7. L о h m а n R. D., App1ications of MOSFET's in Microelectronics,
SCP aпd Solid State Techпol., рр. 23 29 (March 1966).
В. S е е 1 у J. L., MOS Arrays Have More оп а Chip, Electroп. Desigп,
рр. 90 93 (Jan. 4, 1966).
9. Т h о r n t о n С. G., New Trends in Microelectronics Fabrication
Technology 1965 1966, Part 1, SCP aпd SlJlid state Techпol.,
рр. 42 49 (March 1966).
10 W а r n е r R. М., А Comparison of MOS апd Bipolar Integrated
Circuits NEREM Record, IEEE Catalog .NQ F 70, рр. 68 69,
N ov. 1966.
11. W h i t е N\. Н., С r i с h i J. R., Complementary MOS Transistors,
Solid State Electroп., 9, 991 l008 (Oct. 1966)!
'.
" ...
. .-.... . : .:. . .: :.. . . .
.:.:.;.:...:...;.... ....:.-..
........J;;:.. :..:,..: :.... .. . '.::...
..:..... :: :::... . ':::;.. .. .:....:.: .:.. _ H.. :
.. '; )::;:: ., .::?::. . :'.:.' , .,."'" . , :..
,
:::
....
", .
.. ..
if
'
...::>:'"
".
..:
"
-:
. , .i/ . ,.
. :
Рис. 1.14. Мощный МОП транзистор.
3*
Теория работы полев020 транзистора
37
rлава 2
Соrласно заl\JIЫСЛУ этоЙ книrи, в ней будет изложена
несколько упрощенная теория полевоrо транзистора, а
не детальный и трудоемкий «полный» анализ работы
прибора. Для упрощения модели полевоrо МОП транзи"
стара будет сделано несколько приближенных допуще"
ний. Такой подход облеrчит понимание основных прин..
ципов, лежащих в основе работы прибора. Дополнитель..
ные эффекты, не учитываемые упрощенной теорией, бу..
дут обсуждаться отдельно, чтобы общий анализ не стал
слишком rРОМОЗДКИlVl и запутанным. Леrко увлечься
чрезмерно подробными алrебраическими преобразова..
ниями и упустить из виду действительную цель данной
rлавы добиться понимания работы МQП прибора. Для
тех, кто интересуется исчерпываЮЩИl\Jl анализом МQП..
структур, автор рекомендует статью Ихантола и Мол-
ла [1].
Последующий анализ подразделяется на две части:
в первой дается качественное описание явлений, про
исходящих внутри МОП"структуры, во второй основ-
ное внимание уделено количествеННЫlVl соображениям,
которые при должном их использовании позволяют вы-
вести уравнения характеристик, описывающих полевой
МОП транзистор.
При описании модели полевоrо МОП транзистора
введень] следующие упрощения:
1. Подвижность носителей заряда в канале считает..
ся постоянной.
2. Изменение толщины канала по ero длине пред-
полаrается маЛЫlVl
3. Толщина диэлектрика над областью канала счи
тается значительно большей, чем толщина канала.
4. Паразитные сопротивления (наПРИl\Iер в истоке)
считаются пренебрежи:мо :маЛЫ IИ.
5. Канал считается полностью экранироваННЫl\1 от
стока, так что обратная связь по цепи сток канал от..
сутствует.
6. Концентрация примесей в подложке считается oд
нородной, а ее величина такова, что полупроводник не
является вырождеННЫl\1.
7. Ток стока представляет собою только ток в ка-
нале. Токаl\JIИ утечки l\JI0ЖНО пренебречь.
8. Диэлектрик затвора считается совершенным изо
лятором.
9. Во всех разделах книrи всевозмо)кные внешние ус..
.новия влияющие на проводимость прибора например
ловушки в окисле, поверхностные состояния в креl\JIНИИ,
энерrетические состояния на поверхности раздела, ион
ные центры внутри окисла и разности работ выхода,
будут объединены в один член Qп. с, представляющиЙ
собой единственный действующий заряд. Kpol\Jle Toro,
предполаrается, что заряд Qп. с постоянен по величине
и локализован на поверхности раздела кремний оки
сел
ТЕОРИЯ РАБОТЫ ПОЛЕвоrо ТРАНЗИСТОРА
2.1. КАЧЕСТВЕННЫй АНАЛИЗ 1)
Хотя последующий анализ относится только к поле
вому МОП транзистору с каналом р типа и подложкоЙ
п типа, полученные в результате уравнения приложимы
так)ке и к МОП транзистору с канаЛОl\1 п типа. Для pa
боты МОП прибора важное значение имеют три раз..
личных состояния, или области, возникаЮIl{ие в полупро
воднике вблизи ero поверхности. Это область накоп"
лени я зарядов, область обеднения зарядов и область
инверсии зарядов. Формированием этих областей можно
управлять при помощи внешнеrо смещения подавае
l\10rO на электрод затвора. Вообще rоворя, в случае
ПРОИЗВОЛl:-НОЙ, покрытой окислом поверхности полупро
водника поверхностные, или энерrетические, состояния
на rранице раздела кремний окисел действуют как
ионизованные доноры [3], влияние которых аналоrично
влиянию поло,кительноrо напряжения на затворе.
1) Приведенные в этом разде.пе рассуждения частично повторяют
работ) rpoysa и др. [2].
Теория работы nолевоео транзистора
39
t lL е
[
J. f. F
fl.. ФП=ФF ........ ..... ...----...---- [.
lln.c" Q.. = о
в (t) Е"
ж
р(Х) f(X)
Qn с4- l2 n . c
Qз QM
.1
Q з+ Qn с + Q.., :: о (Jз+ Qn.c+ QM= О
'" l. Qз :l
J Е, k =2Ф, Е.е
Ф{
Uз<О I I [, [,
r :o"' "'--"" Е. '..... ----...----... ...-- Е
............. .v ПоIJ8ижнь е dblPKU I
I
I Ф / I !J пrЯер:r ости
I I E/J (t)/ I [о
а (t) Х р
и
р,х) р(х)
. t Qu
! Qnc
J I .t
X D
Qпс+Qз-=О з {J.з + lln с + QIL + Qt,,4:: О
Q, I
е
На рис. 2.1 а представлена l\'lОП структура, исполь-
зуеrvlая в последующем анализе. Напряжение сток
исток считается пренебрежимо малым. На рис. 2.1, б
показана структура энерrетических зон прибора с ка-
наЛОl\Jl р типа при нулевом напряжении на затворе. Здесь
и на последующих энерrетических диаrраммах исходный
уровень, соответствующий уровню Ферми в собствеННОl\'1
полупроводнике (Р == N == пi), обозначен символом E i ;
считается что этот уровень расположен посередине ме-
жду дном зоны проводимости Ее и потолком валентной
зоны Ev. Поскольку поверхностные состояния обладают
положительным зарядом, отрицательно заряженные
электроны перемещаются из объема полупроводника
п типа и скапливаются у поверхности (х == О). Накоп"
ление заряда приводит к искривлению вниз зоны про..
водимости И валентной зоны. Чеl\Jl ближе в результате
искривления Ее подходит к уровню Фер:ми, который
определяется конuентраuией примесей в подложке,
тем выше оказывается поверхностная концентраuия
а.
Lx Исток р.-типо
х=о
Накопление / 1
t 8 е /"поВВи>кных злектроноб
u е Ее
I
[, О
""'\...-+ ... ... ..... [
'-t ФF n
Ev
Окисел
t u
'ш
Рис. 2.1. Энерr тические диаrраммы и диаrраммы распределе-
ния зарядов, поясняющие работу МОП прибора.
а рассматриваемая структура прибора. Считаем, что в напра
nлении оси х полупроводник имеет неоrраниченную длину;
б энерrетическая диаrрамма для случая наКопления заряда,
обусловленноrо поверхностными состояниями; в распределение
плотности заряда, обусловленноrо поверхностными состояниями;
z распределение плотности заряда, обусловленное поверхност
ными состояниями и положительным напряжением на затворе;
д энерrетическая диаrрамма для случая плоских зон; е....... pac
пределение ПЛОТНОСТ I зарядов для случая плоских зон; ж энер
rетическая диаrра:\1ма для случая обеднения. Концентрация
подвижных дырок у поверхности в точности равна KOHцeHTpa
ции подвижных электронов; з распреде.пение п.п:отности заря
ДОВ для случая обеднения; u энерrетическая диаrрамма для
случая инверсии зарядов; к распределение плотности зарядов
для случая инверсии зарядов.
1 уровень Е F в материале с проводимостью n типа рас..
положен ближе к зоне проводимости, чем к валентной зоне;
1 1 предполаrаем, что уровень Ферми собственноrо полупровод ..
ника расположен в середине запрещенной зоны; /1 1 У поверх
ности полупроводника уровень Е с ближе к Е Р' что свидетель
ствует о более высокой концентрации носителей заряда n типа
вблизи поверхности, чем в остальном объеме полупроводника.
40
r лава 2
э.пектронов. На рис. 2.1, в представ.пены кривые распре
деления плотности зарядов Положительный заряд на
единицу площади поверхности (Qп с) должен быть в
точности ком:пенсирован отриuатеЛЬНЫl\1 заРЯДОl\1 (Qи),
накопленным вблизи поверхности кремния. (Распределе..
ния зарядов приближенно описываются при помощи
дельта функций.) Если теперь подать на затвор l\1алое
положительное Сl\1ещение, то произойдет дополнительное
искривление зон и накопление заряда. И в этом случае
для сохранения электрической нейтральности структуры
полный положительный заряд дол)кен быть равен CYl\1
марному отриuате.пЬНОl\1У заряду (рис. 2.1,2; Qз + Qп. с +
+ Qи О).
Если к затвору приложено отрицательное напряже
ние такой величины, что оно как раз компенсирует влия
ние Qn. с, то никакоrо искривления энерrетических зон не
произойдет; этот случай известен под названием случая
плоских зон (рис. 2.1, д, е; Фп О). Если и далее увели
чивать отрицательное напряжение на затворе, то под-
вижные электроны, связанные с донорными центрами,
будут оттесняться из области канала, что приведет к
образованию обедненноrо слоя; соответствующая струк-
тура энерrетических зон и картина распределения заря
дов представлены на рис. 2.1, ж и з. Коrда из донорноrо
aTOl\1a удаляется электрон, атом становится положитель..
ным ионом. Поэтом) на рис. 2.1, з заряд обедненноrо
слоя изображен как положительный заряд Q'I' Коrда
энерrетические зоны искривятся настолько, что YP BeHЬ
Ферl\1И при х О достиrнет середины запрещеннои зо
ны E i , поверхность полупроводника приобретет соб..
Сlвенную проводимость (Р N) При этом теперь
Фп == Фр. Дальнейшее увеличение отрицательноrо CMe
щения на затворе приводит не столько к увеличеНИIО
обедненноrо слоя, сколько к возникновению на поверхно..
сти положительно заряженных подвижных дырок. Важ..
но отметить, что заряд обедненноrо слоя и поверхностный
заряд подвижных носителей (заряд канала) имеют одну
и ту же полярность (положительную), и потому эффек"
ты этих зарядов суммируются. CYl\1Ma зарядов этих двух
областей должна в точности ко:мпенсировать действую-
щий заряд Qn. с, накопленный в окисле, и заряд на за..
4t
taO
cs
Теория работы nолевоzо транзистора
41
творе Qз чтобы система была Э"ТIектрически нейтраль..
ной. rIo мере увеличения отрицательноrо смещения на
затворе все большая и большая часть заряда в пол)
проводнике создается подви)кными дырками (см.
рис. 2.1, u и к).
До тех пор пока E i не станет равным: E F , KOHцeHTpa
ция подвижных электронов будет превышать концентра..
ЦИIО дырок. За точкой E i Ер концентрация электронов
в полупроводнике становится меньше уровня, соответ"
ствующеrо собственному полупроводнику, а концентра..
uия дырок начинает преВЬПl1ать этот уровень Как мож-
но будет увидеть далее, проводиl\tl0СТЬ между ИСТОКОl\1
р+ типа И стоком (создаваемая носителями р типа) не
;о' u
оудет заметнои по величине до тех пор, пока в MaTe
риале не начнут преобладать дырки, которые и создают
проводящии путь. Напряжение, отвечающее началу
проводимости (или кажущеrося начала проводимости,
как будет показано далее; см. рис. 2.14), можно назвать
пороrОВЫl\1 напряжением U пор и определить ero как та..
кое напряжение, при котором потенциал поверхности,
проЙдя через величину, соответствующую собствеННО tу
полупроводнику, возрастает до значения Фп 2ФF. Та-
ким образом, пороrовое напряжение это такое напря-
жение на затворе, при котором заряд на затворе в точ"
ности компенсирует заряды, связанные с поверхностными
состояниями и с обедненным слоем, а также создает на
поверхности полупроводника потенциал 2ф р. При даль..
неишем увеличении напряжения на затворе кониентра..
uия дырок уве.пичивается и проводимость на участке
l\1ежду стоком и истоком возрастает.
Следует иметь в виду, что начало проводимости не
наступает внезапно, т. е. нет Toro, что при KaKOM TO
определенном напряжении затвора все носители оказы
ваются полностью удаленными из канала и при малом
приращении наПРЯLhения ИЗ в канале тотчас же воз
никает инверсионный слой. С изменением напряжения на
затворе изменяются концентрации основных и HeOCHO .
ных носителей, причем этот проuесс происходит непре
рывно и с конечной скоростью. rолдберr [8, стр. 594]
очень XOpOIllO описал ситуаuию, сказав: «Переход 01
обедненноrо слоя к инверсионному непрерывный про-
42
r лава 2
Теория работы nолевО20 транзистора
43
4,O 10 2
0/00-:'7
накопления зарядов, видно, что металлический затвор и
обоrащенныЙ носителями заряда слой у поверхности
кремния образуют плоский конденсатор, обкладки KO
Toporo находятся на расстоянии t и друr от друrа; HOp
мализованное значение емкости конденсатора С/С О == 1.
Измеряется емкость затвора относительно заземленных
стока, истока и подложки Коrда к затвору приклады..
вается отрицательное напряжение, образующиЙся при
этом обедненный слой стремится удалить обкладки друr
от друrа и таким образом понизить емкость конденса..
тора (рис. 2.2, 6). (Обкладками теперь служат электрод
затвора и объем кремния на rранице обедненноrо слоя.
Расстояние между обкладками равно t и + Хп.) При даль
нейшем увеличении отрицательноrо смещения затвора
дырки скапливаются на поверхности (наступает инвер"
сия), в результате чеrо расстояние между обкладками
hонденсатора уменьшается, а ero емкость увеличи..
вается.
Типичная кривая зависимости С от ИЗ изображена
на рис. 2.2, 2. Участок 1 соответствует накоплению носи..
телей заряда, участок 11 обеднению и участок 111
инверсии. Рассмотрим, как уменьшается емкость в про..
цессе перехода от накопления носителей к обеднению,
коrда образуется слой пространственноrо заряда. При
Фи > 2 ФF заряд в обедненном слое имеет незначитель..
ную величину по сравнению с полным зарядом, посколь
ку образуется инверсионный слой. Быстрое увеличение
емкости показывает, насколько чувствителен инверсион"
ныЙ слой к изменению приложенноrо к затвору напря..
)кения. I,aK только сформирован заметныЙ инверсионныч
слой, емкость становится постоянной и равноЙ прибли
зительна С/Со == 1, приче:м видно. что она не ИЗl\1еняется
при дальнейшем увеличении напряжения на затворе
(подробнее о заВИСИl\10СТИ С от ИЗ см. (2, 5, 6]).
Помимо кривоЙ С ( из), на рис. 2.2, 2 представлеНd
также зависимость "};f , [с I от из. Как будет показано
НИ)Ке, j\10П транзистор является прибором с квадратич"
ной характеристикой, у KOToporo зависимость между на..
пряжением на затворе и квадратным корнем из TOKd
стока представляет собоЙ прямую линию. Продолжая
эту линию до точки [с == О, можно определить пороrовое
цесс и следует знать,
носителей возрастает, коrда концентрация
сителей убывает, и что носители всеrда
в материале».
что концентрация неосновных
основных но..
присутствуют
Контакт
ШfQ.ока ..6 .6 .6 .6
.6 .6 .6 .6
...6 ..6 .6 .е +6
ИОНlLзо8аН!JЫIJ e 6 6 .е
оонорныlL........+ + .. ..
центр Поil8ижныtl
8лсктрон
?оfJлож1<.й п тlJпa
Jлеj{mричеСКl}
неamральныа
odЪCM
полgпро80dника
::r::.. Е 1
-=- СилоВые линии
- злсктРlJческоzо
. _.'.,'.. ПОЛЯ
.. +
}odeOHeHHbfU слои
.э .э .6 +6.э I
..6 ..6 .е .е.е JлекmРlLчеСI<!t
не v ТJральныtl
odЪCM
пол!/проlJоfJНIJI<Q
I<.онтахт
С поiJложкоii
а
б
t:I
1
} Ин6ерсионныu. слоа
1
..6 .е .6 ..6 ..
ПоО8uжные
i/bIPKU .6.6..6..6 fI
Сло'; 1
Слои D.
JлскmрlJ'Iескu
неtlmральныu
о ъем
ПОЛljпоо!JООНUI<О
2.4 'к 10
..Q
Е::
с;:)
tU
1[2 1 >IEI
8
ЦlOр= 2,976
fpкстРfJ.ЛОЛЩJ06о.нное
о з н ачеНl1е)
О
5 4 3 2 1 О +1 +2
U з . В
р и с 2.2. Диаrраммы, ИIlТIIIТIЮСТРИРУЮLЦие раСПОol'Iожение зарядов
под затвором в зависимости от напряжения смеще ия.
а наКОПol'Iение зарядов; 6 обеднение.. ЭIlТIектроны изо pa::H:
вбпизи И онизованных донорных атомов, чтобы наrляднее Р
11 И а' в инверсия
зить равновесие зарядов в объеме ПОol'Iупроводн к,
зарядов. 2 заВИСИ1\10СТЬ емкости затвора С от напряжения на
, Ф J I (И ) Показаны три обol'Iасти характери
затворе и rpa ик с 3 . 1 аря
стики: 1 наКОПIlТIение зарядов, 1 1 обеднение, 1 1 ) инверсия з
дов (прибор с KaHaol'IOM р типа .
Исследование зависимости емкости затвора от на..
пряжения на затворе позволяет rлубже заrлянуть 6hb
физических явлений, происходящих при работе ..
транзистора. На рис. 2.2, а, соответствующем состоянию
44
r лава 2
Теория работы полевое о транзистора
45
2.2. КОЛИЧЕСТВЕННЫй АНАЛИЗ 1)
t Крутая область характеристик 2). На рис 2.3, а
представлена идеализированная схема прибора, свяэан-
Horo с системой координат, которая используется в даль..
нейших расчетах. Вкратце вывод уравнений характери-
стик прибора будет строиться по следующе1\IУ плану:
4. Связь этоrо заряда с напряжение:м на затворе
выражается законом raycca.
5. После этоrо выражение для тока в канале можно
интеrрировать по длине канала L
6. Затем ток в канале :можно приравнять току во
внешней цепи.
Выражение для тока в канале можно записать сле..
дующим образом:
/к == W f J K (х, у) dx, (2.1)
напряжение или напряжение кажущеrося начала прово..
димости В данном слу ае И пор == 2,97 В. Восстановив
перпендикуляр к оси абсцисс в точке И пор , можно на
rрафике емкости определить, коrда поверхностныЙ по..
тенциал достиrает величины 2ф F.
и с
rде W ширина канала в направлении оси z. Величина
W ИЗlVIеряется в направлении, перпендикулярном направ
лению тока.
Соrласно закону Ома,
Напряжения
на 9лсктрооа:с
моп Cm{lYKmиOO
и зп
J к (х, у) == а (х) Е у == qf.! р Р (х) Е у'
так что /" == W f QflpEyp(x)dx ИЛI1
/к== WQfloEy f p(x)dx
(2.2)
(2.3)
Внсшние
элсменты
а
ии,
6
[f.lp есть величина постоянная, не зависящая от х (допу..
щение 1); причем flp число положительное, тоrда как
fln отрицательное].
Поскольку Еу == (dU/dy), то
dU f
[к == W!lp dy q Р (х) dx,
(2.4)
Рис. 2.3.
а схематическое изображение МОП -прибора; указаны раз..
меры и напраВIIТIения, ИСПОIlТIьзуемые для анализа; 6 схе:\1:а, ИIlТIЛЮ
стрирующая внутренние и внешние 311ТIeMeHTЫ МОП CTPYKTYpы.
I'де q f p(x)dx представляет собой подвижный заряд на
единицу площади (поперечноrо сечения) канала. Теперь
задача сводится к определению q f р (х) dx. Поскольку
для обеспечения электрической нейтральности МОП..
структуры су:мма всех зарядов должна равняться нулю:
Qз + Qп. с + QK + QM == О, (2.5)
1. Для определения величины тока в канале прово-
дится интеrрирование плотности тока в канале по ero
сечению (Wdx).
2. Ток в канале при этом рассматривается функ-
цией заряда в канале.
3. Величина этоrо заряда определяется путем при-
равнивания нулю общеrо заряда системы.
1) Частично материаllТI этой rllТIaBbI взят из работы [3].
2) В американской литературе этому термину соответствует тер-
мин «триодная оБIlТIасть», или «триодный режим». При и. ред.
rде Qз+ Qп. с соответствует всем заряда1\1 вне полупровод..
ника, а Qи+ QM всем зарядам внутри полупроводника.
ТаКИ1\1 образом, заряд в канале равен
....... QK == Qз + Qп с + QM
(2 6)
46
r лава 2
iеория работы nолевоео транзистора
47
Заряд, индуцированныЙ затвором, можно связать с
напряжениеrvI на затворе при помощи закона raycca,
f Е dS == Qобщ (2.7)
и Е
S
Уравнение (2.1 1) является математическим выражениеl\l
для ПОДВИ)l{ноrо заряда Следует иметь в виду, что это
тот заряд, который обеспечивает проводимость канала
между стоком и ИСТОКОlVl. Заряд Qи можно увеличить
путеl\1 повышения напряжения на затворе; уменьшить
за счет повышения потенциала в канале И (у), обуслов"
ленноrо напряжением на стоке, или за счет заряда в
обеднеННОl\I слое QM, а также увеличить или уменьшить
путем изменения Qп. с в зависимости от ero знака.
В дальнейшем интересно будет исследовать условия, не..
оБХОДИl\Iые для Toro, чтобы сделать заряд в канале рав"
ным нулю.
Заметим, что Qи == q f р (х) dx; в правой части стоит
неизвестный интеrрал из уравнения (2.4). Подставляя
(2.11) в (2.4), получим
dU
/к == Wf.!p dy { [Из И (у)] С ---- (Qп. с + QM)}. (2.12)
Это означает, что, интеrрируя напряженность поля Е
по данноЙ поверхности (в нашем случае по области за
твора или канала) _ можно получить величину, равную
отношению заряда к диэлектрической проницаемости (в
данном случае окисла). В уравнении (2.7) Е и считается
постоянной для данноrо расстояния по оси у (ДОПУlЦе-
ние 3), а дифференuиал dS равен дифференциалу пло..
щади затвора Wdy, так что соотношение между полем
и зарядом в канале принимает вид
еиЕ и W dy == Qобщ. (2.8)
Величина Е и определяется выражением dИи/dх, rде
d ИИ напряжение на слое окисла, а dx толщина окис..
ла. При этом
dU и j,U и
dX ,
Вынесем С за скобки
IKdy== W рСdU{[Uз U(У)]+ Qп_сс+Qм }. (2.13)
Теперь I\10ЖНО проинтеrрировать уравнение (2.13) от О
до L по длине канала и от О до И С по напряжению:
rде L\x == +/и L\И и == {ИЗ И(у»). Так что
dU и Uз U(у)
dx t и
(2 9)
L r ис и с и с ]
IKf dy== W "C Uзf dU f U(y)dy+ Qп_с/Qм f dU ,
о о о о
IKL == U pC (uзu с 1/2U + Qп сс+ Q" uJ.
1 ак как С == Co/WL, то
..... с о Jl р ____ ____ 1 2 ]
/к L2 [ (Из И пор) И С + /2 И с
(2 14)
(Напряжение на слое окисла равно разности потенциа-
лов затвора и канала. ПОlенциал в канале зависит от
расстояния в направлении оси у; этот потенциал изме..
няется от И С у стока до нуля у истока.)
Подставляя (2.9) в (2.8) и считая, что 8и//и == С (ем-
кость на единицу площади), ПОЛУЧИIvI
Qз==[Из U(у)]С (210)
Уравнение (2.10) выражает связь fvlежду y e.т:ЬHЫM за..
рядом под затвором и произведением удельнои емкости
затвора на падение напряжения в слое ОК lсла Под-
ставим в (2.6) заряд затвора, определенныи из выра-
жения (2.1 О),
QK == [Из ---- И (у)] С (Qп. с + Q l) (2.11)
rде И пор == (Qп. с + QM) jC. (Член, содержа[ций поро
rOBoe напряжение, будет рассмотрен подробнее в разл.
2.3. )
Уравнение (2.14) можно также записать в виде
/ к == [ ---- (И 3 И пор) И с + 1/2 И ] ,
(2 15)
48
r лава 2
Теория работы полевоео транзистора
49
rде == Wfl р 8 и /Lt и . (В соответствии со знаком fl величи"
на p положительна, а n отрицательна.) Теперь ток в
канале, определенный уравнением (2.14), связывается с
током стока (рис. 2.3, а) простым соотношением:
I н + Iс == О, или 1м == /c. В окончательном виде ypaB
нение для тока стока прибора, работающеrо в крутой
области характеристик, выrлядит следующим образом:
Iс== [(из Uпор)Uс 1/2 U c] 1) (2.16)
(Уравнения, описывающие характеристики 1\t\ОП транзи"
стора, сведены в табл. 2.1.) Травнение (2.16) использо
вано для построения той части характеристики, которая
соответствует крутоЙ области для прибора с канаЛОl\1
р типа. Эти характеристики представлены на рис. 2.4.
Проиллюстрируем нахождение точки Рl на рис. 2.4 про..
стым численным примером
Полаrая, что == +880 МКМО/8, ИЗ u пор == 5 8,
И с == 2 8, получим
[с == 8,8 Х lO 4 [+ ( 5) Х ( 2) 1/2 Х 22] == 7,04 ма.
Выходной ток в крутой области характеристики заВli..
сит от напряжения на стоке, и таким образом участок
прибора, заключенный между истоковым и стоковым вы..
водами, ведет себя как резистор, сопротивление KOToporo
зависит от напряжения на затворе. Используя прибли..
жение для случая малоrо сиrнала, можно установить,
что сопротивление этоrо резистора изменяется линейно
и является реrулируемым. Вблизи начала координат и
в тех случаях, коrда \ и с I I из И пор , резистивные
характеристики почти линейны в некотором диапазоне
токов и напряжений. Поскольку характеристики прохо..
дят через начало координат, это позволяет предполо..
жить, что МОП"транзистор может быть использован на
переменном или постоянном токе в качестве управляемоrо
напряжением резистора (рис. 3.9).
Уравнение (2.16) выведено в предположении плав
Horo изменения канала (допущение 2), и оно справед..
ливо только в том случае, если iU('I IИз Ипорil).
Коrда IUcl> Из Ипорl (2.18), прибор переходит в об
ласть насыщения тока или перекрытия канала, и тоrда
нужно рассматривать друrую :модель прибора. Кроме
Toro, уравнение (2.16) несправедливо и в области малых
токов, коrда ИЗ И пор . В этом случае инверсионный слоЙ
не успевает сформироваться полностью, и силовые линии
электрическоrо поля затвора заканчиваются на сравни..
l\tlbIX количествах подвижных зарядов (в области канала)
и неподвижных зарядов (в обедненном слое под кана-
лом). Ввиду этоrо напряжение на затворе не может
) правлять проводимостью канала в соответствии с урав..
нением (2.16). Нижняя rраница для напряжений на за..
творе, при которых уравнение (2.16) все еше справедливо,
1) При выводе уравнения (2.16) преДПОIlТIаrалось, что сопротивле
ния в цепях стока или истока отсутствуют (ДОfJущение 4). Влияние
этих паразитных сопротивлений Rc и Rи леrко учесть. Эти знешние
СОПРОТИВIIТIения изображены на рис. 2.3, 6, rде они показаны находя
щимися «вне» собственно л.,\ОП транзистора. Левая часть уравне-
ния (2.13) интеrрируется от О до [, правая часть от и дО И
Интеrрирование дает
Ic [(ИЗ И пор) (И И ) J 2 (и 2 и 2)]. (2. 16а)
что предстаВIIТIяет собой выражение д 7JЯ тока стока в крутой об
ласти характеристики. Уравнение (2.16а) можно связать с напряже-
ниями на выводах прибора, введя два ДОПО.ilнитеollЬНЫХ со\)тношения:
, ,
И С == И С 1 cRc' U и == /сRи.
1) БОIlТIее ТОЧНDIЙ анализ проведенный Ихантола [1], показывает,
что, в то время как уравнение (2.16) справедливо для участка вбли
зи начала координат, вблизи точки насьпцения оно является лишь
приб.пиженным. ДIlТIЯ улучшения точности предстаВIIТIения характери-
стики на участке вблизи точки насыщения, или перекрытиq канала,
ИхаНТОIlТIа предлаrает БОIlТIее точное уравнение
lc == {(ИЗ И пор ) И С 1/2И
2/з1 Kll [(1 И С 1+ 21 Фр r )8/2 (21 Фр 1 )8/ 2 ]}. (2.16в)
т ок насыщения мо)кно записать в виде
(Из И пор )2
[с ==
1 Rc (ИЗ И пор ) + J 1 2 Rc (ИЗ U пор )
Коrда I И (' , 2 r ф F (, ПОСIlТIеднее уравнение сводится к более про
стой форме
(2.166)
lc === [(UЗ U пор ) и с 1/"2.и + 2/ з К 1 U с V I И С , ].
(2.16r)
4- 3ак. 31'
50
r лава 2
Теория работы nолевоео транзистора
51
со)
..... 6
и и -:. 38
з3 110\1
(2.19)
ким образо:м в первом приближении становится незави
сящим от напряжения на стоке Перекрытие канала Ha
ступает в результате Toro, что напряжение на слое окис
ла падает ниже критическоrо значения Омическое паде
иие напряжения в канале является одним из факторов,
вызывающих уменьшение электрическоrо поля Коrда
напряженность Е и уменьшается до такой величины, что
уже не может поддерживать в заданном участке канала
достаточную концентрацию подвижных носителей заряда,
тоrда толщина этоrо участка уменьшается примерно до
нуля, и rоворят, что канал перекрыт. Общая форма ин..
версионноrо слоя приведена на рис. 1.1.
Существует два приближенных метода определении
rраницы между крутой и полоrой областями характерн..
стики. Соrласно первому методу предполаrается, что За"
ряд в канале в момент перекрытия равен нулю. Матема..
тически это выражается путем приравнивания нулю пра..
вой части уравнения (2.11):
[ИЗ и(у)] с == (Qп. с + QM). (2.17)
соответствует равенству концентрации носителей в
канале и примесей в объеl\1е полупроводника: Рнанал ==
== N д . Это имеет место в том случае если уровень Ферми
для собственноrо полупроводника деформирован таким
бразом, что Фп == 2фр (рис. 2,1, u и 2.2, с, а также [1, 4,
I 9]). Подробнее этот вопрос будет рассмотрен в
разд. 2.3.
14
8
Ур. (2.21)
12
-10
7,04Ma
с:3
4
,
"<,ПроiJолж.енu.e ур. (2.16)
, 1 2 u. = 28
-2 .4 6
и с = (U33 и ПОР ) = З6
10 12 14 1& 18
и с , 6
Поскольку наибольший потенциал в канале наблю..
дается у CToKoBoro конца, при повышении I И с I перекры"
тие канала наступает со стороны стока. Таким образом,
И(у) в уравнении (2.17) можно заменить на И с. После про
стых преобразований уравнение (2.17) приводится к виду
И С == ИЗ И пор , (2 18)
rде Uпор== (Qп.с+Qм)/Сl).
Уравнение (2.18) является математическим выраже
нием rраницы l\1ежду крутой и полоrой областями харак"
теристик МОП транзистора, построенных на рис. 2.4.
Справа от rраничной линии прибор работает в полоrой
области, и и с 1> I ИЗ ['пор ; слева от этой линии при..
бор работает в крутой области при которой И С < I UЗ
И пор \.
Второй метод определения rраницы :между областями
характеристик можно отыскать анализируя уравнение
2
о
Рис. 2.4. Расчетные характерис ти 'ПI ...м.ОIl транзистора.
Ilредпо.паrается, что равно + 880 мкмо/в
2. Полоrая область характеристик 1) При данноl\tl
напряжении на затворе И з \ > I И пор I по l'лере увеличе..
ния (по абсолютной ве.пичине) напряжения на стоке от
нулевоrо значения ток стока увеличивается сначала ли..
нейно затем скорость ero возрастания уменьшается, и
наконец при достаточно бо ТIьших значениях I И с I ток
стремится к постоянноЙ величине Прекращение возр:t..
стания тока связано с перекрытием канала вб.пизи стока.
I\.aK только канал перекрыт, ток стока достиrает Hacы
щения (остается постоянным на даННОl\f уровне) и та..
1) в американской литерат) ре этому термин! соответстпует Tep
м ИН «режим насьпцения», иди «пеНТQ J.ный режим». 11 рим. ред.
1) Отметим, что полученное здесь выражение для напряжения
перекрытия в точности совпадает с выражением (2.14) для пороrо
Boro напряжения. См. примечание к разд 1.2, rде рассматриваются
напряжение перекрытия и noporOBoe напря)кение.
4*
52
r лава 2
Теория работы полевоео транзистора
53
(2.16). При данных пороrовом напряжении и напряже..
Нии на затворе величина тока стока возрастает при YBe
личении и с I от нулевоrо значения. Сначала домини..
рующую роль в увеличении Ic иrрает член (uз U пuр ) и с .
Однако вскоре значительный вклад начинает вносить
квадратичный член, а это приводит к тому, что СКОРОС1Ь
повышения тока снижается. При некотором напря)кении
на стоке величина 11 с I достиrает максимума. После этой
иэ
Как только достиrнуто насыщение тока, падение Ha
пряжения на инверсионном слое в канале приобретает
тенденцию сохраняться постоянным и равным U З U пор
независимо от и с . В первом приближении это постоян
ное падение напряжения на постоянном сопротивлении
канала может быть создано постоянным по величине то..
ком стока. В области насыщения тока выходные харак"
теристики прибора (например, те, что представлены Нё!
рис. 2.4) можно приближенно изобразить rоризонталь-
ными прямыми. Уравнение для тока при насыщении мо"
жет быть найдено путем подстановки и с == UЗ U пор }3
уравнение (2.16). После преобразований получим 1)
[с == t (ИЗ И пор )2 (2.19)
Уравнение (219) справедливо при \и с \ > IUз U пор '.
(Все уравнения, описывающие полевой МОП транзистор,
сведены в таб.1. 2.1.)
Уравнение (2.19) отражает квадратичную зависи..
мость тока стока от напряжения на затворе и отражает
также то, что ток стока не зависит от напряжения н j
стоке. (Квадратичные характеристики передачи l\10ЖНО
увидеть на рис. 2.5.) Область насыщения тока, показан..
ная на рис. 2.4 пунктирными линиями, получена из урав..
нения (2.19). Выходные характеристики реальноrо моп-
транзистора показывают, что ток стока не постоянен и
фактически является функцией напряжения на стоке По-
этому нужно разработать модель прибора, в котороЙ
будет учтена конечная величина выходноrо импеданса,
что отображено на рис. 2.6.
«У МОП транзистора, работающеrо в режиме насыще..
ния тока, имеются две основные составляющие обратной
+ [с
t.
J 't-
'J)\\Y
'(.
O \Y
C Канал 'f.'(.'O
п ти.па fJ
",-r.о I).u,
, .J
J t-
,l 'Q
'"
ИнiJUЦl1роDанныи
I<анал
и =-0
з
Рис. 2.5. Квадратичные передаточные характери-
стики МОП транзисторов
точки, соrласно уравнению, ток должен начать умень-
шаться. Однако в точке максимальноrо тока прибор до..
стиrает состояния насыщения тока, и требуется иная мо-
дель прибора и иное уравнение характеристик. Вот по..
чему не наблюдается уменьшения тока. Чтобы показать
это, на рис. 2.4 ПУНКТИРНЫl\1И линиями изображен rpa
фик уравнения (2.16) вправо от точки насыщения, по..
строенный при U З И пор == 3 8. Чтобы найти макси-
мальную величину тока 1 с " надо продифференцироваТl)
уравнение (2.16) по напряжению стока и приравнять ре..
зультат нулю. Решая полученное уравнение, получим из-
вестное уже выражение (2.18): И с == ИЗ U пор .
1) Уравнение (2.19) выведено из уравнения (2.16) и как таковое
не содержит Ч f}ена 2/31 К 11 [( I и с I + 21 <Р F I У/2 (21 <р F 1 )3/2, {оторый
имеется в уравнении (2.16в). Анализ rрина и СО f}дано [10], прове
ленный с учетом этоrо Ч f}ена, лает выра)l(ение, точность KOToporo
выше, чем уравнения (2 19)
Р ( , ) 2
1 с == 2" и 3 и пор ,
(2.19a)
r де U op == I и пор I + 2/з1 к 1 I 1 и з и пор I
54
r лава 2
т еория работы nолевоео транзистора
55
т а6лица 2.1
Знаки зарядов и напряжений при разных режимах работы
приборов с различными типами проводимости
(в первом приближении) от потенциала стока Символом
L T обозначена полная длина канала от истока до стока,
n р
ТИП
ПрОВОДИМQСТИ индуциро I индуциро I
канала ванный встроенный ванный встроенный
И пор ИIlТIИ И О + +
Qп.с 1) + + + +
QM + +
Подложка С примесью р типа С примесью n типа
Иi пор + +
U п . с
и с , о
10 5
90
1 ,
НакЛОН пряМОll
ПDказыоаg 1i
что Dы:СО н R
Н е паиСН
иМП 8 а O КОМ
примерно
2
108
11B
1) Заряд Qп.с обычно предстаВIIТIяет собою ионизованную до..
норную примесь и потому действует как положитеllТIЬНЫЙ заряд.
Таблица составлена в предполо)кении, что отсутствуют источ
ники дополнитеol'IЬНЫХ эффектов, например при меси в KaHallТIe,
воздействующие на веol'IИЧИНУ U пор, И что I Qп.с I > I QM ,.
из = 1 В/ступень
Рис. 2.6. Во.пьтам.перная характери
стика МОП транзистора, иллюстри"
РУЮJ.цая конечность величины выход-
Horo импеданса.
ПроВоIJЯЩI1i1 кана.л .,
аЛf1 f1HDepcl1oHHbI/J, СЛОI1
НаПjJ.3 ж еНl1е на аат60РС
поiJilержиJJастся
постоянным
11 рапным из
МетаЛЛl1чеСК/J,LL зат80Р
РСZ{jЛI1Р.l/емос напряжеНl1е
на Стоке и с
Окисел
связи, участвующие в реrулировании величины за..
ряда в области... канала. Одна из них представляет co
бою непосредственную электростатическую связь l\Iежду
электродо:м стока и [канаЛОl\I)... через практически изо..
лирующую подложку... Друrая обусловлена модуляциеЙ
длины [канала] напряжениеl\I на стоке. Обе эти состав..
ляющие обратной связи действуют «параллельно»; какач
из них будет преобладать, зависит от характера расс:ма1"
риваеl\tIОЙ структуры» 1) .
Модуляция длины кана la. На рис. 2.7 изображена
структура области канала, использованная при построе..
Нии модели прибора для случая конечной величины BЫ
ходноrо импеданса, обнаруживаеl\tl0rо у полевоrо МОП..
транзистора при насыщении тока На чертеже видны две
rлавные особенности структуры: 1) обедненный слоЙ про..
стирается в область канала, и толщина этоrо слоя зав и..
сит от напряжения на стоке и 2) падение напряжения на
участке канала, начинающеl\IСЯ от истока, не зависит
:-:: '. .:: .. :. . О..::.: . ., :: ": .. .. . ..: : .:' . :......,:.... :: .::-i :: .. _:. :":.: :.- :,":-:' .:::.: "..:;;!;.:
Исто/<
Сто/<
--- --- ---
L
L,
МетаЛЛУРZllческиu
p п персхоiJ
..............__.....
(раНl1ца
o(feoHeHHOZO
слоя
\ Пооnожка п тцпа
Б
рис. 2.7. Схематическая модеol'IЬ, ИСПОol'Iьзуемая при расчете KO
нечноrо выходноrо импеданса.
А напряжение И С на стоковом конце обедненноrо СIlТIОЯ; Б Ha
пряжение И С (ИЗ И пор ) на обедненном слое у поверхности
между KaHaol'IOM и стоком.
1) Из работы [11]) стр. 136.
СИ IВО.JIОl\1 L расстояние от точки перекрытия кана ТУа
до стока. Разность L T L' представляет собой эффектив-
ную длину канала.
56
r лава 2
Теория работы полевО20 траНЗllстора
57
Ранее указывалось, что напряжение на канале имеет
тенденцию оставаться постоянным и равным ИЗ И пор ,
как и показано на рис. 2.7. Любая разность между по..
тенциалом стока и падением напряжения на канале ОКа"
зывается приложенной К обедненному слою у поверх..
ности полупроводника (длина этоrо слоя обозначена L ).
Падение напряжения на этой области равно И С
(из И пор ). Коrда И С повышается, величина L' воз..
растает, чтобы скомпенсировать дополнительное напря..
жение. Таким образом, l\10ДУЛЯЦИЯ величины [' напряже..
нием на стоке приводит к модуляции эффективной Длины
канала L LT L' [1]. Увеличение напряжения на стоке
ведет к уменьшению длины канала и, следовательно, ero
сопротивления. Для сохранения постоянным падения на..
пряжения на канале из И пор ток стока должен возра..
сти так, чтобы компенсировать уменьшение сопротивле..
IiИя канала. Это увеличение тока с увеличением выход..
Horo напряжения представляет собой положительную
обратную связь, которая обусловливает конечное значе..
ние выходноrо и:мпеданса прибора, что l\IОЖНО видеть на
рис. 2.6.
JТравнение (2.19) можно преобразовать так, чтобы в
нем была учтена конечная величина вы'{одноrо импедан"
са прибора. Расстояние L, представляющее собой эффек"
тивную длину канала, следует заменить на [ т [', а Be
личину L' рассчитать, исходя из простой теории р п..
перехода
рактеристик полученных из уравнений (2.16) и (2.21),
представлено на рис. 2.4.
Хофстейн и Уорфилд [11] показали, что в случае мо"
дуляции длины канала выходная проводимость прибора
20 50 КОМ
О с ="lDВ
NE25
i--
N°1
L' == 1
2f п [ И С (ИЗ И пор )]
qN
(2 20)
16
.
12 .
.
t::) .
--
.
.
.... 8 i-- .
со.)
d .
("j
c:::r) .
--
.
.
4 --
.
.
.
i--
:
.
100 ХаМ
с:"
'-
.. 250 КОМ
.. 0,5 МОМ
.. 1 МОМ
о
I
..1
I
I
..3
rде N концентрация ПРИl\1есеЙ в подложке. Тоrда урав..
нение (2.19) можно переписать в виде:
L T
I с == I сО L L' , (2.21 )
т
..2
[с, ма
Рис. 2.8. Зависимость выходной проводимости от тока стока.
Точками отмечены экспериментальные данные.
rде 'co== ( /2) (Uз И по р ) 2 I u ==и и (ток стока в точке
с з пор
насыщения или перекрытия канала).
Уравнения (2.20) и (2.21) показывают, что при воз-
растании напряжения на стоке увеличивается L', что вы..
3)JI13aeT vвеличение тока стока. Семейство выходных ха-
прямо пропорциональна току стока. Этот вывод под-
тверждается данными рис. 2.8, rде представлен rрафН1<
зависимости gc. нас от 1 с, построенный по результатам из-
мерений на реальном приборе. Кривые показывают, что
проводимость стока является действительно линейной
функцией тока стока. Таким образом, можно придти к
заключению, что для двух приборов, характеристики
58
tлава
Теория работы полевоео транзистора
59
которых приведены на рис. 2.8, преобладающим механиз
мом обратной связи является модуляция длины канала.
Хофстейн и Уорфилд [11], а также Редди и Са [12]
независимо друr от друrа пришли к выводу, что этот тип
обратноЙ связи аналоrичен эффекту Эрли, наблюдаемому
в биполярных приборах 1) .
Электростатическая обратная связь Me дy стоком u
каналом. Если концентрация примесей в подложке МОП
Коrда доминирующей обратноЙ связью является элек-
тростатическая обратная связь, проводимость стока, как
показали Хофстейн и Хейман [14] прямо пропорциональ-
ИстокоВая
ооласть
канала
Сток
60
50 dl cHrte I
"> gCHfLC= аи '
С ис>из илор о
t::::> 40
из = const
)(
"........
t.::J CJ 30
"-
со)
d
з:
c.f'
........... 20
10
О
0,4 0,8 1,2 1,6 2,0
(Uз Uпор )/и пор
ии.
Исток
из
Изолятор
и с
Рис. 2.9. МодеllТIЬ, ИIlТIoi1ЮСТРИРУЮ!llая элек
тростатическую обратную связь от диф
фузионной обol'lасти СТОКа к KaHaol'lY (по
Хофстейну и УОРфИol'lду [11] ).
Концентрическими окружностями
изображены oI'1инии Эol'lектрическоrо П:)IIТIЯ.
Рис. 2.1 о. rрафик зависимости
gc. нас/Оо ОТ (ИЗ Uпор/Ипор) (по
Хофстейну и Хейману [14]). 00 не..
модулированная проводимость ка..
Haol'la. ТреуrОIlТIьниками обозначены
реЗУol'lьтаты измерений ДIlТIЯ при
бора N 1 (И пор == 2,5 в, Ro== 10,5 ком),
кружками реЗУIlТIьтаты измерений
для прибора N 2 (И пор == 4 в,
Ro == 18,5 ком).
прибора достаточно мала, то поле стока 1V10)KeT прони..
кать в KaHaJl. Модель прибора при указанном условии
представлена на рис. 2.9. Поскольку для находящихся n
канале зарядов безразлично, откуда идут заканчиваю..
щиеся на них силовые линии от стока, на которыЙ по
дано отрицательное с:мещение, или от смещеtIноrо в об-
ратном направлении затвора (в приборе с каналом p
типа), то изменение напряжения на стоке приводит h
модуляции ПрОВОДИi\'IОСТИ канала. ТаКИi\'1 образом, сток
с.пужит не только коллектором носителей, движущихся
от канала, но и упраВЛЯЮЩИi\'1 элеКТРОДОlVl.
на эффеКТИВНОl\1У напряжению на затворе (ИЗ И пор ).
Это иллюстрируется rрафиком на рис. 2.10.
2.3. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СООБРАЖЕНИЯ О пороrовом
НАПРЯЖЕНИИ
1. Физические соображения. Пороrовое напряжение,
входящее в уравнение (2 14) выражается фОРlVlУЛОЙ
и Qп. с + Q\f
пор == с J
(2.22)
1) Эффект ЭрllТIИ в биполярных транзисторах за к lючаетсq в MO
ДУIlТIЯЦИИ толп ины базы KOIlТIIIТIeKTopHbIM напряжением, ЧТО обус.повли
вает конечность величины выходноrо И'fпеданса [13]
60
r лава 2
Теория работы по teBozo транзистора
61
rде Qп. с эффективная плотность заряда поверхностных
состояний (на единицу поверхности), QM плотность
объемноrо заряда обедненной области канала, С удель-
ная емкость затвор канал, равная Би/tи.
1014 2
5 1015 2 5 101& 2
N. атом с м 3
а
2
100
5
CIC:»
2
10
5
2
5 1017 0.1
расположен заряд поверхностных состояний Qп. с, а ниже
канала заряд обедненной области QM.
Заряд обедненной области QM можно определить Hd
основе простой теории р п перехода (см. [15], cTp.2I):
для случая, коrда Nианал »Nподлож.на, величина QV1 рав-
на произведению толщины обедненноrо слоя (XD) на
плотность заряда в подл ожке, Т. е.
Q (2епФп 1/ 2
м == 1 qN qN == у qвпN 2,р ,
(2.23)
.... 2
IUrnopl Il v2qenN ) Уа (2.24)0t>-
u. с. по
. 1 :JU
К , t Df:o.
\000
1
18
5
CIC:I 3 00
2.0
rде Фп == 2 ФF, N == N д для прибора с подложкой n типа
(прибора с каналом р типа) и N == N a для прибора с под
ложкой р типа (прибора с каналом п типа) (Остальные
веТIИЧИНЫ указаны в списке обозначений в конце книrи.)
Напряжение на затворе, необходимое для создания
этоrо заряда, определится из уравнения (2.22) в виде
U i пор == + == КI r 2фр 1), (2.24)
rде Кl == + ( tи/Б и ) V2qв п N (<<+» для канала р-типа,« »
для канала п типа)
Следует отметить, что постоянная, связывающая Ha
пряжение затвора с зарядом в полупроводнике, пред
ставляет собой емкость конденсатора затвор канал
С (С == Би/t и ). Можно считать, что выражение (2.24) описы
вает «собственное» пороrовое напряжение В идеальном
5
kT No. )
Ф, = q Ln. 11; ур (2 25
400
10,0
5,0
200
Q::)
1,0
$- 0,5 lиlпорl=' v'2qепN I+12ФFI
МОП пРlJ.dор
с каналом IJ ти.na, aJlюмuнuе8ыu затВор
о
о
1014 '1
5 10 15 1
5 10142 5 1015 2 5 10162 5 101'1
N, СМ J
d
1) Для прелставленной здесь простой модели «собственноrо»
пороrОБоrо напряжения предполаrается, что обедненный слой под
каналом обеднен настолько, что на этом слое поддерживается по
стоянное падение напряжения 2ФF (см. работу Ихантола [1]). При
этом условии концентрация носителей в канале (дырок) равна KOH
центрации примесей в подложке N д (см. работы Термана [4] и
Брауна [7]). В этом упрощенном анализе предполаrается также, что
обедненный слой по всей длине имеет прямоуrольную форму. Более
точное рассмотрение формы этоrо слоя дается в работе rappeTa
Бреттейна [91. «Точный» расчет приведен в работе rолдберrа [8].
Более точный расчет пороrовоrо напряжения дали Са и Пао [18].
Они получили U i пор == J KI , f 2Ф F f + J 2ФF [, что отличается от выра.
жения (224) наличием Ч7Jена 2ФF' rрафик зависимости пороrовоrо
напряжения, представленноrо в виде суммы ЭТИХ двух Ч..ТIенов
(K 1 V 2ф F из рис. 2.11, а и 2Ф F из рис. 2.11, 6), приведен на
рис. 2.111 В.
Рис. 2.11.
а --- U пор (N), KI (lV); 6 Ф F ('V); в U i пор (lV) (по Са и Пао [18] ).
Физически уравнение (2.22) lVI0ЖНО истолковать сле-
дующим образом: И пор определяет напряжение на за
ТБоре, неоБХОДИI\10е для Toro, чтобы по существу нейтра
лизовать неподвижный заряд, расположенный выше и
ниже канала. Любое дополнительное напряжение на за..
творе, превышающее И пор , создаст заряд на затворе, ко-
торый должен быть нейтрализован paBHbIl\1 по величине
зарядом подвижных носителеЙ в канале Выше канада
62
r лава 2
т еорuя работы полевое о tpafl3UCTopa
63
1) СМ. [15], стр. 214.
рис. 2.5.) Подставляя типичные значения величин в ypaB
нение (2 26), получим значение пороrовоrо напряжения,
обусловленноrо поверхностными состояниями; предпола
rая, что t и == 1500 А. и Ем == 1/3 пф/см, находим, что
lJ п . с == 2,88 8.
Полное noporOBoe напряжение равно алrебраической
rYl\1Me собственноrо пороrовоrо напряжения и пороrово"
ro напряжения, обусловленноrо поверхностными состоя-
ниями. Из уравнений (2.24) и (2.26) имеем.
U пор == U i пор + U п. с, (2.27)
U пор == 1(1 Рп + И n . с ,
rде Кl == + (tи/Еи) V2q8 п N, Фп ::z: 2 ФF.
Сложив величины пороrовых напряжений, найденные
выше, получим типичное значение пороrовоrо напряже-
ния для прибора с каналом р типа
И пор == 0,6 2,88 == 3,48 8.
Отрицательная полярность пороrовоrо напряжения у
МОП транзистора с канаЛОl\1 р типа означает, что этот
транзистор имеет индуцированный канал (рис. 2.5). OT
риuательная полярность пороrовоrо напряжения у МОП
транзистора с каналом п типа означает, что этот транзи
стор имеет встроенный канал И пор == + 0,6 2,88 =:::
== 2,28 8.
2. Смещение подложки. Коrда к подложке приложе
но смещение, происходит модуляция проводимости ка-
нала. Таким образом, подложка может действовать как
второй затвор, и в самом деле ее иноrда называют ниж-
ним затвором. Поскольку при диффузии примесей в под
ложку для образования областей истока и стока форми..
руется р п переход, некоторые свойства подложки де..
лают ее более похожей на затвор полевоrо транзистора
с управляющим р п переходом, чем на затвор МОП
прибора. Входной импеданс этоrо управляющеrо элек..
трода значите ьно меньше импеданса OCHoBHoro (Bepx
Hero) затвора. Величина этоrо импеданса имеет тот же
порядок, что и импеданс смещенноrо в обратном напра-
влении диода большей площади. Токи утечки, которые у
BepxHero затвора практически равны нулю, MorYT стать
случае коrда плотность поверхностных состояний рав"
нялась бы нулю (Qп.с == О), ]vl0П траIlЗИСТОР (как с
каналом р типа, так и с каналом п типа) представлял бы
собой прибор с индуuированным каналом и Иl\!ел бы
малое пороrовое напряжение (по абсолютному значению
примерно 0,75 1,58), равное U iпор (см. рис. 2.3,6).
Член фр в (2.23) представляет соБОIО потенциал Фер-
ми, определяющий положение уровня Ферми в данном
полупроводнике относительно уровня Ферl\1И в собствен-
ном полупроводнике (рис. 2.1, ж). Ero называют KOH
тактным, диффузионным или собственным потенциалом;
эта величина аналоrична контактной разности потенциа
лов в простом р п переходе. В теории р п-перехода
величина фF определяется концентрацией примесей; ее
выражение имеет следующий вид:
"' Р == !!I.. In 1) (2 25)
., q пi
На рис. 2.11 представлены rрафически уравнения
(2.24) и (2.25). При типичных значениях N д == 1015 CM 3
И t и == 1500 А можно видеть, что потенциал Ферми равен
0,29 в и «собственное» пороrовое напряжение равно
0,6 8. (Заряд Q'f в подложке п типа положителен, и,
следовательно, уравнение (2.24) дает отрицатеТIьное Ha
пряжение для прибора с каналом р типа.)
Предполаrается (допущение 9), что весь заряд, опре-
деляемый членом Qп. с, расположен близко к поверхно-
сти раздела кремний окисел [16] и потому связан с Ha
пряжением на затворе той же самой константой С, что
и объемный заряд в полупроводнике:
U п . с == Qё с == : Qп с. (2.26)
Соrласно современным данным, можно ожидать, что
плотность поверхностных состояний (Qп. c/q) равна при
мерно 4 Х 1011 CM 2 [12]. Поскольку Qп. с действует, вооб-
ще rоворя, как ионизованные донорные состояния, то
величина Qп с И1\1еет ПОТIожительный знак, так что знак
Ии. с в уравнении (226) будет отрицательным. (Знаки
зарядов Q'}yl и Qп. с при различных условиях указаны на
64
r лава 2
Теория работы поле80ео транзистора
65
ДОВО.]lЬНО большими, достиrая величины порядка микро-
ампер при повышенных температурах Повышение вели..
чины обратноrо смещения, приложенноrо к подложке,
приведет к уменьшению тока I/c I при данном напряже
нии на верхнем затворе. На рис. 2.12 это обстоятельство
иллюстрируется выходными характеристиками прибора
с каналом р типа, полученными при трех различных зна
чениях напряжения Сl\1ещения на нижнем затворе.
11
_....
..118 ..
r 1111
. J 1111
.1 -- ............. I u. .91
Iс М4 т . ""'"",__..""'I 3
t ' 11 111111 kl
, j · ..11 u. =-&1
, 11 3
.. !!!!!!......!!!1
о ....... . ''4:06
U. 8 Zo
С.&&.. а
з= 10'
1111
1111
11
111111
1111..-----
с, ма 1111 1111____11
1111
-------- , и ="'106
...__к:88___. 3
....... - I1 , u,;"S6
о . -------.
206 Usл-=l,
11
цессу в обычном р n переходе. Часть линий электриче
cKoro поля, которые, как изображено на рис. 2.2, 8, начи
НdЮТСЯ на подвижных носителях заряда в канале (обес
печивающих ero проводимость), теперь будут на чинаться
на «новых» неподвижных зарядах ионизованных атомов.
Т'оrда при постоянном напряжении на затворе в канале
будет меньше подвижных носителей заряда и, следова
тельно, ero проводимость уменьшится. На схематическоЙ
l'Аодели рис. 2.2, 8 показано восемь подвижных дырок,
обусловливающих проводимость. Если напряжение на
подложке увеличить настолько, что все пять подвижных
носителей заряда будут удалены из слоя 1, то для coxpa
нения электрической нейтральности системы из канала
также будут удалены пять подвижных носителеЙ заря
да В результате в проводимости канала будут участво
вать только три носителя заряда. Если приложить допол
нительное смещение, при котором все подвижные носи
тели будут удалены из слоя 11, то в канале не останется
подвижных носителей заряда, и ток через канал YMeHЬ
шится до нуля
Выражение для пороrовоrо напряжения в ФУНКllИИ
напряжения смещения подложки можно получить непо
средственно из уравнения (2.27) В теории р п пере
хода постоянно используется одно допущение, зак.пlочаю
Lцееся в том, что все напряжение можно считать прило
женным к обедненному слою, а к объему полупроводника
оно вообще не приложено. Полярность напряжения из. п
на подложке (нижнем затворе) считается такой, что, Kor
да она смещена в обраТНОl\I направлении по отношеНИIО
к истоку, напряжения Из. п и фF имеIОТ один и тот же
знак. Видоизменяя выражение (2.27) так, чтобы учесть
,.,
ооратное смещение подложки, и используя вышеприве-
денное допущение, получим: 1)
И пор == ...... К 1 1 + (Фп + и 3. п) + И п. с, (2.28)
1) Это уравнение получено в результате использования упро
щенноrо анаJlиза и в предположении. что электрическое поле одно.
мерно, т. е. что толщина обедненноrо слоя СRязанноrо с каналом,
мала по сравнению с длиной канала. Однако если rлубина проник
новения обедненноrо слоя близка по величине к длине каRала или
превосходит ее, то ана.ПИЗ тотчас же становится сложноЙ MHoro
u U u
мернои задачеи. для решения которои автор не имеет неооходимоrо
математическоrо аппарата В некоторых приборах с коротким KaHa
2
.,
.1
--2
ис.а. 8
6
..
11
1111 11'
1111
, MIl -u..wUUAI-- U. .......fл.
.... ':iiii... ,1 Э lUи
11 1I
" -------- 1 11...,.-.
'1 ...-8ESII___. uэ.....t7U
' 1111 11
D ...... __. ... ..., из= 86
Uc.u., I б "'20 lIU =3,
Рис. 2.12. Влияние смещения,
прикладываемоrо к подложке,
на вы ходные характеристики
МОП транзистора.
Работа МОП транзистора при смещении подложки
1\10жет быть объяснена распространением изолирующеrо
обедненноrо слоя в подложку, как это показано на
рис. 2.2,8. При повышении обратноrо смещения, прило..
женноrо к подложке обедненный слой распространяется
все дальше в толщу подложки, так как подвижные элек..
троны удаляются, а неподвижные донорные центры иони-
ЗИРУIОТСЯ, т. е. наблюдается процесс, аналоrичный про
5 3ак. 311
66
tлава
т UрllЯ работы flолево( 7 транзистора
67
rде Фп == 2ФF. (Использовать оБО3Нd4 ние необходи
1\10 потому, что знак выражения ПОД радикалом должен
быть обязательно ПОЛО)J{ительным.)
Справедливость уравнения (2.28) можно проверить,
построив rра фик зави симости пороrовоrо напряжения
U пор от r Фп + Из. п, которая дол)кна изображаться
прямой линиеЙ. Такая зависимость ПРllВf1дена на
рис. 2.13, а, и она действительно Иl\rlеет вид ПРЯ1VIОй IИНИII
при изменении приложенноrо смещения от О · 20 В.
JJополнительной проверкой уравнения (228} мо}!<е1 слу
жить rрафик, построенныЙ в лоrарифмичеСКОl\!1 Mac
lllтабе:
1 1 po иня на ось ординат тоЙ точки rрафика, rде
l ....ооТВетствуеТ И iпор.
\10zKIIO определить величину Фn при данном пороrо
БОМ напря)кении.
Разность lеждv U пор и И П . с, измеряемая по оси орди
наl, равна собственному пороrовому напряжению [ypaB
нени (2.24)].
" Фf:"+U-а.. 2.213)
19[ (Uпор И п . с )]===1/2 1 g(2фр+ из п)+ IgK 1 (2.29)
10
o \
иnt 4.97 (из рис 2.1За)
5 Log [ t и лор un.c) ] =
а У2 Lag ?ф +U Зn )+ log К ,
QC:) 2
Коэффиuиент 1/2 появляется при лоrаРИфi\'1ировании
квадратноrо корня в уравнении (2.28). Если Ч 1ен (2ФF+
+ Из. п) в выра)кение (2.28) деЙСТВИ1 lЬНО должен вхо-
дить в степени 1/2, то TaHreHc yr.na наклона rрафика дол
жен быть равен 1/2. l1a рис. 2.] 3,6 данные Д.:IЯ прибора
N2 67 представ.nены в форме rрафика зависимости, опи-
сываемой уравнением (2.29). Этот rрафик ЯВtllяется пря
мой линией, и наклон ее, как и преДПОlаrалось, равен 1'2'
Полезность rрафиков, предстаВ"lенных на рис. 2.13, а,
закл ючается в TOl\I, что С их ПОl\rIОЩЬЮ леrко опре,Е(елить
все постоянные в )- равнении (2.28).
TaHreHc уrла наклона прямой равен КI (заметим, что
при увеличении концентрации примесеп в ПОДЛОЖКl КI
возрастает) .
Получаемая экстраполяцией точка пересечения rpa
фиков с осью ординат (rде 2ФJi + U == О) COOTBeT
ствует И п . r
f'S{
<k:) 8
'\..
,.......
g.
;:::>
I
CI.
с)
::s
....., 5
I
r
.2
4
4
0,1 0.2 0,5 1 2 5
и зп +2ф , В
б
v ф+ {n'
а
р 11 со 2.13. В.JIИЯНИ кuнцентрации примесей и смеrцения на
п 1] I пороrпвrе напря/кение. Кружками отмечены ре..
Зу..Iьтаты 1I \1LрРНИИ. СТрLЛhа па Лf>ВОМ rрафике показывает
направл ние уоеличения концентрации примесей в подложке.
Оба приБUfJd }Vl0П транзисruры с индvцированным кана-
лом р типа
[lрим Р ИСПИЛЬЗ0вания данных рис. 2.13, а показы..
ва{ r, J'rlКУЮ информаUИIО оприборе мо)кно получить. 'Vlз
наклона ПрЯl\10Й для прибора NQ 67 видно, что величина
К] равна + 1,11. в приборе J\Jg 67 толщина слоя окисла
составляет около 1500 А. На рис. 2.11, а проведена пря
мая от точки КI == + 1,11 ДО пересечения с линиеЙ, соот"
петrТВjЮlцей толщине окисла 1500 j\. Проекuия точки
П,--р ЧLНIlЯ на ось абсuисс дает значение концентраuии
ПрИ\Ill JI, I aBHr, примерно 2 IO' с.и :;, что СООТl1ет-
С1 ) II 1.' cor ротивлеНИIО 2,5 ОМ. СМ. (CIvl. В
лом изменение пороrовоrо напря)кения L lед) еl закон) тел IИ 1/з,
а не 1/2, как это обычно преДПО.;]аrается В I нтеrральнь ( , Ha
rрузочный прибор (а не управляющий) подвер н.'Ч влиянию ( \1еще
ния подложки (С\1. разд 5.1). в практич",ску\ ( fJ} чаял 1, nrlHa канала
наrрузочноrо прибора всеrда ве ика по сравн нию убинuй обед
HeHHoro слоя (типичное значение д 11ИНЫ канал таких приборов
близко К 25 мк 41, тоrда как rл) бина paCnO.il0 ения обедн 'ннпсо слоя
меньше 2,5 мкм). Следует ожидать, что пове а.ени нзrру ":JIIhIX '1 i
боров с достаточной точностью VILjj\" JiDu,-I\..Я YP(ILJ' 1, 1 \.2 ( i).
68
rЛQва 2
приложении rрафик зависимости }дельноrо сопротивле
Ния от концентраuии примесей.) Проведя из этой точки
линию вверх до пересечения с прямой, отображаЮ11tей
U iПОР при 1500 А, опреде.пим на оси ординат величину
собственноrо пороrовоrо напряжения U iПОР == 0.88 8. Из
рис. 2.13 а эта же величина равна 5,75 + 4,95 == O,8 8.
Оба значения достаточно хорошо соr.1lасуются. Эффек
тивную плотность поверхностных состояний для этоrо
прибора можно определить из уравнения (2.26); Qп c/q ==
== И п . с (8 и /t и ) /q. П()лаrая t и == 1500 А и 8 и == 1/3 пф/с и,
найдем
Qп. c / q == ( 4,95) 0'335' 10 12 19 6,9 . t О" CM 2.
1,5 . 10 . 1,6. 10
Деiicт8ительноя
кри8ая
U эл '
о
'1
I
" UЗ
Jкr:траnолиро6аНН6f';
пopoz
Отметим, что полученная величина пtl10rности поверхно
стных состояний имеет тот же порядок, что и величина,
принятая при обсуждении уравнения 2.26.
Метод, использованный на рис. 2.13, а для определе
ния пороrовоrо напряжения, иллюстрируется рис. 2.14.
на котором изображен rрафик, построенный по данным,
удовлетворяющим приведенному уравнению. Путем экс-
траполяции зависимости до пересечения с rоризонталь-
ной осью получаем экстраполированное значение пороrо
Boro напряжения. Определенное этим способом пороrовое
напряжение наилучшим образом описывается ypaBHe
нием (2.28) (см. так)ке разд. 3.1). На рис. 2.14. б приве-
дена реальная зависимость }r 'с от напряжения ИЗ.
Первое, что прилодит на ум, это использовать в тран-
зисторе со встроенным канаЛО1\1 подложку для создания
TaKoro смещения, чтоБЬJ отпала неоБХОДИl\10СТЬ в низко..
Оl\IНОЙ цепи смещения для OCHoBHoro затвора. Это позво
.пяет полностью использовать высокий входной импеданс
МОП транзистора.
На рис. 2.15 приведены характеристики передачи rи
потетическоrо прибора со встроенным каналом. При н)
левом смещении затвора ток стока равен ' с . нас. Требуе
l\1ая величина тока равна I Q . При прило)кении смещения
к подложке пороrовое напряжение смещается вправо от
lJ ПОР1 к И пор2 . Вследствие этоrо ток прибора уменьшается
до желаемой величины. ТОТ }I e принцип МО}КНО
а
4)/.10 2
1,5 ма
1Ma
O,5 ма
[с
100 мка
50 мка
20 мка
5 мка
O,5MKa
9
Рис. 2.14.
а способ опреде.пения экстраПQлированноrо noporoBoro на..
пряжения.
1 данные измерений удовлетворяют соотношению Ic ==
== 1. (ИЗ И пор ) [уравнение (2.19)]; 11 кривую при 9кстрапо..
2
ляции продолжают до точки пересечения с прямой V == о.
Экстраполированное пороrовие напряжение соответствует кажу"
щемуся моменту начала проводимости.
6 rрафик зависимости от ИЗ дЛЯ прибора с каналом
р типа (N'Q 67 на рис. 2.13, а); И с ==.... 5 В, из. п .. О В. КРУjl{ками
обозначены результаты измерении.
lс
I
I
и пор 1
I
,
I
U поо 2
з " 10 2
... tj 2)( 1O 2
..
1 )( 1O 2
о
5
Фп= 2ф
д
t
f(J tJ.
t 01
.: e fJ'f.
\\ r. \\\u, e
\" "f.t О
i\O I-f(;-f.
't- t'0 QU. O
! I'l t т pe5yeMo8
смещение)
U З
Рис. 2.15. Обеспечение смещения
п} тем подачи напряжения на под-
JIO ЖКУ.
70
rЛQвQ 2
Теория раооты flолевО20 транзистора
71
использовать и при наличии смещения на основном за
творе, как показано на рис. 2.12.
10
6.Uпор= к,t V2 ф+Uзп --V2Ф)
К , = 2,0
АU пор , который зависит от ИЗ п. Ниже изложен вывод
выражения для АU пор , исходя из у равнения ( 2.28).
Ипор(И з . п) == И п . с К I l f 2ФF + Из. п.
Прибавим к правой части и вычтем из нее выражение
К I r 2фF :
И пор (из. п) == И п . с КI V 2ФF + К 1 2фр К 1 V2ФF+ ИЗ п,
И пор (Из. п) == И пор + f1U пор' (2.30)
9
к 1 = 1,5
так что
8
7
\И пор == КI (lf2Фр + Из. п) ...... V 2ФF ) 1).
(2.31 )
о
rрафики, полученные из этоrо уравнения, приведены на
рис. 2.16 при различных значениях Kl, взятых из
рис. 2.11, а.
5
..
4
с::
::::, К 1 =D,75
<:1
3
К 1 = 0,5
2
К 1 =0,25
1
о
10
20
2.4. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ ОБ УРАВНЕНИЯХ
ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ
ТРАНЗИСТОРОВ И ОБОЗНАЧЕНИЯХ МОП..ТРАНЗИСТОРОВ
1. Уравнения. Ввиду Toro что в МОП структурах
можно реализовать различные полярности электродов и
их КО!v1бинации, в табл. 2.2 сведены все возможные их
разновидности во избежание путаницы в знаках. ВКЛIО
ченные в таблицу уравнения характеристик предста-
вляют собою уравнения (2.] 6) и (2.19), приведенные в
тексте.
При использовании уравнения. справедливоrо для по
лоrой области характеристики, необходимо следить за
тем, чтоБыI по ошибке не воспользоваться не той «поло
виной» передаточной характеристики. Для прибора с
индvцированным каналом п типа уравнение (2 19) дает
выражение выходноrо тока, который прямо пропорцио-
нален квадрату входноrо напряжения. Если, не накла-
дывая никаких оrраничений на 1евую половину кривой,
построить rрафик этоrо уравнения, то получится пара-
бола, пока1анная на рис. 2.17. Часть кривой слева от
точки И пор существует лишь математически, но ее нельзя
и З.n , В
Рис. 2.16. Изменение пороrовоrо напряжения в зави-
симости от напряжения на ПОДЛОЖhе
Уравнение (2 28) описывает зависимость пороrовоrо
напряжения от напряжения на подложке. Часто бывает
удобно выражать И пор в виде суммы постоянной вели
чины (соответствующеЙ И пор == О) и переl\lенноrо члена
l) Аналоrичные выражения получены незанисимо в друrих рабо-
тах ([ 17], стр. 12, [19], уравнение (7 а) ) .
72
r IJBa 2
'3 =:3
с3
%
c.u t::J:)
CJ:) \=:. t:::) 1
f::" С
ё5«:;)
"1:j
,
';;:3
\
':,:)
c'u
"'с)
о
о
Основные соотношения для
r аблuца 2 2
МОП транзистора 1), 2)
Крутая область ха рактеристи к
определяемая условием
I И С 1< I ИЗ ИПО) I
П олоrая область характери-
стик, определяемая условием
IИсl IИз Ипорl
I
&
J! Парабола
Рис. 2.17. Передаточные характери-
стики МОП транзистора и полевоrо
транзистора с управляющим р п пе-
реходом.
( нал
, Сток
Исток
а
lc== [(Из Ипор) ИС
1 /2И ]
Ic : (Uз Uпор)2
1. Для при бора с каналом п типа приведенные выше соотношения
спра ведливы в следуюших условиях:
Из Ипор > о; < о; И С , lc > О
Встроенный канал Индуцированный канал
И пор < о И пор > о, ИЗ > О
2. Для прибора с каналом р Типа приведенные выше соотношения
справедливы при следующих условиях:
Из Ипор < о; > о; И с , lc < о.
Встроенный канал Индуцированный кана.1l
И пор > О И пор < о, ИЗ < О
1) См. также рис. 2.5.
2) Приведенные в этоЙ таблице уравнения составлены в пред-
положении, что R и == Rc == о. При наличии в цепях стока и истока
сопротивлений, имею:цих ненулевую конечную величину, справед-
ливы уравнения (2.16а) и (2.16б).
ЗатВ
ЗлектРОd,
Оыбранныа
8 t<ачестDе
истока
б
наблюдать в реальном l\10П приборе. Поскольку ПОJIе
вой транзистор с управляющим р п"переходом, также
как и МОП транзистор, имеет квадратичную зависимость
выходноrо тока от входноrо напряжения, он тоже опи-
сывается параболической характеристикой. Однако при..
сушие прибору с управляющим р п переходом BHY
тренние особенности оrраничивают ero характеристику
левой ветвью параболы.
2. Обозначения. Основные СИl\1ВОЛЫ, используемые
в этой книrе для обозначения МОП прибора, приведены
на рис. 2.18. Желательно из обозначения прибора из
влечь как можно больше информаuии о нем. Там, rде
это возможно, при обозначении полевоrо l\10П транзи
стора следует пользоваться такими общими правилами:
ПОdложка п - типа
(канал р тu.па)
6
и nор
из
J
1 11 инауиu.ро8анныl1.
0------1 канал
п типa
8строенныи
канал
п тl1.пa
Встроенныа
канал
р тlJ.па
J
' Ин8уцu.роВанныи
O----J KaHaJ'
p типo
2
рис. 2.18. Си м воли ческие обозначения
МОП транзисторов.
74
r лава 2
Теория работы полевоео транзистора
75
1 ИСТОК н сток прибора действуют как невыпрям
ляющие контакты и потому изображаются под ПрЯl\1ЫМ
уrлом к каналу (рис.2.18,а).
2. В приборал с индуцированным каналом при нуле-
вом смещении на затворе ток отсутствует, поэтому уча
сток между истоком и стоком изображается штриховой
линией. приБорыI со встроенным каналом обладаIОТ Ha
чальной проводимостью при нулевом Сl'vlещении на за
творе, поэтому участок ме)кду истоком и стоком изобра
жается сплошной линией.
3. Поскольку ЗdТВОР МОП транзистора изолирован от
полупроводника и не образует р п переходз, он изо
бражается I..., образным символом, одна сторона KOToporo
lIараллельна каналу (рис. 2.18, б). Уrол L образной фи
rypbI обращен К электроду, который предпочтительнее
использовать в качестве истока.
4. Подложка, или нижний затвор, изображается как
электрод диода, поэтому ero рисуют перпендикулярно
каналу. Направление стрелки отражает тип проводи-
rvl0СТИ подложки (рис. 2.18,8).
ЛИТЕРАТУРА 1)
1 1 h 8 n t о 1 а Н. К. J., Design TheoI у ('С а Surface field effect Tran
sistur, Stanford Electron. Lab. Rept. 1661 1, Sept. 1961.
1 h а n t о 1 а Н. 1(. J., М о 11 J. L., Des.ign Theory of а Surface
field effect Trans:stor, Solid state Electroп., 7, 42 43{) (1964).
2 G r о v е А. S., D е а 1 В. Е., S по w Е. Н.. S d h С. Т., Invrestiga-
tion of ThermalIy Oxidized Silicon S\lrfaces Lsing l\\etal oxide-
semicf1nductor Structures, Solid state Electroп., 8, 145 163 (1965)
3 S а h с... Т., Characteristics of the Меtаl охidе-sеmiсопdL1сtоr Tran
sistors, / ЕЕЕ Traпs. Electroп Devices, [О-l1, 324 345 (July
1964) .
4 Т е r m а n L. lV\., Ап Investigation of Surface States at а Siliconj
Silicon Oxide Interface Employing l\1.etal oxide siJicon Dlodes
Solid state Electron., 5, 285 299 (1962) ,
5 Н е i m а n F. Р., W а r f i е 1 d G., The Effects of Oxide Traps оп
the MOS СарасНапсе, / ЕЕЕ Traпs. Electroп. Devices, ED-12,
N'Q 4, 167 178 (Apr 1965).
6 Z а i n i n g е r К. Н., W а r f i е 1 d G., Limitations of the \10S
Capacitance Method for the Determination of SemicollductJr Sur-
[асе Propert:es, / ЕЕЕ Traпs. Electrun. Devices, ЕО..12, NQ 4,
179 192 (Apr. 1965).
7. В r о w n W. L., N type Surface Conductivity оп P type Germanium,
Phys. Rev., 91, NQ 3, 518 527 (Aug. 1, 1953).
8. G о 1 d Ь е r g С., Space Charge Regions in Semiconductors, Solid
state Electron., 7, 593 609 (1964).
9. G а r r е t t С. G. В., В r а t t а i n W. Н., Physical Theory of Seml-
conductor Surfaces, Phys Rev., 99, NQ 2, 376 387 (July 15, 1955).
10*. G r е е n е R., S о 1 d а n о Т., Increasing the A.ccuracy of MOS
Calculations, Proc. /ЕЕЕ, рр. 1241 1242 (Sept. 1965).
1 J. Н о f s t е i n S. R., W а r f i е 1 d G., Carrier МоЬННу and Cur-
rent Saturation in the MOS Transistor, I ЕЕЕ Trans. Electron.
Devlces, ЕО..12, NQ 3, 129 138 (March 1965).
12. R е d d i У. G. К., S а h С. Т., Source to Drain Resistan e beyond
Pinch off in Metal oxide semiconductor Transistors (MOST), / ЕЕЕ
Trans. Electron. Devices, EO 12, NQ 3, 139 141 (Ma1 4 ch 1965).
13 Е а r 1 у J., Effects of Space Charge Layer Widening in Junction
Transistors, Proc. IRE, 40, 1401 1406 (Nov. 1952).
14*. Н о f s t е i n S. R., Н е i m а n F. Р., The Silicon Insulated gate
Field effect Transistor, Proc. / ЕЕЕ, рр. 1190 1202 (Sept. 1963)
15. L i n d m а у е r J., W r i g 1 е у С. У., FuпdаПlепtаls of Semicon-
ductor Devices, D. Уап Nostrand Со., Inc., Princeton, N. J., 1965,
р. 345.
16. Н е i m а n F. Р., М i 11 е r Н. S., Temperattlre Dependence of
N type MOS Transistors, /ЕЕЕ Trans. Electron. Devices, EO..12,
NQ 3, 142 148 (March 1965).
17. R а р р А 1(., S i 1 v е r R. S., Integrated I...ogic Nets, FinaJ Rept.,
Air Force Contr AFI9 (604) 8836, JuJy 31, 1964, RCA Labs., Prin-
ceton, N. J.
18. S а h С. Т., Р а о Н. С., The Effects of Fixed Bulk Charge оп the
Characteristics of Metal oxid semiconductor Transistors, / ЕЕЕ
Trans Electron. Devices, [0..13, N'Q 4, 393 409 (Apr. 1966).
19. V а d а s z L., The Use of MOS Structure for the Design of High
Value Resistors in Monolithic Integrated Circuits, / ЕЕЕ Trans.
Electron. Devices, ЕО..13, NQ 5, 459 465 (Мау 1966).
20* Е i m Ь i n d е r J., The Field effect Transistor: А «Curiosity» Comes
of Age, Electronics, рр. 4 49 (Nov. зо, 1964).
21. G r о v е А. S., L а m о n d Р. et аl., Stable MOS Transistors, Ele-
ctro techпol., New York, рр. 40 43 (Оес. 1965).
22. G r о v е А. S., S n о w Е. Н., D е а 1 В. Е., S а h С. Т., Simple
Physical Model for the Space charge СарасНапсе of Л1.еtаl охidе.
semiconductor Structures. J. Appl. Phys., 35. 2458 2460 (Aug.
1964) .
23. Н а 11 R, W h i t е J. Р., Surface Capacity of Oxide Coated Semi...
conductors, Solid state Electron., 8, 211 226 (March 1965).
24* Н е i m а n F. Р., Н о f s t е 1 n S., lVletaJ oxide semiconductor Field-
effect Transistors, Electronics, рр. 50 61 (Nov 30, 1964).
Heiman Р. Р., Warfield G., The Effects of Oxide Traps оп
the MOS СарасНапсе, /ЕЕЕ Trans., EO 12, 167 178 (Apr
1965) .
25 /ЕЕЕ Traп()., ЕО-12 (1 1arch 1965).
1) Статьи, отмечеННые звездочкой, опубликованы в русском
переводе в журналах Электроника (Electronics) и TpY{)'Jl института
инженеров по электротехнике и радиОЭ./1,еКТрОfluке (ProCeedlngs
/ЕЕЕ). Прим. ред.
76
rЛQВй 2
rлава 3
26 Р а о Н. С., S а h С. Т., Effects of Diffusion Current оп Characte-
ristics of Metal oxide (Insulator) semiconductor Transistors, Solid-
stafe Elecfroп., 9, 927 937 (Oct. 1966).
27. Т о т Ь s N. С. et al., А New Insulated gate Silicon Transistor
Pro . / ЕЕЕ, Correspondence, рр. 87 88 (Jan. 1966).
28 W е 1 m е r Р. К., The TFT А New Thin Film Transistor, Proc.
IRE, рр 1462 1469 (June 1962).
29 Z а j n i n g е r К. Н., W а r f i е l d а., Limltations of the J\t\OS Са.
расНапсе Method for the Oetermination of Senliconductor Surface
Properties, /ЕЕЕ Traпs., EO-12, 179 192 (Apr. 1965).
J<ДРДКТЕРИСТИКИ МОП ТРАН3ИСТОРОВ
И ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ
в предыдущей rлаве были получены уравнения, опи..
сыаlощиеe работу МОП транзисторов. В настоящей
rлаве приводятся экспериментальные данные, подтвер-
)кдающие справедливость выведенных ранее уравнений,
затем из этих уравнений выводятся дополнительные co
ОТНОПlения, которые окажутся полезными при расчете
схем, и в заключение рассматривается модель транзисто
ра, в которой учитывается изменение подвижности но-
сителей в канале при изменении напряжения на затворе.
3.1. полоrАЯ ОБЛАСТЬ ХАРАКТЕРИСТИК
1. 'с == f( u з ). в табл. 2.1 приведено соотношение
между током стока и ВХОДНЫl\I напряжением на затворе
для транзистора в полоrой области характеристик
Iс == (и з и пор)2Iис сопst. (3.1)
(Уравнение 3.1 справедливо лишь в случае фиксирован
Horo напряжения на стоке. Если напряжение на стоке
изменяется, следует пользоваться уравнеНИЯl\1И (2.20) и
(2.21). Как отмечалось выше, уравнение 3.] описывает
передаточную функцию квадратичноrо вида. Блаrодаря
этому специфическому свойству полевые транзисторы
с изолированным затвором и с управляющим р n-пе
релодом весьма удобны для различных применений
(особенно там, rде на выходе не допускаются нечетные
rармоники 1)).
1) Типичный пример использования квадратичноЙ зависимости,
представляющей характеристику полевых транзисторов с управляю
щим р п переХОДОМJ описан в работе [1], стр. 80 84 (приведенной
в конце 1 лавы).
t::::sc::::tt::::sc:::3
c::::t ....0 t::::s
с:::3 ...., с:::зс:::,
11 CIJ C"-J ч') C'J '-'J
I I I I 1 I I 'I:;t
I 1 ........
78
r lu u 3
Рассмотрим более подробно кваДРLiТИ4НуЮ ларакт(
ристику, для чеrо построим зависимость 1 Ю =---- f (и з).
Извлекая корень квадратный из левой и правой частей
уравнения (3.1) и раскрывая скобки, ПОvlУЧИМ
r13 /
УIO == + 1 2" ИЗ J l
?1t::)t:IJ
;:s
t\)c:u
'"
€"C::: "
c:..>
::t: :х:
(3 2)
Травнение (3 1), записанное в такой форме. совпадает
с уравнением прямой у == тх + ь, r тyp 'п наклон пря
мой, Ь константа.
Если для 1\10П транзисторов КВ3J.Рdтичная аВIIСИ
мость Действите.-1ЬНО справеД.lива, то при ПО..1\. raHOBKt
данных измерения в уравнение (3.2) мы По.JУЧИl\I линеЙ
ную зависимость. Действите1ЬНО, (\ак было показано pa
нее на рис. 2.14 и как видно из рис. 3.1, ф) нкция ли
нейна в широком диапазоне изменения TOha ля rpaH-
зисторов различной конфиrvрации 1). ОТСlода видно, что
уравнение (3.2) достаточно \.ОРОШО описывае работу
\r10П транзистора в полоrоЙ об. rасти. В pt-.,,,.J.. 2.3 отме-
чалось, что при токе, l\:IeHbUJel\1 1 О 1lKa, наб ТIIодается от-
клонение ИЗl\'lеренны\ данных от расчетных ЗаВИСИ\10rть,
приведенная на рис. 3.1, а, относится К транзистору с
длиноЙ канала L == 13 AtKAt, [I1ИРИНОЙ кана ТJa l\Y 1000 htK l
И С концентричеСКИl\I расположениеl\1 истока BOKpyr
стока. ЗаВИСИl'vfОСТЬ, приведенная на рпс. 3.1,6, Xapah.TP-
ризует транзистор с L==13 AtKAt, \У'==4()() АtКИ и параТ"l-
леЛЬНЫl\1 располо)кениеl\f истока относительно CTOKd.
rрафик заВИСИl\fОСТИ 1 1/(' I == f (из) ПОЗ во lяет ПО.1У
чить полезную ИНфОРl'vlаuию о транзисторе. ОТ\lеТИ f,
r
что если в уравнении (3 2) ве Т"lичина 1 1/(' 1 равна ну IЮ,
то напряжение на затворе становится раВНЫ\1 напряже-
нию отсечки. Продолжив кривую, ПОК31анн\ю на рис 3 1,
до точки \ I [с I == О, l\fОЖНО опре..1е lИТh при n IIf)KeHHOe
значение пороrовоrо напряжения, ИL1I1 напря)кения
о)
g<>
<:
с.
с
с:::
I
С:З ?
J
. r
Е .о ! c::-..., t--.
th. cn.. СУ)
с\) r 11
11 11
::.t: t:::t. ::.t: с."
t:j t:j t::'I .........L
C:::: """"'-J
С-...6J
1>61 ,
Q'v..y
C'-J
C'-J I
I I с:::>
(::) t::) "'"'"-
....... )( )(
)( )( "'J
со
''1f c:::j
Zt D
c::.i <::::3
.. <.) ч')
\.r) , C"J
........ I I
I 1 I
I
C"J
c::s ........
s? с:::,
I
:::s
..
00 с")
::::,
,
с.о
't
C-.J
«:::i
C"-J
II I ,
00
<"')
<::(::)
I..r
:;
U, с);:.
::::j m... :.r :f с::::>
.s
i:..a. "о ('.) ,1
'-
I :::;
::t:: ..:s
C\) """""
t:::i C::"
E::C:::t::
c:.:i
C'I'5::t:::t:.
I
с:::,
'><
. J
<'J
I
с::::.
.......
х
с")
" C\I C\I
I I I
t::) t::::) с:---
<r--- ..
х )t )(
00 l'-, .
"""
D ' 31:1"
J) Это подтверждается в pan()T [31 \\. . ,,!ll\, (!Hn\ К 1,1. 2)
И в работах [2, 1] (С\1. литерат) .' к r 1 3).
I
I &:::;)
CQ I
,......
Q;) t:::::J у С") I
QI
t:l. I 00
с"':) '--"I
I ..
"'k со ::::,
I
C"'J
с:::>
.
:s:
:з::
а)
::r'
с'о
:з::
""
Q)
:д
:.:r:
.:.:r:
Q) с'о
P..CQ
О О
o..
Е-< :s:
с'о
СУ) о
с'о r:=
:з=
Е-<
::s::: с..>
:з=
Q)
I
I
I
:з:: ....
f-. ::s::
О:з::
<IJ
I (.) =т'
......С'О
I 0.-4
....
СУ)
..QQ)
Е-< :д
с..> ::r:
О Е-<
Q)
:s: =т'
с..> с..>
:s: с'о
CQo..
с'о
М'
---: ...
M::s;:
. :з::
с..>а.>
:S:
p..:.:r:
СУ)
cl)
jS
:.:r:
:з=
cl)
о..
cl)
('1)
::s::
о
80
r лава 3
Характеристики МОП транзисторов и основные уравнения 81
отсечки, непосреДСl венно на оси ИЗ (см. также рис. 2.1, 6).
Из этоrо rрафика может быть также получена постоян
ная транзистора В, так как наклон прямой равен 1 r /2.
Пороrовое напряжение мо)кет быть измерено двумя
способаlVlИ. Первый способ (способ экстраполяции) опи
сан Выше, второй заключается в измерении напря)кения
на затворе, при котором ток стока равен некоторой He
большой величине (обычно 10 мка). Второй способ ис
пользуется для определения пороrовоrо напряжения,
ПрИВодимоrо в паспортных Д2ННЫХ. Как видно из
рис. 3.1, напряжение на затворе при токе равном
1 О Л1ка, близко к экстраполированному зна чению поро
rOBoro напряжения.
После Toro как найдено И пор , мо)кно определить по
стоянную В либо по наклону прямой на рис. 3,1, ТIибо
непосредственно из уравнения (3 1) Зная обе величины
И пор и В, можно определить ток стока для .любоrо за
данноrо напряжения на затворе. Это иллюстрируется
след) ющим примером. Как видно из рис. 3.1, а, для
транзистора NQ 38 теоретическое значение пороrОБоrо Ha
пряжения равно 5, 1 В.
Подставляя в уравнение (3.1) эту величину и вели
чины I ма, 7,2 в для некоторой друrой точки rрафи
I\a, получим
А == 21c 2. IO 3
t-" (Uз Uпор)2 ( 7,2+5,I)2 == +454 _ lKMO/B.
11з уравнения (3.1) определим ток стока при напряже..
нии на затворе 9 4 в
/с== 454М;МО/8 ( 9,4+5,o2==227.]o 6']8,5== 4,2 иа.
ров лежат в пределах от 1000 до 2000 AtKMO, В то Bpel'vIH
как для транзисторов интеrральных схем величины glп,
как правило, на порядок меньше При крутизне транзи"
стора g,n== 1000 мкмо отношение тока на выходе к вход-
ному напряжению равно 1 ма/в.
I<рутизна определяется как отношение малоrо при
рашения тока стока к приращению напряжения на за
творе которое обусловило данное изменение тока. Мате-
матически это lVI0ЖНО записать так:
дl с I
gпz == дU ·
з и с
Расчетная величина I с == 4,2 A-ta и ве.пичина I с ==
== 4,0 мй, определвнная по rраФику, отличаются Bcero
лишь на 50/0.
2. Крутизна характеристики. Усилительные свойства
МОП транзистора определяются переходной проводи
мостью, или крутизной, которая характеризует зависи
мость выходноrо тока от входноrо напряжения. Обычно
для обозначения крутизны польз)ются СИМВО lами Y js
И gт. Типичные значения gm для дискретных транзисто
Дифференuируя уравнение (3.1), получим
д r (и 3 U пор)2 ]
: з дU з == gm == (Uз u пор ) (3.3)
(gп" ПОЛОlhительное число) Как видно из (3.3), вели
чина g'т равна произведению постоянной транзистора В
на разность ме)J(ЛУ наПРЯ)I\.ением на затворе и пороrо..
BbI1\1 напряжением:. Следовательно существуют два спо
соба увеличения gTп. Во первых, можно увеличить Ha
пряжение смещения на затворе ИЗ (это доступно как
разработчику схемы, так и разработчику транзистора);
BO BTOpЫX, может быть изменена rеометрия транзисто"
ра (это обычно доступно только разработчику транзи
стора). Так как В == fl8иW/tиL, то изменение отношения
ширины канала к ero длине позволяет получить любую
,.,
треоуеl\fУЮ величину gт.
Первый способ увеличения gm (за счет увеличения
И::J) можно проиллюстрировать путем подстановки из
меренных величин в уравнение (3.3) и последуюшеrо по..
строения rрафика на этой основе. Этот rрафик приведен
на рис. 3.2.
Из уравнения (3.3) следует, что зависимость gп от
( з И пор ) должна иметь вид прямой линии, что и
соответствует действительности. Однако из rрафика
видно, что при (из И пор ) ==0 транзистор все
еше обладает некоторой конечной крутизной. Это не
имеет смысла и находится в противоречии с уравне-
ниеl\f (3.3). Столь явное расхождение объясняется тем,
6 Зак 311
82
r '1ава 3
Характеристики МОП транзисторов и иСН08ные lJравненuя 83
что пороrовое напряжение, которое ИСПОЛЬ30ва.,10СЬ дл
расчета aprYlVIeHTa откладываемоrо по rоризонтальноЙ
оси было получено ИЗl\lерением при I с == 1 О мка и, сле
довательно, отличалось от экстраполированной вели
1800
1400
1200
с::::>
::r: 1000
800
600
400
200
О
I N 34
в I€BU Hd в личину разнuсти напряжений. Добав ТIение
этой разности сдвинет каждую кривую так, что она бу
дет проходить через начало координат. В такую ловушку
леrко попасть при использовании «измеренной» величи
ны пороrовоrо напряжения.
Второй из предложенных lVIетодов увеличения gm за..
ключается в увеличении отношения ширины канала к ero
длине В неявном виде зависимость крутизны от OTHO
шения \t 7 / L отражена в кривых на рис. 3.1. Из урав..
нения прямоЙ линии следует, что наклон пропорционален
/ . Следовательно, отношение TaHreHcoB уrлов наклона
кривых для транзисторов NQ 38 и NQ 89 должно быть рав.
но корню квадратном) из частноrо от деления ОДноrо
отношения П? / L на друrое. Это lVIO}J(HO за писать так :
TaHreHc УI ла наклона прибора N2 38 == 1 r tf7 / L (N2 38)
TaHreHc уrла наклона прибора N2 89 W/L (N2 89) ·
N 33
N°72
о (). ,\6'
о
Q,f(. \S>t1<. N274
1\e \}.\). I
\\ : t
"f..r,
11з rрасрика имеем
1,47
1,02 === 1
80 .
37 '
1 ,44 1,47.
Как видно, П31\lеренное значение отношения достаточ
но б ТIизко К расчетному. Т аКИl\1 образом, можно допу
стить, что величина gm задается простым изменениеlVI
отношени я W / L.
Зависимость, приведеннзя на рис. 3.3, служит еще
одним подтверждениеl\l Toro, что gm изменяется с изме-
нением ОТНОПlения \ТV/L.
В работе [17] показано, что зависимость 1/ gm от L
линеЙна. Этот результат следует из уравнения (3.3),
записанноrо в след} ющем виде:
L K 1 К
rne постоянная.
g m W И з И пор ,
1
2 3 4 5
(u з ип()р), n
7
6
Рис. 3.2. ЗаВИСИ 10СТЬ gm от (ИЗ U пор ).
gm == (Uз Uпор) [уравнение (3.3)]; и с :: 10 в;
И по';) измерено при 10 мка; f == 1 К2Ц.
чины. Экстраполируя кривые до пересечения с rоризон"
тальной осью, ПОЛУЧИ\l точки, лежащие в интервале
O,2 O,4 в левее начала координат. Это ПРИ\lерно COOT
ветствует разности между экстрапо ТIированным и изме..
ренным значениями пороrовоrо напряжения (рис. 3.1).
Так как измеренная величина пороrовоrо напряжения
60 ТIbuIe, чем экстраполированная, то кривые С\lесТи 1ИСЬ
Травнение (3.3) не учитывает зависимость тока стока
от напря)кения на стоке l\aK указывалось в разд. (2.2),
некоторый отличный от нуля наклон вольтамперных xa
рактеристик транзистора в полоrой области приводит
к расхождению ветвей характеристик, в результате чеrо
при постоянном L ве.Jичина g возрастает с ростом
напряжения на стоке l'lз рис. 2.6 видно, что при и с ==
h
84
r лава 3
Характеристики МОП транзuсторов и основные LJравненuя 85
== IO в приращению напряжения ИЗ от 10 до 11 8
соответствует большее приращение тока, чем при и с==
== 5 8.
Выведем зависимость gm ОТ тока стока. Решая COBMe
стно уравнения, определяющие gm И Ic, получим зави-
симость gm == f (1 с):
Зависимость gпt ОТ сопротивления истока. Коэ(р(ри
циент усиления большинства полупроводниковых прибо
ров изменяется от образца к образцу, а также зависит
от температуры и друrих мноrочисленных факторов.
Крутизна МОП транзистора в =>том отношении не яв
ляется исключением Простой и эффективный способ
gm == (Uз И пор ),
lc %<U з U пор )2,
f
gтn 11 21 1 11 с 1 ·
5000
3000
(3.4)
в лоrарифмических координатах уравнение (3 4) описы
Бает прямую линию, TaHreHC уrла наклона которой равен
1000
500
1,8
..
300
1,6
600 МКМО
1,4
100
1,2
1
800 МI<.МО
50
001
и с == 15 в;
Ц8
0,7 О 2,5
5 7,5 10 12,5 15 17,5
Длина, мкм
Рис. 3.3. Зависимость J I g т от длины
канала СМ. [17] в литературе к rл. 2.
О,ОЗ 0,05 0,1
0,3 0,5
Ic, ми
1,0
з 5
10
Рис. 3.4. Зависимость Ig gm от IgI c .
r
gтn==} 21 ' IIcl [уравнение (3.4)];
1 1
== 2" 19 (2 I I ) + 2" 19 ( I 1 с 1).
о измеренные значения; расчетные значения.
Ig gm ==
+ 1/2. Результаты эксперимента подтверждают справед
ливость уравнений (3.3) и (3.4). Как показано на
рис. 3.4, экспериментальная заВИСИl\10СТЬ Ig gm от 19 1 с
для транзистора с каналом р типа действительно пред
ставляет собой прямую линию. Таким обраЗОl\l, ypaBHe
ния (3.3) и (3.4) достаточно хорошо описывают работу
МОП транзистора в полоrой области характеристик при
постоянном напряжении на стоке.
стабилизации крутизны заключается во включении рези..
стора R и последовательно с истоком для создания отри..
uательной обратной связи (отрицательная обратная
связь по истоку). Для исследования влияния R и на gm
необходимо сравнить изменение коэффициента усиления
схемы с резистором в uепи истока и аналоrичное изме..
нение без этоrо резистора
Анализ производится слеДУЮU1ИМ образом:
1. Записываются уравнения схемы на ПОСТОЯННОlVl
то ке.
86
r лава 3
Характеристики МОП транзuсторов u основные уравнения 87
2. Подстав 7JЯЮТСЯ полученные выше уравнения TpaH
зистора, характеризующие ero поведение
3. Уравнения решаются относите,пьно И вх , в резуль
тате чеrо получается зависимость И ВХ == [(/(').
4. Определяется переходная
проводимость схемы gm == дlсjдU ВХ'
которая отличается от крутизны
транзистора:
gm == : : (отмеТЮI, что ИЗ =1= U ВХ).
5 Зависимость UBx==f(/c) диф
ференцируется по / с, в результате
чеrо получается зависимость g от
gm И R и .
На рис. 3.5 показана исследуе
l\1ая схема. Уравнение входной цепи:
U вх == и 3 + / сR п . (3.5)
Решая совместно (3.3) и (3.4) и подставляя ИЗ в (3.5),
получаем
Рис. 3.5.
U ВХ == 1
При конечной величине R и изменение gm приводит
К изменению gm. При изменении grn на величину j.gm MO
жно выбором соответствующеrо коэффициента обратной
связи сделать изменение gm меньше любой заданной
величины Так как в практических случаях крутизна из..
меняется в широких пределах от 2:] до 5: 1, paCCMO
трим приращение переходной проводимости g , а не
ее дисрференциал dg'm.
Прирашение переходной проводимости схемы мо)кно
записать в виде
gm
й'm g == f1g ==
1 + Rиg т
gm
1 + R иg т J
rде gm И gm соответственно максимальное и мини..
мальное значения Для нахождения относите,пьноrо изм:е
нения крутизны разделим обе части уравнения на gm
дgm (1 + R и!J.т) Й m
== l
, .
g" m (1 + Rиg m ) g m
После преобразования получим
д , 1
g m 100 о о == g m 1 00 u О .
g m 1 + RиЙ m g m
2
13( /с) Uпор+/сRи.
Теперь и l\1ее l\1
I
g m == дд :Х == ( : ) 1 1 + R '. .
2 ( I с) 2
gm
gm ==
1 + Rиg т .
Этот результат можно записать в следующем виде:
д , , д
10000 == gm gm 1009-0. (3.7)
g m Йm m
I/Iз уравнения (3.7) следует, что относительное изме..
,
ненпе gm равно относительному ИЗ1\1енению gm, YMHO
женному на коэффициент ]/1 + RиR"т(ИЛИ g'm!й m ). Так как
всеrда g /gm< 1, то при данном \g"m У fеньшением KO
эффициента 1/(] +Rиg т) можно снизить изменение пе
реходной проводимости схемы (f1g'm) до заданной ве..
личины
РаСС:\'10ТрИМ пример. Пусть крутизна транзистора \le
няется в отношении 2: ) от ве rтИЧИНbJ 2000 до 4000 MKAtO.
ПреДПОЛОЖИl\l, что для работы Cxel\lbI достаточно иметь
IIспользvя соотношения
Ic (ИЗ И пор )2,
2 ( I с)
[} з и пор == 1
получаем
(3.6)
Предельные значения gm соответствуют двум крайним
случаям: R и == О и Rиg т » 1. При R и == О переходная про
ВОДИМОСТh cxelVIbI и крутизна транзистора совпадают При
Rпg т » 1 переходная проводимость CXel\lbI равна постоян-
ной веЛичине l/R и и не зависит от параметров транзи
сто р а .
88
r лава 3
Характеристики МОП транзисторов и основные уравнения 89
g m == 800 мкмо. Определим, каким должно быть сопро
тивление в пепи истока и насколько оно УlVlеньшит диа..
пазон изменения grп. Из уравнения (3.6) находим R и :
800 . 1 0 6 == 2000 . ]0 6 .
6 ' R И == 750 ОМ.
] + R и 2000 . ]O
Следовательно, при включении последовательно с исто
KOlVI сопротивления 750o.kl эффективное значение пере
лодной проводимости схемы равно 800 .AtKMO.
Из уравнения (3.7) определяем относительное изме..
нение g :
g 10000 == 1000 мкмо (4000 2000) "ЧК"ЧО
· 1 00 о о ,
g m 4000 J1К"Ч'J 2000 МК"ЧО
gт 1
1 00 о о == 100 о о == 25 о о .
R m 4
Из примера видно, что при ИЗ\lенении крутизны транзи
стора ОТ 2000 до 4000 MK.AtO (1000/0) переходная прово-
димость схемы с сопротивлением в истоке 750 ОА! изме-
няется только на 250/0 от 800 до 1000 икмо
3. Допо.пнительные }'равнения. На рис. 3.6, а приве..
дена переходная стоко затворная характеристика TpaH
зистора со встроенным каналом п типа (с изолирован
ным затвором либо с управляющим р п переходом 1)).
Эта зависимость имеет характерную точку ток С'тока,
соответствующий нулеВО1\IУ напряжению на затворе По
лезно вывести некоторые уравнения транзистора, в KO
торые входил бы этот леrко измеряеl\1ЫЙ ток 1 с. нас или
1 С. ви;!.
В настоящее вреl\fЯ со встроенным каналом выпу
скаются ЛИIl1Ь транзисторы п"типа. Однако вывод про
водится в общеl\1 виде и ПРИl\lеним к транзисторам как
с п , так и с р кана.пами, приче\1 уравнения отличаются
только знаком.
Как следует из таб.,1. 2.1, уравнение тока стока Д 1Я
ПО.поrой области И1\;lеет вил:
2
IС 2(Uз Uпор). (3.1)
Приравнивая нулю напряжение на затворе получим
выражение для тока при нулевом см:еlцении
Ic IUЗ О == Ic. нас == 2Р> ( И пор )2. (3.8)
Этот ток зависит от rеометрии транзистора и от пороrо..
Boro напряжения.
Касательная
1<. хара/<. терuстИl<е [ур. (3.12)1
ипоо иnop Uз=О
Uз, в
а
Iс= [с.нас tl U з /U пор )2
[ур.(з.В)]
[С, ма
На/<.лон 1
l
c.нQ.C
2,5 В
SВ
Наклон при Ir,.Hac = 2.Ic.HQ.c/ ипор
[ур. (3.11)]
1 L'.HCLC1
ипор, и пор2
б
U з ,6
Рис. 3.6.
Вынося за скобки Uп()р, получим уравнение, HOp
мализованное относительно тока 1 с. нас И напряжения
U пор
Ic== 2Р> ( Ипор)2(1 :J 2==Ic.Hac(1 :p y,
lс == ( 1 ИЗ ) 2 (3.9)
1 с. нас U пор ·
в уравнении (3 3) крутизна gm определялась как
Dтношение приращениЙ тока стока и напряжения на
затворе. Из рис. 3.6 видно, что этому отношению соответ..
ствует TaHreHC уrла наклона переходной характеристи..
ки. Определяя TaHreHc уrла наклона этой характеристик!!
при нулеВО\1 смещении на затворе, получим интересное
соотношение
дl с I 2 ( )
дИ === gmO == 2 И пор ·
3 и ==0
з
(3.1 О)
Умножая числитель и знаменатель на Uпор, получим
1) Стоко затворные ха рак rеристики транзисторов с индуциро-
ВdННЫМИ каналами п и р типов приведены на рис. 2.5.
21 с. нас
gmо== и ·
пор
(3 11)
90
r лава .9
Характеристики МОП транзuсторов u основные чраВNсния
91
(Величина gtпO положительна так как величина И пор
отриuательна, что соответствует поло)кительному TaH
reHcy уrла наклона кривой на рис. 3.6) ИЗ уравнения
(3.11) следует, что три основных парам:етра полевоru
транзистора тесно связаны друr с друrом. При выборе
любых двух параметров аВТОlVIатически определяется
третий.
На рис. 3.6, 6 приведены различные вольтамперные
характеристики, которые иллюстрируют взаимосвязь
этих параметров. С увеличением 1 с. нас при ПОСТОЯННОl\1
И пор увеличивается уrол наклона кривой, т. е. величина
gт. При СДвиrе кривой вправо уменьшается И пор , а TaK
же 1 с. нас И уrол наклона кривой lVI0ЖНО предло)кить и
друrие ва рианты изменения па pal\1eTpOB, и.плюстрирую
щие заВИСИlVIОСТЬ ме)l{ДУ И пор , 1 с. нас, gmO.
Касательная к квадратичной зависимости I с === f ( U 3) в
точке 1 с. нас пересекает rоризонтальную ось на расстоя -
нии И пор /2 от начала координат. Это леrко показать, за
писав уравнение касательной в виде у==mх+Ь:
Выражение (3.14) по форме совпадает с квадратич
:{ои заВИСИl\IОСТЬЮ (2.] 9). Эф феКТИВНО l\IУ наПРЯ)I{ению на
затворе соответствует К I 1/ cfп + Из. п, а пороrовому Ha
пряжению (ИЗ И п . с). Если из .?беих частей урав ения
(3 14) извлечь корень квадратныи то получим линеиную
4)(1O 2
3 xlO 2
d" ..
%
..,...
.
%
..,...
%
с;:::..
..;>
.
-<:)
<?
4
/
+
':I
1Ma
500 мка
2)1.10-2
с:3
.
1 )(10-2
4
';:>'1'-
"%.
/
+
-О,
200MKa
100MKa
1 2/ с. нас И 1
с == и з + с нас.
пор
(3.12)
Приравнивая уравнение (3.12) нулю, опреде.пИl\f
пересечения ПрЯl\10Й с rоризонтальной осью:
о
20 мка
5Ml<.a
точку
00
2
8 1/2
VФn+ U зn .
2/ с. нас
и И з == 1 с. нас,
пор
И пор
И з == 2
(3.13)
Рис. 3.7. / с === f (} r Ф П + Из. п ).
и с == 1 О в' транзистор NQ 100 с пара.п.пельной конфиrура-
цией; W / L ' 37; величина фп предполаrается равной 0,8 в.
Так, если Ипор== 5 8, то касательная пересечет ось ИЗ
в точке 2,5 8 (рис. 3.6, а).
4. Зависимость lс, gтп от из. п. Как отм:ечалось в
разд 2.3, ток стока зависит как от наПРЯ)l{ения на за.
творе, так и от напряжения на подложке. Зависимость 1 с
от смещения подложки относительно истока :МО)l{НО по
лучить, подставив в уравнение тока стока для полоrой
области выражение, определяющее пороrовое напряже
ние. Объединяя (2.19) и (2 28), получи,! с.педующvю за
висимость для транзистора с Кdна.пом р типа:
r 12
fC== 2 Kl! cfп+U .п +(Uз Uпс)J.
(3.14 )
зависимость. В качестве иллюстрации на рис. 3.7 приве..
дены rрафики, построенные по экспериментальным дан..
ным. Величина Фil принята равной 0,8 8.
После Toro как мы установили, что напряжение на
подложке влияеl на ток транзистора, возникает вопрос:
какова эсрфективность этоrо ВЛИЯНИЯ или друrИ fИ сло..
вами, какова КРУlизна характеристики при управлении
со стороны подложки?
Крутизна и.пи пер ходная проводимость при управ
ленин по подложке (оБОЗНdченная gтп) ПО"ТIностью
92
r лава 3
Характеристики МОП транзисторов u основные уравнения 93
аналоrична крутизне при управлении по затвору
д/с I
g тп == .
дU з . п Uc::::const; Uз==сопst
(3.15)
близка к линейной Из rрафика, приведенноrо на
рис. 3.3, видно, что функция (Из И пор ) линейна.
Вследствие незначительноrо влияния 1 с на Фи множи"
тель К 1/2 1 r Фп можно считать постоянным в оrраничен"
ном диапазоне ИЗl\lенения тока.
В работе [4] приведен пример использования поле
Boro транзистора с управляющим р n переходом в ка..
честве четырехэлектродноrо прибора.
после дифференцирования ур авнения (3.14) получим
g == ( /2) (из + К 1 J Ф П + Из. п И п . с) К 1 ( 3.16 )
тп ( ) l!
фп + ИЗ п 2
Уравнением (3.16) неудобно пользоваться из за ero rpo..
l\103ДКОСТИ. Рассмотрим более простой случай, коrда ве..
Смещение f 1
на заmfJоре
выхоа
3.2. КРУТАЯ ОБЛАСТЬ ХАРАКТЕРИСТИК
В этом разделе рассматривается работа транзистора
в крутой области характеристик. Вследствие сильной за-
висимости тока стока от напряжения на стоке в этой об..
ласти J.l\II0П транзистор может рассматриваться как трех..
электродныи резистор, сопротивление KOToporo модули..
руется напряжением на затворе.
МОП транзисторы являются идеальными KOMMYTaTO
рами малых сиrНdЛОВ постоянноrо и переменноrо токов
б.паrодаря слеДУЮЩИl\1 четырем свойствам:
1) возможность получения приборов с низким сопро..
тивлением капала (от 100 до 500 ом);
2) возможность изменения этоrо сопротивления от
максимальной до минимальной величины путем измене-
ния напряжения на затворе 1);
3) отсутствие сдвиrа нулевоrо уровня;
4) симметричность характеристик при положитель-
ном и отрицательном направлении тока.
1. Сопротивление стока. В табл. 2.1 приведено ypaB
нение rOKa для транзистора с индуцированным каналоl\tl
р"типа:
и пит
'V ВхоВ
Рис. 3.8.
личина смещения подложки равна нулю. Соответствую..
щая схема изображена на рис. 3.8.
Полаrая из. п==о ПОЛУЧИl\I
gmп [Uз (К.1 ф;; +U П с)]К. (3.17)
21 Ф П
gтп== (Uз Uпор) K .
2} фп
Из уравнения (3.18) следует, что крутизна транзи-
стора при управлении со стороны подложки равна кру-
тизне при управлении со стороны затвора [ (ИЗ
И пор )] Уl\lноженной на коэффициент KI/2 1 Фп' кото-
рый оБЫЧ!lО лежит в предел х O 5 1. ЗаВИСИ:VI0С;ТЬ (3.18)
(3 18)
[ и2 ]
1 с == ...... (и з и пор) и с ...... т .
ДиффереНIlИРУЯ уравнение (3.19), определим
скую проводимость стока:
: : == (Uз U пор ) + иc,
(3.19)
или
динамиче-
(3.20)
1) в работах (5, 6] рассмотрено применение ПО 1евоrо транзистора
с управляющим р n переходом качестве переменнurо сопроти -
/Jе»ия.
94
r лава 3
XapaKTepul rUKU WОП траН3Ul-[ОРО8 u основные lJравненuя 95
Первый член правоЙ части ) равнения (3.20) поло)ки
тельный, а второй всеrда отрицательный (для канала
р типа). Поскольку в hРУТОЙ области хаРdктеристики
IИсl<IИз ИпорlJ ПРОВОДИl\10СТЬ стока всеrда ПОТIожи
тельна.
Выходное сопротивление при l\lалых l," и И С получим,
устремляя И С к о:
СИIvlметричны о rноситеJlЬНО начальной точки. На рис. 3.1 О
приведен rрасрик зависимости rc от напряжения на за
творе
Величина, обратная сопротивлению канала, которое
определяется уравнением (3.21), равна крутизне транзи
стора в полоrой области, определяемой уравнением
(3.3) . Таким образом, сопротивление транзистора во
включенном состоянии непосредственно связано с ero
1000
800
600
с::;:,
,.
с...(,. 400
200
I
16
UЗ, В
Рис. 3.10. rс===t(и з ).
о измеренные значения; I и с . и I < 5О мв.
крутизной. Транзистор с крутизной 1000 МКМО имеет co
противление канала во включенном состоянии 1000 ОМ
(И ==0), транзистор с крутизной 4000 МКМО имеет co
противление 250 ОМ.
ПО даННЫ1\1 ИЗl\lерения параметров, входящих в ypa
внение (3 21), полезно .построить rрафик в лоrарисрмиче
ском масштабе. Если уравнение правильно отражает
связь параметров транзистора, то получится прямая ли..
ния, TaHreHC yr ла наклона которой равен 1. Соответ"
ствующий rрафик приведен на рис. 3.11. Как видно из
рисунка, в области l\lа.лых напряжений на затворе экс
периментаЛЬНdЯ заВИСИl\IОСТЬ близка к расчетной, и
отклонения наб1Jf1даются rолько при больших напряже..
ниях на затворе Для объяснения отклонения rc в обла
сти больших напряжений на затворе необходимо исполь
зовать бо ТIee СЛО)J(НУIО теорию прибора.
1
'с===
(из и поn )
(3 21)
(rc динамическое сопротивление стока для крутой об..
ласти в отличие от rc нас динаIvlическоrо сопротивле
ния стока для полоrой об"lасти).
,
1ls2 U.=--7G, J "'"
-- т'
0,1 I
f
t:S ......
o ?" l'
. lf1
. .
...: ... ::. О, =i.G,
"
... 091
h
",. ,
O,2
,... 42 ... О, 1 О 11,1 8,2
IJ С 6
о
Р и: с. 3.9. Зависи\[ость lc от и с д-пя
крутой области вольта'\1перных харак.
теристик.
При I и с I -<.0,15 в дина\lическое сопротивление равно
статическому, так Kal{ вольта'lперныс хараl\теристики
на этом участке линейны и проходят через начало I\ООР"
динат. В этой области уравнение (3.21) справедливо К31{
дЛЯ переl\lенноrо так и для постоянноrо тока. На рис. 3 9
приведены вольтамперные характеристики J\10П транзи
сторов серии TIXII на участке вблизи начала hООрДИ
нат. уlз рисунка видно, что во 1ыаl\1перные хараl{тери
стики линейны, проходят через начало координат, а их
ветви для по.пожитеТIЬНЫХ и отрицате '"lbIlЫX напря}!\.ениЙ
,
8
I
12
I
20
I
24
I
28
96
r лава 3
Характеристики МОП транзuсторов u основНые уравненuя 97
в rл. 2 предполаrа.пось, что ПОДВИ)КНОСТЬ носителей
заряда в канале постоянна и не зависит от напряжения
на затворе. ПреДПОЛО)l{ение о ПОстоянстве подвижности
аВИСИl\10СТИ у равнение (3 21) lVI0)l{eT быть записано СЛР
ДуIОЩИМ образом:
1
12 200' /30
10 000
8000
6000
1
rc ==
(из) (ИЗ И пор ) ,
(3 22)
200
"
,
o
Тpo
,
" о
I О
"
о о
'"
"
[ дe (ИЗ) отра)l{ает зависимость подви)кности носителей
от напряжения на затворе.
2. gm в крутой области характеристики. Влияние
изменения ПОДВИ)l{НОСТИ на характеристики транзистора
4000
2ООО
(::)
,.
'-. <.J 1000
800
800
400
I ,.
I А , 9т
I »' ,
111. --- 1
... 40 20 О
из, 6.
Рис. 3.1 2. Зависимость крутизны от
напряжения на затворе для крутой
области характеристики.
100
1
2
4 6 8 10 20
(из ипор), 8
40 60 80 100
может быть проиллюстрировано на примере заВИСИ\10..
сти крутизны от режима работы. Крутизна для крутой
области определяется так же, как и в полоrой:
Рис. 3.11. Зависимость динамическоrо сопротивления стока
от ИЗ И пор ддя крутой области характеристики
Кристаллоrрафическая ориентация [100J; удельное сопротивле
иие 1 о . СМ, температура 250 с; t и 1000 Д.
..... расчетные значения [уравнение (3.21) J; о измеренные
значения.
дJ с I
gm== ·
дИ з и ==const
с
(3.23)
ДиффереНllИРУЯ уравнение (3.19) по ИЗ, ПОЛУЧИl\f
gm == UC.
(3.24 )
во мноrих случаях позволяет правильно проектировать
схемы Тем не l\feHee это предположение неверно. В ра..
ботах [7 9] показано, QTO подвижность носителей за
ряда зависит от напряжения на затворе. С учетом этой
Из уравнения (3.24) следует, что gm должна зависеть
только от И С и не должна зависеть от из. (При выводе
этоrо выражения предполаrалось, что входящее в коэф
фициент значение ПОДВИ)l{НОСТИ не зависит от из.)
На рис. 3.12 приведена осциллоrрамма зависимости
gm == f (ИЗ). Как видно из этой осциллоrраl\l\tJы, gm начи..
7 Зак. 31)
98
Тлава 3
Характеристики МОП транзuсторов u основные IJравненuя
9]
нает резко падать при I изl >6 В. ЭТО изменение крутиз
ны вследствие уменьшения подвижности можно учесть,
если в уравнение (3.24) добавить член, зависящий от ИЗО
Дифференцируя уравнение (3.19) по ИЗ и УЧитывая
зависимость подвижности от ИЗ, получим [10]:
Таким образом, имеется две зависимости для сопротив
ления в крутой области характеристики расчетная
I д (из) I ( Ем W ) [ U ]
gm == (Из) и с дU з t;;T (Uз И пор ) иC 2 '
(3.25)
(0000
8000
8000
IJООО
,
"
C Транзистор NE 124
'\
"
,
0-s
,
"
,
"
2
4 6 8 1О 20
(из ипор), 6
40 60 80 100
3.3. ПОДВИЖНОСТЬ
2000
i
<:;:)
1000
; 800
c.. U 600
rде (из) и 11. (из) соотвеТСтвующие функции от из.
Уменьшение крутизны определяется коэффиuиентом
aJl (из) /дИ з , ВХОДЯЩИ1\J во второе слаrаемое
в данном разделе будет выведена эмпирическая за
висимость подвижности от напряжения на затворе. Pac
сматривая rрафик на рис. 3.11, l\10)KHO заl\lетить, что экс
периментальная кривая ОТ1ичается от расчетной на по
стоянную величину, равную ПрИl'vIерно 420 ОМ. Если из
каждоrо значения экспериментальной Кривой вычесть
420 ом, то, как видно из рис. 3.13, зависимость станет
линейной. Таким образом, реальному транзистору COOT
ветствует эквивалентная схема, состоящая из идеализи
pOBaHHoro МОП транзистора, у KOToporo подви)кность
flo не зависит от напряжения на затворе, и последова
тельно с ним включенноrо постоянноrо сопротивления R.
Сопротивление Эквивалентной схемы в крутой области
характеристики при Ис о описывается следующим ура..
внением:
400
200
100 1
Р 3 13 З ав ис имость , С от (Из Ипо ) [урав-
и с. . . J;'
пение (3.26)].
(3 22) и экспеРИ1\iентальная (3.26). Объединяя эти два
уравнения, ПОЛУЧИl\1 зависимость или f.l от ИЗ
1 + R ' )
'с == o (Из И пор ) )
(3 26)
I == (1 и ) + Я.
(из) (ИЗ И пор ) o ИЗ пор
(3.27)
rДе Я==420 ом, /30==82 мкмо/в пара метры транзистора,
Для KOToporo построены зависимости на рис. 3.11 и 3.13.
После преобразования находим
(ИЗ)
o
(ИЗ) ]
J.Lo == 1 8 (Из U пор ) ,
(3.28)
1) При использовании этоrо уравнения следует помнить, что
если бы в транзисторе действительно существовало паразитное по
следовательное СОПротивление. то, возможно, ero влияние преоб ТIa
дало бы и мы не наб.пюдали бы изменения ПОДВИх\'НОСТИ
rде 8== oR
Уравнение (3 28) содержит две константы: f.lo оп
реде.7IЯЮЩ) ю маКСИ IУМ кривой и е опредеТIЯЮЩУЮ
7*
100
r лава 3
форму кривой. Известные автору типовые значения fto и
е приведены в таб.,lице 1)
Материал с кристаллоrра Ри 1 Материал с кр исталло
ческой ориентацией [100] rрафической ориента
цией [111]
1-10, см 2 /в. сек 180 200 240 250
8 ] 0,034 0028
' в
Кремний п типа С удельным СОпротивлением ] 10 О.lU'С,Л-l п и
температуре 250 С
O;::
t::::j..
::t:t::::j
E:
Q.)::t-
::t-C::I
<:.JE
c:::t
cl..
::
t::::>
t::)
с;::::)
't"--
ИЗ рис. 3.11 получаем 8 == uR == 0,0344. Нормализо-
ванная зависимость подвижности от ИЗ И пор для ма-
териала [100] приведена на рис. 3.14.
Если уравнение (3.28) правильно отражает зависи
мость подвижности от напряжения на затворе, то оно
должно также правильно описывать Снижение крутизны
с ростоl'Л напряжения на затворе, указываемое уравне-
нием (3.25). rрафик на рис. 3.15 свидетельствует о хоро-
шем совпадении расчетных и экспериментальных данных.
В качеСтве примера рассчитаем gm при из. и пор ==
== зо в. Вначале опреде.,lИ\1 дf!(Из)/дИ з . Из уравнения
(3 28) имеем
'Ш 6
OW>lVV
д t (из) 81-10
д из [1 8 (и з и пор)] 2 ·
При 8== +0,034/8, !o== +205 сч 2 /8' сек и ИЗ И пор ==
== зо 8 получаеl\f I д (, (Из)/дИзl == 1,72 с.м 2 /8 2 . сек
Из rрафика на рис. 3.14 при ИЗ Uпор== зо в на-
ходим В== +0,495Х82 лtlCмо/в== +40,6 MK.AtO/B
6
е и W == == 82. 1 О == О 4 . 1 О 6
t и L 1-10 205 ' ·
Из уравнения (3.25) находим gm== 406. IO 6. ( 0,5)
1,72(0,4. IO 6) [( 30) ( 0,5) О.125] == (20,3 10,2) Х
Х 1 O == 1 0,1 мкмо. На рис. 3.15 эта точка ПОмечена Kal{
«расчетная точка»
(3.29)
ч'"')
с:::)
"""
с::)
I} в таблице приведены данные только для ..lByx крисrа.].rIоrра
фических ориентаций кристалла [100] и [111], поскольку B Вреl\fЯ
работы над книrой отсутствова 1И данные Д 'IЯ друrпх ОрАентаЦIIЙ.
-r-....
о) 00 r-...
с::::5 t::::::>. r:::5 .......'
о,{ ,J flШ:JОНЖТlВРОU I1vHHVlloCТll/vwdOH
<:::)
v)
c::::::,
..
r----
Q
с
с:
::::,
С':>,
::::, cr)
t::) ........,
C'JI
«::::>
't"--
«::::>
с::::,
'\t
<::::>
"'"'
....
CI.
CI
';;;;:)С
I
с;::::) ::::, м
C"\J..........,
I
с;::::)
.......
с::::,
<::::::1
f-4 ::s::
о f-4
(.)
t:t:::
Ь.о'8
I I ...
а> C:Q
::r 0..l.C
::s:: а> ..
.e. o
11 .
f-4 () tC
S
..Q ::s::
f-4 О . t:::..... 11
(.) f-4 ,........,.....
0>'::S::f-40c:Q
:;g о.. f-4 (.) О ...
.... (.)::S::.....-4 .
...... ::s:: o.. o
(.) o..
::s:: а
t:Q t::: ..... "
I:t ::s:: M
М C'I::f
0.......-4 "'"
о. Е;' C'I
. О :х: =r:: ..... 00
t:: U "
. 0..0
I :::r о ,,,", са.
с) C'I
м :у)
CJ c\j
::s:: о.. c\j о..
"" I \O O »
(.)f-4
I I
::s:: ....
.....
(.) ..е-
о
о..
::s:: о q
f-4 t::: о
(.) t::: 11
о c\j
f-4 Ф
(.)
::s:: .
::s:: о.. U
t:Q а.> о
I:to.. LC
О О
t:Q ,......,
f-4 ......... :\s
00
..Q c\j
f-4 (v) >.
(.) c\j ......... Е--<
О c\j
::; а>
::s:: ::s:: а>
(.) ::s::
::s:: с) :;g
t:Q(]) (])
t:Q Е--<
c\j
р. о'
o.. >.
.......... о
c\j .....-4
........
c\j .........
t:Q Е--< o..
00 о ::s::
(v) t:: :::!
::s:: ::s:: :::J c\j
t::: (]) I Е--<
c\j t:::
::;(1)....... м (])
p..E--< :::J ::S::
о o..
::r:: CD о
I
c\j
(.)
'! с)
::r
(.) о
::s:: :.
...........
р... ;:1
102
rлава 3
ЛИТЕРАТУРА 1)
1. S.e v i n.L J., Field efject Transistors, Texas lnstrumellts Electro-
l S Sепеs, l\lcGraw-Нill, New York, 1965; русский перевод: С e
2* Н е 7 mЛ ' Полевые транзисторы, изд во «Советское радио», 1968.
'. n F. Р.,. н о f s е 1 n S. R., Metal oxide semiconductor
3* J l effect Tran lstors, Electroпics, рр. 50 61 (Nov. 30, 1964).
. а р V., р 1 е r s о n G., К u е h 1 е r Н., L о v е 1 а с е В. К.,
search rs Turn to Germanium for а 1\10S Field effect fransistor
ectroпtcs, рр. 64 68 (Nov. 30, 1964). '
4. L а t h а m D. С., L i n d h о 1 m F. А., Н а m i 1 t о n D
r:iи;псу Operation of Four terminal Field effect ira is -
Trc: ns . Electron. Devices, ED..II, NQ 6, 300 305 (June 1964):
5. S h е r w 1 n J. S., Voltage Controlled Resistor Solid State Design
р. 12 (Aug. 1965). ' ·
6. а t i d Т. В., Circuit App1ications of the Field Effect Transistor
етЕСОn . Prod., part 1, 33 39 (Febr. 1962)' part 11 30 38
(March 1962). ' ,
7. а n g F., Т r i е Ь w а s s е r S., Carrier Surface Scattering Inver
10n Layers, IBM J. Res. Develпp., 8, NQ 4, 410 415 (Sept 1964)
8. о е r А: В., F а 11 g F., Н о с h Ь е r g F., Hall Measurement
оп S111con Fleld Effect Transistor Structures. 1 В/й J. Res. Develop
8, .NQ 4, 427 429 (Sept. 1964). .,
9. С о 1 m а n D., 1\1 i z е J., Hole Mobility in P type Inversion Layers
оп Thermally Oxidized Silicon Surfaces, IEEE So1id state Device
Re . Conf., Evanston, 111., June 1966.
10. М J Z е J ., Texas Instruments Inc., часТное сообlцение.
t) Статьи, оТмеченные звездочкой, опубликованы в русском JIe e
воде в журнале Электроника (Electronics). Прuм. ред. Р
rлава 4
ПЕРЕХОДНЫй ПРОЦЕСС
МОП транзисторы относЯтся к весьма быстродеЙ
ствующим приборам, собственная предельная частота
которых находится в области 1 Fёц Однако в реальных
схемах фактически частота переКЛlочения оказываетсЯ
на два три порядка ниже собственной частоты. Низкая
скорость переключения объясняется влиянием паразит..
ной емкости 1), которую необходимо перезаряжать в те..
чение переходноrо процесса. В данной rлаве рассматри-
ваются проuессы переключения МОП-транзисторов.
4.1. ПРЕДЕЛЬНАЯ ЧАСТОТА
Напомним, что коэффициент добротности приборов,
управляемых напряжением, равен grrJC Bx , rде С ВХ
входная eJ\ilKOCTb прибора Это отношение соответствует
ширине полосы частот caMoro прибора на уровне 3 д6 2) .
Крутизна транзистора в полоrой области характеристи..
ки определяется выражением (3.3): grn== (ИЗ И пор ).
Входная емкость это емкость плоскоrо конденсатора
с площадью пластин, равной А, и расстоянием между
rтластинами t и :
С Ави
ВХ == Т ·
(4.1)
l} Паразитная емкость определяется как емкость, которая не
является необходимой для работы транзистора. Поэтому емкость
сток подложка при расчете предельной частоты исключается.
Идеализированная модель транзистора имеет пренебрежимо малую
паразитную емкость Этим условиям соответствует преде,,'!!)ная ча
стот а.
2} Произведение крутизны на полосу частот и предельная ча
стота МОП транзисторов рассмотрены в раб\:>те [3], указанноЙ в ли
тературе к rл. 2.
104
rЛйRй 4
п ереходныи процесс
105
Iз выражений (3.3) и (4.1) ПОЛУЧИIvl КО:Jффициент доб-
ротности 1)
m == r2 (ИЗ И пор ).
(4 2)
сти, являющееся управляющим напряжением, не обяза-
тельно должно быть равно входному напряжению. Если
предположить, что паразитная €MKOCTЬ равна нулю, а
наrрузка чисто активная, то отсутствует задержка по
времени между выходным и управляющим напряжения..
!vlИ. Для paccMoTpeHHoro примера скачок входноrо Hd..
пряжения проходит через емкость С з с задержкой, рав"
ной ПРИl\1ерно 0,2 нсек [уравнение (4.3)]. Напряжение на
выходе совпадает по вреl\1ени с управляющим (И rпр ),
U num Измерительная
оомотка
К ШUРРI<ОПОЛОСНОМУ
стРО ОСl<опuчвскомg
ОСfJ,l1ллоzрафу
KqpoтK ие
nepeifHUu. 11 заilнu.tl
I фр онтыампульса
BXOfJHOU
о
I1мпильс
I(aK видно из уравнения (4.2), коэффициент доброт
ности зависит от длины канала (в направлении протека..
ния тока) и не зависит от ero ширины. Следовате..пьно,
r
'J
I
и с
I
"""
I
I
J ВыхоВ с 1 f
"П u пnр
т с
I
I
J
8хоа
rf{QНQЛ
' р
.....L
Рис. 4.1. Эквива.;1ентная схема для
определения предельной частоты.
t-+
при увеличении ширины канала предельная частота не
возрастает, так как с ростом крутизны одновременно воз.
растает и е1\1КОСТЬ. НаПРИ lер, у кремниевоrо транзисто
ра с пара1\1етрами L === 5 AtK..1t, t === 200 C/ t2/8. сек собствен-
ная предельная частота в ре)киме ИЗ Ипор=== IО 8
равна:
рис. 4.2. Схема измерения обственноЙ постоянноЙ вре-
мени транзистора
fc === : == 1,7 r2t'.
(4.3)
т. е. идеализированная cxelVla обладает очень малым вре..
l\leHeM переключения. Совсем друrоЙ результат получит..
ся, если учесть паразитную емкость на выходе. Как и в
первом случае, входной скачок проходит через С з с за..
держкой 0,2 нсек. Через 0,2 нсек включается reHepaTop
и начинает вырабатывать ток, равный gтИупр. Однако
теперь требvется значительно большее время для
установления выходноrо напряжения Для оценки реаль-
ной скорости переключения раССl\fОТРИМ характерные для
ие значения параметров. Используя соотношение 'l ===
== с И, при С пар === 1 пф, И === 1 О 8, 1 === 0,2 ма, получим нре..
мя переключения, равное 50 нсек. Это в 250 раз больше
собственноrо вре1\.fени переключения
ИЗl\fерение собственной постоянной времени l\fОЖРТ
быть проведено при фиксированном напряжении сток
исток (чтобы не происходил перезаряд выходной емко..
сти) путем измерения реаКllИИ выходноrо тока на
скачок ВХОДноrо напряжения Измеряя временные
(В реальных cxelVIax, rде преобладает влияние паразит..
ных емкостей, предельная частота переключения orpa..
ничена величиной 1 2 М2Ц )
Физический смысл предельной частоты можно пояс-
нить с помощью упрощенной l\fа,,10сиrнальной эквива..
лентной схемы l\10П транзистора, приведенной на
рис. 4.1. Входная uепь состоит из е'\1КОСТИ затвора и co
противления канала, paBHoro в пеРВОl\I приближении
l/g т . Поскольку сопротивление участка затвор канал
имеет очень большую величину в эквивалентной схеме
оно не учи тывается Отметим, что напряжение на емко..
1) См. работу [15], стр. 345, указанную в !Jитературе к rл. 2.
106
rlaBa 4
ПереходflЫU процесс
10
параметры выходноrо тока, можно определить значение
предельной частоты транзистора. Схема измерения при
ведена на рис. 4.2.
точки транзистора в случае скачка напряжения на BXO
де наложенная на семейство характеристик этоrо при
бора. Коrда Тр 1 закрыт, конденсатор заряжен до напря-
жения U пит (точка P 1 ). При MrHoBeHHoM изменении Ha
пряжения на затворе до отрицательной величины И Э
рабочая точка за пренебрежимо малое время переме..
щается из Р 1 в Р2. От точки Р 2 дО ТОЧКИ Р з транзистор
4.2. ВРЕМЯ ПЕРЕI(ЛЮЧЕНИЯ МОП-ТРДНЗИСТОРД
1. Схема с общим истоком. На рис. 4.3 приведена
схема, используемая для измерения времени включения
МОП транзистора работающеrо на емкостную наrруз-
КУ (на схеме изображен транзистор с каналом р типа).
из
°h I L p f l i t J (t)
lOD U Трl 2 С L
С = 0,ОО4мl<.ф
:::с.
-OQ
::::,
«:..)
t:::I
,...... tt:::
"
<
I
ис=из uпор
Поло zая nоласть
характеристик
и пит
Uз= 10D
ТраектОр/1Я
раdочва точки
рис. 4.3. Схема, используемая для измерения
времени включения МОП транзистора, рабо-
тающеrо на е\1КОСТНУЮ наrрузку.
иCД10
11
U пuт
Az
и 1
Рис. 4.4. Траектория рабочей точки при
ВКЛючении траНЗИСТ,)ра.
Конденсатор С заряжается через большое сопротив-
ление R и разряжается через МОП транзистор. Предпо..
лаrается, что сопротивление R мало влияет на вреl\IЯ
включения 1). На рис. 4.4 показана траектория рабочеv
работает в полоrой области и представляет собой rеие-
ратор постоянноrо тока, при этом
Ic == (Из И пор )2.
1) в случае инвертора, выполненноrо в Биде ИС. на управ.пяю-
щем транзисторе, находящемся в OTKpblTOl\1 СОС10ЯНИИ, может па
дать существенная часть напряжения, которая оr;ределя т('я вели
чиной стаТическоrо TOh.a наrрузки. Из за этоrо тока Время ВК.ПЮЧе
ния инвеDтора буде1 несколько иным. Учет тока наrрузКИ /н требует
очень rромоздких алrебраических преобразований По мнению aB
тора, результат, который дают эти выкладки не ПОзВоляет считать
их целесообразными. поэтому при анализе времени вк lЮ4ения ток
I н не учитываеТся. Как будет показано НИЖе, полное вр мя пере
к.пючения реальной Слемы инвертора оrраничивается наrРУЗ0ЧНЫМ
транзистором. По этой причине нет необходимости в более rочном
rасчете времени вк.тIючени .
Следовательно, время перехода из Р2 в Рз равно
t == СИ == 2С I И 2 И 1 (
/ с I I (И 3 и пор)2 ·
Уравнение (4.4) определяет время заряда емкости до
заданноrо напряжения reHepaTopOM тока. I(оrда рабочая
точка достиrает Р з условия изменяются, так как рабо..
чая точка транзистора переходит в крутую область ха..
рактеристики, в которой справедливо уравнение (3.19).
(4 4)
в
U iR = 1
(из иnop lL(t)
0,1 =e
CT ) и 1
о 1 2 3 4 5 6 7
t/T
108
r лава 4
Как следует из рис. 4.3, ток через конденсатор равен
току транзистора, поэтому
C d /t) == (Uз Uпор)U(t)+ U 2 и). (4.5)
10
0,9
Решая это vравнение относительно U (/) (выходное
напряжение на конденсаторе) и нормализуя результат,
получим
0,8
и (t)
И 1
2е t/1:
1 +e t/1:'
(4.6)
0,7
rде т 1) === C/g т ; glп=== (ИЗ u пор ); И 1 === ИЗ Ип()р. На
рис. 4.5 для сравнения приведены rрафик зависимости
(4 6) и экспонента Выходное напряжение И (/) норма..
лизовано относительно напряжения И 1 , определяющеrо
rраницу между крутой и полоrой облаСТЯl'vfИ. При 1===0
напряжение на конденсаторе равно U 1 , или 1 в HopMa
лизованных координатах.
rрафики на рис. 4.5 позволяют сравнить между
собой процесс разряда одноrо и Toro же конденса-
тора через .л.'10П транзистор, постоянный реЗIIСТОр с
сопротивление1\1 R == 1/ gт, и reHepaTop тока, paBHoro
( /2)( ИЗ И пор ) 2. Сопротивление R определяется на..
чальным наклоном вольтамперной характеристики N\ОП-
транзистора (вблизи начала координат). Из рисунка
0,6
0,5
,,-.......
'---'"
0,4
l} Расче1 времени перек,пючения может быть существенно упро
щен соответствующим выбором норма,пизующей постоянной нремени,
в качесТве которой здесь принята ве,пичина С g т. В ЭТО\{ случае
для расчета времени включения определяртся лишь соответствую
щий коэффициент, ве,пичина KOToporo может меняться от 2.2 до 18.
С помощью введечноrо понятия постоянной времени проводится aHa
..ТIоrия между Л10П транзистором и .пинейной RС цепью, в которой
сопротив,пению R соответствует ве,пичина 1 (ИЗ И пор ).
в разд. 3.2 это сопротив lение канала рас(мотрено довольно
подробно. Оно опреде,пяется нача,пьным нак,поном во.пьтаМi1ер IОЙ ха
рактеристики (вблизи И с == О) при заданном ИЗ. На рис. 4.6 нача,пь
ный нак,пон во,пьтамперной характеристики определяетсq индек
сом R.
На том же рисунке показан и менее удобный выбор сопротив
,пения, входящеrо в постоянную времени. Статическое сопратив,пе
нне Rl равно наПРЯ)hению питания, де,пенному на ток KopOTKoro за
мыкания; хотя и в этом с,пучае получается правильный оТвет (при
выборе соответствующеrо коэффициента), однако расчет оказывается
Нtудобным н бо.1ее C.10:tI\HbI\l.
U t = Uз UПОD
U З
U
. 100 КОМ
) u(t) 2e..tjT
С т u(t) = t/T
.....L Т и 1 1+ е
,
МОП транзистор
Рис. 4.5. rрафики, иллюстрирующие разряд одНоrо
и Toro же конденсатора через МОП транзистор
с заземленным истоком (крутая область характе-
ристик), через постоянный резистор и reHepaTop
тока
А изменению напряжения с 1 0% -Horo до 90 % Horo
уровня соответствует 2,74т; (Т == C/g m ), gm ==
== в (ИЗ' и пор).
Б изменению напряжения с 10 00 Horo до 90 % -НQrО
уровня соответствует О,8т; 1 (U з U пор )2.
В изменению напряжения с 1 О <}о Horo до 90 00 HOI'O
уровня соответствует 2,2't; (Т == RC).
110
r лава 4
Перелодныu процесс
ВИДно, что время разряда конденсатора через МОП
транзистор больше времени разряда через сопротивле
ние R и через reHepaTop тока. Это объясняется тем, что
величина сопротивления R определяет наименьшее зна
чение переменноrо сопротивления канала 1\10П-транзи
стора, а reHepaTop тока, paBHoro по величине начальноrv1\
.J
reHcpaтop
Hf113MeHHOZO
тона} paBHOZO 2
/2 из ипор)
Крутая оолость харахтсристак
моп транзистора
f вил == 2,7 4т. Таким образом, для определения времени
переключения в крутой области характеристик необхо..
димо лишь подсчитать постоянную времени Т== C/g т ,.
Для проверки соотношения (4.6) производилось из..
мерение времени переключения в схеме, приведенной на
рис. 4.3. Влияние паразитной еl\IКОСТИ на результаты из
мерения устранялось выбором в качестве наrрузки кон-
денсатора с достаточно болыпой емкостью. Для Toro
1, ми
R= R7
( на.чальныii
НU/fЛОН)
6x10 '2
5x10 2
и с , в
и с = из uпор
{paHи a межп-l/..
/fPlIтOl1 u полоz'fJи
оолас'п'fямu характеристин
2
4 x10
1 i з 10 2
'> 2 xl0 2
1 '(10 2 и пор
1
з 4 5 6 7 8
из, В
Рис. 4.7.
И пор === 3,54 в; В=== 184 мкма/в;
меренные значения.
"-
х арах те ристиха
MOrт траНЗl1стора
пPfJ постоянном из
\ из и пор )/2
9 10
Рис. 4.6.
из..
току разряда, всеrда обеспечивает более быстрый раз
ряд конденсатора. В начале разряда статическое сопро
тивление МОП"транзистора R] равно 2R. По мере Yl'vfeHb
шения напряжения на стоке ДО нуля статическое сопро
тивление транзистора уменьшается от Rl дО R. В связи
с этим разряд конденсатора Через МОП-транзистор
происходит быстрее, чем через сопротивление Rl' На
рис. 4.6 приведены для сравнения вольтамперные xapaK
теристики МОП-транзистора, постоянных резисторов R
и Rl И reHepaTopa неизменноrо тока.
Построенным на рис. 4.5 rрафИКОl\f леrко Пользовать
ся. Время переключения обычно определяется от 900/0.
Horo уровня до lO%"Horo. Проектируя точки 0,9 и 0,1
нормализованной кривой на rоризонтальную ось, полу
чим нормализованное время переключения 2,74, т. е
чтобы рабочая точка не вышла за пределы крутой обла..
сти, напряжение питания устанавливалось равным из
U пор (напряжение И 1 на рис. 4.4).
С помощью eMKocTHoro моста была измерена емкость
конденсатора С==0,004 мкф. Далее были измерены пара..
метры транзистора. По двум измеренным точкам был
построен rрафик зависимости r /с ==f(Из) (рис. 4.7).
l-1з этоrо rрафика была найдена величина И пор . По най"
денному И пор и измеренному ИЗ из соотношения lc ==
== ( /2)( ИЗ И пор ) 2 определялась постоянная транзи-
стора , которая оказалась равной 184 МКМО/В. l-1з урав-
нения (4.6) при Из== lО в (амплитуда импульса) полу
чаем:
gm == ( 1 О + 3,54) · 184 == 1190 МКА10.
112
r лава 4
п ереходныи процесс
) 13
Да lее находим постоянную времени
С 0,004 . 1 0 6
't == gm == 1190. 10 6 == 3,35 мксек
Из rрафика на рис. 4.5 находим расчетное время вк.пю"
чения 2, 7 4't, или
2,74 Х 3,35 мксек == 9,2 мксек.
На рис. 4.8, а приведены эпюры входноrо и BЫXOД
Horo напряжений. Большое время выключения на вы-
ходе объясняется большой ПОСтоянной времени заряда
ная схема инвертора и cOBMeuцeHHoe семейство вольтам-
перных характеристик управляющеrо и наrРУЗОЧНОI О
транзисторов
иС 1 Unu.m
J Наерузочныu
/' транзистор
р 8мсо8
О .xoa П
BcXOOH;l 1"" I C h
имп!Jл ё U
из y: В::::c :. Tpl 1
а
' ( 08
C::::
CXJ
lOо
( 08
.
.c
1O
......
ci'З
90%
1
u,
10 U
о
О Включение
:-1
6,5 м/<.свк
t::!
а б
рис. 4.8. Сиrналы на выходе инвертора.
Масштаб по rоризонта,пЯ\1: а 1 I1ttCeK/ae 'leHue; б 1 .Ji/\,ceK/ae 'zeHlle.
{.)
.....
I
и см
Rн=f(щt)).. k UЛОР
ПеремеННblfi ' Вь/:со8
резистор
I
I и( t }
' I
В .:; ' .....
ХОи "h I -=-
Упра8ляюш.иiiJ J .
транзистор ..1_
б
u
НаZР!Jзочная прямая
постОЯННО20 резистора,
деtlст6ующее напряженuе=U пum ипо
Наzpузо чная прямая ПОСf!10ЯННОZО реЗl1стора.
/' iJеист6уюш,ее
напряженu.е ::. и пиrn
(R.c=== 100 комХО,004 мкф). При появлении на входе от..
рицате.пьноrо 10 вольтовоrо Иl\1пульса напряжение на
ВЫУОДе достиrает нулевоrо уровня На рис. 4.8, 6 в
УRеличенном масштабе показано полученное эксперимен"
та.пьно изменение BbIxonHoro напряжения во время вклю
чения транзистора. Как видно из рисунка, время вклю"
чения, которому соответствует изменение напряжения от
1 О О/О Horo уровня до 90 о/о Horo, равно приблизите.пьно
6,:) мксек.
2. Схема инвертора с транзистором в наrрузке при
соединении подложки с истоком. Полоrая область ха..
ракт ристик. В ИС в качестве наrрузочноrо сопротив
ления удобно использовать МОП-транзистор 1). На
рис. 4.9, a в приведены соотвеТСlвенно ПРИНUИПl1альная
CXel\13 инвертора с траНЗИСТОРО\1 в наrрузке эквивалент..
НаZР!JЗ0чная криВая
МОП транзuстора, раdотающеzо
6 полоzоd ооласти характерuстш<
uc u. J 6
В
Рис. 4.9. Заряд конденсатора через наrрузочный транзи-
стор, работающий в полоrой области характеристик.
а инвертор с МОП -транзистором в наrрузке, исток сое..
динен с подложкой; 6 эквивалентная схема наrрузки;
в вольта\1перные характеристики упра..в.пяющеrо и Harpy
зочноrо транзисторов, а также линеиноrо резистора.
При включении управляющеrо транзистора Тр I кон-
денсатор Св (рис. 4.9, а) полностью разряжаеrся.
При выключении Трl конденсатор СВ заряжается через
1) См. разд. 5.1.
8 3ак. 311
114
/ лава 4
наrрузочный транзистор 1). Ток заряда [с зависит от
напряжения на конденсаторе. Наrрузочный транзистор
всеrда работает в полоrой области, так как ero затвор
соединен со стоком (раССl\lатриваются транзисторы с ин
дуцированным каналом). Уравнение тока транзистора в
полоrой области имеет вид
/с== (Из И пор )2.
Переходныu процесс
115
Рассчитаеl'Л в качестве ПрИl\lера время выключения
инвертора и сравним результат с данными измерения..
0,9
Приравнивая токи транзистора и конденсатора, по lУЧИМ
dU (t) В ) 2
С dt == 2" [И см и (' и пор] ,
0,8
0,7
rде U (t) выходное напряжение на конденсаторе.
Решая это уравнение относительно и (/), ПОЛУЧИf\,f
уравнение заряда конденсатора через Harp) 10 'JJIЙ МОП
транзистор:
0,6
:s 0,5
'--"'"
;:i
и и)
и}
'/т:
2 + t/T '
(4.7)
rде Ul==Исм И пор (конечное значение)2), T==C/g т ,
gт== (UCM Ип()р).
ЗаВИСИ1\10СТЬ (4.7) отличается от экспоненциальной.
На рис. 4.10 приведен rрафик, построенный по уравне..
нию (4.7), а также для сравнения с НИl\f rрафик экспо
ненциальноЙ за ВИСИ1'vfОСТИ за ряда конденсатора через
Постоянный резистор. Из рисунка видно, что заряд кон..
денсатора через Л10П транзистор происходит rораздо
медленнее, чем через резистор. Это обстоя rельство объ..
ясняется тем, что, по мере Toro как напряжеf-Jие на кон..
денсаторе приближается к веЛИчине и СМ И пор , МОП..
транзистор начинает запираться и все в большей сте..
пени оrраничивает зарядный ток. Л10П"транзистор
можно представить в виде нелинейноrо сопротивления,
величина KOToporo увеличивается с ростом напряжения
на конденсаторе (рис. 4.9, 8). ИЗ rрафика на рис. 4.1 О
находим, что время за ряда конденсатора от 1 О О/о "Horo
уровня до 900/0 Horo составляет 17,8 т.
0,4
0,3
0,2
О, 1
1,0
1 R1 9т
C..I.. u(t)
иtt) 1
=eT 10Х !Jorx = 2 2 т \ Т= RC)
и 1
u(t) = t/T 10'Х 90% = 17,8 т 1Вт
.......... и 1 2+t/T
r = С /9т
и см U пuт
LJ
)
-::::--Т
и 1 = и см и пор , 9 т = (иCM и пор )
о о 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
t/T
р и с 4.1 О. rрафики, иллюстрирующие заряр:' одноrо
и Toro же конденсатора через наrрузочныи МQП..
транзистор, работающий в по.поrо области характе..
ристик и Через постоянныи резистор.
Транзистор, рассмотренный в предыдущем примере,
имеет следующие параметры (рис. 4.7): == 184 МКМD,
U пор == 3,54 8. При напряжении питания И ПИТ == ] О в
КРУТИЗНd gm составляет I84 ( lO + 3,54) == 1190MKAto,
1) Предпо.паrается, что Тр l ВblК 1ючается практически MrHOBeHHO
2) См. примечание к разд. 5.1.
8*
116
r лава 4
п ереходный процесс
117
а постоянная времени T===C/g,п=== (4,1 · lO 9)/(I,lg. 10 3)
=== 3,35 мксек.
Время выключения t выил === 181' == 18. 3.35 == 60 мксек.
Измеренная величина равна 48 мксек. При U ПИТ == 15в
крутизна возрастает до 211 О МКМО, ЧТО приводит кумень..
шению т до 1,90 мксек Расчетное и измеренное значе..
ния времени ВЫКtl1ючения при этом равны соответст"
венно 18.] ,90 == 34,0 и 40 мксек 1).
Быстродействие цифровых схем на МОП транзисто"
рах оrраничено обычно большим временем выключения,
связанным с длительным заРЯДОl\:1 емкости через Harpy
зочныЙ транзистор, в то вреl\IЯ как разряд через упра..
вляющий транзистор происходит сравнитеJIЬНО быстро.
Для уве.пичения рабочей частоты схем часто исполь..
зуется весьма эффективныЙ способ уменьшения времени
заряда емкости путем подключения затвора наrрузоч..
Horo транзистора к дополнительному источнику питания
iUсмl>IUпитl (рис. 4.11,а). Частотные свойства ин
вертора значите.JlЬНО улучшаются при работе наrрузоч..
Horo транзистора в кр)той области характеристик, для
чеrо необходимо, чтобы
работе наrрузочноrо транзистора в крутой области ха..
рактеристик. ки Т р ан
ВыведеlVI уравнение заряда, приравнивая то ..
зистора и конденсатора,
с dИ (t) === [ и и (t) U ПОР ] [U ПИТ U (t)]
dt см
+[Uпит U(t)]2, (4.8)
['де И (t) выходное напряжение. После преобра10ва..
ния ПОЛУЧИl\1
с
(И СМ И пор )
dU (t) и 2 (t) U шr (4.9)
dt == U ПИТ U (t) + 2 (И С,l И пор) .
I U см I , u ПИТ , >, u пор ,.
р е пив обе части уравнения (4.9) на И ПИТ , ()бозна
аЗД u ll /( И U ) == т (что справедливо в случае
чив пит СМ пор А ( ии ) полу..
О <. пl <. 1) и определив gm как p СМ пор, ..
чим нормаЛИЗ0ванное дифференциальное уравнение (ко
эффициент т характеризует, насколько «далеко» Harpy
зочныЙ транзистор заходит в крутую область характе..
ристик) :
d [И (t)fИ пит ] == 1 и (t) + 1. [( U (t) у 1] т. (4.10)
gm dt И пит 2 И ПИТ
3. Схема с транзистором в наrрузке при соединении
подложки с истоком. Крутая область характеристик.
Возрастание скорости переключения в крутой области
характеристик объясняется Te l, что большое напряже..
ние на затворе предотвраuцает запирание наrрузочноrо
транзистора во время переходноrо процесса. Чем больше
напряжение на затворе, Tel\f ближе к линейной стано..
вится наrрузочная вольтаI\fперная характеристика (см.
рис. 4.9, в). В пределе при ис"\! 00 наrрузочная харак"
теристика МОП-транзистора совпадает с характеристи..
кой постоянноrо резистора, время перек.пючения кото..
poro равно 2,2 1'. Таким образом, теоретически возмож"
но восьмикратное увеличение скорости переключения при
Полаrая C/g т == l' == С/[ (ИСМ И ПОР )] И разделяя пе..
ременные, получим
t U (t)/u ПАТ
f ==f
О о
d [И (t)fИ ПИТ]
112т [и (t)fИ пит ]2 [и (t)fИ пит ] + (1 112т)
(4.11 )
1) Более подробно процессы переключения схе1\1 НЗ ..'10П тран
ЗИl торах рассмотрены в раБОfе [1].
После интеrрирования уравнения (4 11) получаем зави
симость нормаЛИЗ0ванноrо выходноrо ::z пряжения ОТ
нормализованноrо времени и параметра
(2 т ) ( 1 е (t/,t) (1 m»
И (t) ==
2 m ( 1 + e (t/'t) (l m» ·
И пит
( 4.12)
j <::::)
t:::)
cv)
2i
,..... Q:)
C'\J с:::::, I
1/ "J ..... cl)
::S:: Е-<
r-... В'
............ Ш DtA'
QC\1
С\10..
Е-<С\1
<>---з. 1" о ><
1 00 \O..Q
U О ........., со.) с:::> с\1 t-<
0..(.)
с\1
.. .
00 0.\0 о'
OO
t-< .
(.)o::
::S:: с\1
с.с C\") c.>
O::S::
o.
t-< О .
It::::;g
(о t:::1(.)
,....... O ..........
['.. II
...
.......... ............
'" ::s:: t:
-t...J JS ..........
4..) :S:::::::>
t:r'o..
t:::! о t::
С\") с\1
t::) о. .
=o::
с\1
C::! \#
<\) r-;;: м t: Q
t:::::J ... cl) о::
CI О \#
t:::: C , с:::::,
I I ,....... t:r' <=> м
с"') ..........
O U со с\1
I c::r o.
.............. О=Е-<
Е-< Е--- c\i
с\1 ;:L.
Е I се (.) ..... :s::
с:::) о.. t::i
::s с:::)
$ C'\J Cl)Cl)o..
t::::{t-<O
11 11
о с\1 :s::
):::::! Е: r o.
с\1 :::G
с:::::5 >< ::S::
t::::{ t-<
'" t:t:: ::S:: с,)
o..t-<:S::
1C,j С\1<'>о.
::::S cY)C'V
t:'f)
'CU \о
I c"-l O
.:!:::. t::::> ... :s:
t:) 00 се t:::) 00 се C'-J t::::) O
.. с::::; c:::s c:::r с:::> t::;) c::::r c::::r с:::$ с::::) t-<
.
ШТ1"lJ XIQg л (.)0.
ШТJUп XIQg Л :S::
,
120
r лава 4
ПрреходflblU процесс
121
Семейство кривых, соответствующих уравнению (4.12)
для различных т, приведено на рис. 4.1] 1) (в обычных и
в полулоrаРИфl\1ических координатах). Параметр т ==
== И пит / (И СМ И пор ) изменяется от нуля (коrда И СТV1 бес..
конечно велико) до I (коrда и пит > и СМ И пор ).
При m == О зависимость (4.12) превращается в экс
поненциальную, описывающую заряд конденсатора через
ПОСтоянный резистор, при ЭТОl\1 время заряда равно
2,2't. При т == 1 уравнение (4 12) можно упростить с
помощью правила Лопиталя, в результате чеrо полу"
чается уравнение (4.7), соответствующее работе Harpy..
Зочноrо транзистора в полоrой области с временем пе..
реключения 18 '{.
Информация, содержащаяся в rрафиках рис. 4.11,
может быть представлена в различной фОрl\1е. На
рис. 4.12 приведена зависимость вреl\fени переключения,
соответствующеrо ИЗl\!енению выходноrо напряжения от
1 О О/о -Horo уровня до 900/0 -Horo в функции норм ализован..
Horo напряжения.
Рассмотрим в качестве ПРИlVlера типичные значения
напряжений: И см == 24 в; И ПИТ == J 2 в и И пор == 5 в;
им соответствует m == 0,63. Из rрафика следует, что при
т == 0,63 время перек.Тlючения равно 4,6 '{. На этом при
мере видно, что с помощью дополнительноrо источника
питания, обеспечивающеrо I И СМ 1> I И ПИТ 1, время пере..
к.пючения уменьшено с 18т ДО 4,6 т. Конечно, абсолют-
ное время переключения зависит от постоянной времени,
однако при равных величинах 't == C/g m переключение
при работе транзистора в крутой об.пасти происходит
почти в четыре раза быстрее, чем при ero работе в по..
лоrой области. Путем изменения rеО1\1етрических разме..
ров транзистора можно одновременно с увеличением на..
пряжения на затворе (для более быстроrо переключе
ния) сохранить неизменной ero крутизну (и постоянную
времени). При это 1\1 условии потребление мощности по
постоянному току остается неизменным, хотя коэффи
циент постоянной времени уменьшается Увеличение CKO
20
18
10
8
Б
и BeDXHuu
CJ"um пре оел 18т
c J u ll ..
u .. I
nu.m
т=
UCM ипор I
I 1 I 9(2 1,9 т)
lп,
1 т I 2 1,1 т
I
I
ПРl1мер
I
t--
""
4
м
oj...)
2,2 НI1Ж l1U
2 преоел 2,2 т
I
о
0,2
[}.4 0,6
т
0,8
1,0
Рис. 4.12. Зависимость времени за-
ряда от параметра т (при изменении
напряжения с 1 О % Horo до 90 % -Horo
уровня).
рости перек-пючения не приводит к увеличению потре..
бления статической МОПI.ности в цепи стока. С друrой
стороны, увеличение напряжения на затворе при сохра-
нении неизменной rеометрии транзистора приводит к
увеличению крутизны. В этом случае постоянная времени
и ее коэффициент также уменыпаются, однако т:перь
большая скорость переключения достиrается ценои по..
требления большей мощности. u
4 Схема с транзистором в наrрузке при заземленнои
подлпжке. fiеСl\10ТРЯ на то что кривые на рис. 4.11 описы
вают время переКЛЮ Iения наrрузочноrо транзистора,
1) Для более точноrо решения следvет учесть изменение под
вижности носите.пей в СО01 ветствии с (3.29) Уравнение, учитываю.
щее дополнительное влияние зависимости 11 ( из), имеет вид:
== 1 ln I [и (1)/ и пит 1 J (2 т) I +
't о т 1 т [и и) / и пит] 2 + т
+ е (и см и пор ) In I и2 (t)/U ПИТ 2 J /UпитJ + 2 т 1. (4.12a)
rде То..... ПОсТоянная ВреМЕНИ, соответствующая !-to на рис. 3.14 [2].
122
r лава 4
п ереходныи процесс
123
исток KOToporo соединен с под.пО)J{КОЙ (схема на дискрет-
ных компонентах), ими можно пользоваться и при рас..
чете скоростей переключения схем (по «наИХVДIllеrvIУ слу..
чаю») в которых подложка заземлена (интеrральные схе-
мы). Из уравнения (4.12) следует, что время переклю"
чения зависит от т и т, которые являются ФУНhЦИЯМИ
И пор . В свою очередь пороrовое напряжение для схемы
с заземленной подложкой зависит от выходноrо напря-
жения. Величины т и 't связаны с пороrовым напряже..
нием следующими соотношениями.
U пит ( )
m== UС\f (UПОР+ UПОР)' 4.13
с
'{==
[Uc\f (U пор + /1U ПО ;J)
(на рис. 2.16 приведен rрафик зависимости ИПОР от
смещения ИС10ка относительно подложки, т. е. от BЫXOД
Horo напряжения).
Как следует из уравнениЙ (4.13), при увеличении
I Ипор I параметры т и l' также увеличиваются, а из
rрафика на рис. 4.12 видно, что при увеличении т и 't
также возрастает и время переключения. Таким обра
зом, l\1етод расчета схемы с зазеrvlленнои подложкой на
«худший случай» заключается в следующем:
1) определяется наибольшее напряжение на выходе;
2) с помощью rрафика на рис. 2.16 определяется ве..
личина Ипор;
3) путем подстановки t1U пор в (4.13) определяются
величины m и 't для «ХУДIllеrо случая»;
4) с помощью rрафиков, приведенных на рис. 4.11, а
и 4.12, определяется время переключения
В качестве примера опредеЛИl\Л время переключения
схем с заземленной подложкой и с пuдложкой, соеди..
ненной с истоком: расчетные значения сопоставим с экс"
периментальными. При измерении параметров транзи"
стора NQ 78 B 7 получены следующие значения:
1) U пор == 5,4 8 (получено меТОДО\1 экстраполяции);
2) В == 50 МКМО/8;
3) Кl == 1,] 81/2.
Транзистор работал при напряжении на стоке IO в и
двух различных напряжениях на затворе: 25,4 и
35,4 8. E1\IKOCTb наrрузки 786 пф. С учетом паразит..
ной емкости 9 пф расчетная емкость наrрузки равна
795 пф Отношение С/В равно
с 795 . 1 О 12
== 6 == ---- 15,9 мксек. в. (4.14)
50 . 1 О
Для первоrо случая (заземленная подложка и см ==
== 25,4 8) ПОЛУЧИl\1:
1 О О 5 -то == 15,9 мксек. в == О 795
т== 25,4+5,4 == ,; " ( 25,4+54)в ' мксек.
Iз rрафика, приведенноrо на рис. 4.12, определяем
время переключения, соответствующее изменению вы-
ходноrо напряжения с 1 О О/о Horo до 90 О/о Horo уровня,
t == 3,75 · 0,79 JrtKCeK == 2,98 }I,.1ксе/С.
I змеренное время переключения равно 2,5 мксек
Для BToporo случая при И rМ == 35,4 8 получим
10 159 мксек. в
m == 35;4 + 5,4 == 0,33; 't == ( 35,4 + 5,4) в == 0,53 мксек.
11з rрафика рис. 4.12 получаем:
t BЫK.ТI == 3 . 0,53 ./иксек == 1,59 мксек.
ИЗl\Iеренное время переключения равно 1,55 мксек.
Третий случай относится к схемр с заземленной под
ложкой. Из rрафика, приведенноrо на рис 2.16 для на..
пряжения на выходе 1 О 8 И Кl == 1,1 81/2 ве.пичина
Uпор== 2,6 8. Таким образом, И пор ( и вых ) == 5,4
2.6== 8,0 в.
При ИС I==24,5 в аналоrично предыдущему случаю
имеем
10 15,9 мксек' в
т == 24,5 + 8 == 0,575; 't == ( 24,5 + 8) в == 0,915 ./иксек.
Из rрафика на рис. 4 12 наХОДИl\f
t выкл == 4,2 · 0,915 мксек == 3,84 KceK.
Измеренная веТIичина оказалась равной 3,3 JtKCeK На..
конец, при И с '\1 == З5,4 8:
10 15,9 мксек. в
т == ..... 35,4 + 8 == 0,365; 't == ( 35,4 + 8) в == 0,58 м'ксек,
124
r лава 4
п ереходный процесс
125
tВЫl\Л == 3, 1 2 · 0,58 мксек == 1,82 мксек. Измеренная вели
чина оказалась равной 1,9 мксек
Таким образом, на основе полученных результатов
мы можем сделать следующие выводы:
1. Уравнения и rрафики приведенные в настоящей
rлаве позволяют с достаточной точностью рассчитать
время переключения.
2. I1зложена методика расчета, учитывающая нали.
чие заземленной подложки. Методика расчета обеспечи
Бает результаты, хорошо совпадающие с эксперимен
тальными.
3. При небольших напряжениях на затворе точность
расчета Уl\леньшается, так как при малых токах транзи
стора пороrовое напряжение определяется со значитель
ной поrрешностью (Cl\1. примечание к разд. 5.1 относи-
тельно пороrовоrо напряжения). Пороrовое напряжение,
кроме Toro, определяется с меньшей поrрешностью при
больших напряжениях на затворе, чем при малых.
4 В нижеследующей таблице приведены сравнитель-
ные данные расчетных и измеренных значен й времени
переключения. Приведенное отклонение в процентах ла
рактеризует ошибку расчетноrо времени относите 1ЬНО
измеренноrо.
.поrраммы сНяты при четырех значениях напряжений на
затворе. Осциллоrраммы. приведенные на рис. 4.13, 6,
показывают, что смещение истока относительно под
ложки приводит К увеличению вреl\1ени llереключения.
. оdразеlJ,.N!78В 7
u. :-35 .
. " С*-31 , ...... --10,
пn . .....- t
"" · -- :iiiI:_ ___.
. ii'
/ / "
/ AIII 1i.25' ..
, : 6
Вы:соВ, 6
18 .....
o
а
0.,5 мксек/ СМ
ДЛliЛlt/lьност6 .
.- . 1Q
or __ _ = iiiiiii _ ..
,....... - .
/ At.. . -... 8Jj3:I! 6
'l
c.r"25.
208
...... .. ....
10. ........
.
........р
5
0.5 мксек/см.. .
.. ДлuтеЛ6Nост6 .
и СМ == 25,4 U C\f== 35.4
IIодложка соединена с истоком:
расчетное значение
измеренное значение
ошибка
Подложка заземлена
расчетное значение
измеренное значение
ошибка
U = 20 25 зо З5 6
см , ,
L u. = 10 б
ЗП
UC = 20. Z5. зо. 356
Lt- 108
с р оо
2,98 .I,tKCeK
2,5 мксек
19,2 90
1.59 мксек
1 ,55 мксек
2,600
Рис. 4.13. Осциллоrраl\1МЫ выходных сиrналов инвертора с MOI1-
транзистором в наrрузке.
а исток и подложка соединены друr с друrом; 6 под.тrожка
заземлена.
1,82 мксек
1,9 иксек
4,2%
в 1Jияние смеll!ения истока сказывается больше при мень-
ших напряжениях на затворе, так как в этом случае
f1U пор сильнее влияет на изменение т и Т.
3,84 м-ксек
3,3 мксек
15,5 %
ЛИТЕРАТУРА
На рис. 4.13 приведены ОСЦИ.ТIлоrраМl\1Ы изменения
напряжения в процессе заряда еl\IКОСТИ через наrрузоч-
ный Л1.0П транзистор Для иллюстрации заВИСИ:\IОСТИ
вреl\'lени переК lючения ОТ напря)кения на затворе ОСЦИ 1
1. В u r n s J. R. Switching Response of ComplementarY SYlnmetry
1\;\05 Transistor Logic Circuits, RCA Rev., рр. 627 66I (Dec. 1964).
2. Т h i е 1 s R Р., Texas Instrument') Inc., частное сообrцение.
3. O'R е i 11 у Т. J., TIle Transient Response of Insulated gate Field
effect Transistors, Solld state Electron., 8, 947 956 (Dec. 1965)
Прuнцuпы постро(!нuя НС на МОП траflзuсторах 127
rлава 5
4 Использование МОП транзистора в качестве СИl\1
метричноrо ключа дает разработчику схем дополнитель-
ные ВОЗl\ЛОЖНОСТИ по сравнению с биполярными ис.
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ
ПОСТРОЕНИЯ ИНТЕrРАЛЬНЫХ СХЕМ
НА МОП..ТРАН3ИСТОРАХ
5.1. МОП..ТРАНЗИСТОР в КАЧЕСТВЕ
н\rРУзочноrо РЕЗИСТОРА 1)
Удельное сопротивление iV\ОП транзисторов дости-
raeT величины 20000 OJvt/KBaapaT, в то время как удель..
ное сопротивление диффузионных резисторов равно
1 00 200 OJvt/KBaapaT. Это позволяет получать резисторы
До настоящей rТIaBbI моrI транзисторь] рассматри-
вались как дискретные элеl\lенты схемы. Бы.,']а описана
работа дискретных lV10П транзисторов и выведены ос-
новные уравнения, описывающие их характеристики.
В настоящей rлаве, как следует из ее названия, МОП
транзисторы рассматриваются как элеl\1енты интеrраль
ных схем. В наш век l\fикроэлектроники важнеЙI.пее зна-
чeHиe lV10П транзисторов связано с их вкладом в разви-
тие технолоrии интеrральных схем. Поэтому большое
внимание будет уделено особеННОСТЯl\I использования
l\10П транзисторов в интеrральных схемах.
В результате ознакомления с ИС на МОП транзисто"
рах выясняется их интересная особенность полное OT
сутствие в этих схемах традиционных элементов Боль..
шие l\10П интеrральные CXel\fbI состоят, как правило,
только из МОП транзисторов и не содержат резисторов,
конденсаторов и диодов [).
Можно указать на следующие соображения, которые
сыrрали роль в отказе от использования традиuианных
компонентов в CXel\laX на МОП приборах.
1. Функции диффузионных резисторов MorYT эффек
тивно выполнять сами i\10П-транзисторы.
2. Схемы на МОП транзисторах являются схе\fами с
непосредствеННЫl\IИ связями, поэтому нет необходимости
в конденсаторах связи.
3. Вследствие использования MHoroTaKTHbIX импуль"
сов синхронизации отпадает необходимость в блокиро-
вочных конденсаторах.
UCt.II Uпu.m
L J НаZР!/30ЧffЬ/ll
транзuстор
(ПоfJложка)
и 8ых
и 8ых
8x
УпраDляющuа
траНЗl1стор
8хоо I
C;:.::...J Упра6ляюшди
Тр 2 транзастор
а d
Рис. 5.1. Инверторы с МОП транзисторами
в иаrру зке.
а схема на дискретных элементах; б ин
теrра.пьный вариант.
с сопротивлением до 100 200 KOJvt. Так как МОП рези"
сторы заuнимают меньшую площадь, чем диффузионные,
то на тои же площади кристалла на основе МОП струк"
туры MorYT быть получены более сложные схемы, чем
в случае друrих yIC
1. Эквивалентная схема наrРУЗ0чноrо транзистора.
На рис. 5.1 приведена схема инвертора с МОП"транзи"
старом в качестве сопротивления наrрузки. Показаны
1) Исключение состаВЛЯЮ1 диоды защи fbI в llепях входных
затворов и паразитные емкости, испо.пьзуемые н качестве Э...тIем:ентов
памяти в динамических схемах.
1) Более подробно о .L\10П транзисторе Kah lIаrрузочном рези..
сторе см в работе [19], указанной в литера уре к rл. 2.
128
r 'zaBa 5
....
два способа соединения подложки На фиr. 5.1, а под.
.ножка соединена с истоком (это возможно в случае при
менения в схеме дискретных транзисторов); на фиr. 5.1,6
подло)кка заземлена (что всеrда имеет место в МОП ин
теrральных схемах).
В транзисторах с индуцированным каналом при
Из. и == и с . и наrрузочныЙ транзистор работает в полоrоЙ
области, для котороЙ справедливо неравенство
и с = из ипор UG,и= иЗJL' оолаеть работы
I НUZРУЗОЧНОZО траНЗl1стора
%
()
Вольтамперные хара/< тери.стик II
НUZРУЗОЧНО20 транзистора
U C . tL ' D
Рис. 5.2. Во.пьта lперные характеристики на-
rРУ30чноrо транзистора.
\ и с I > \ ИЗ И пор 1. Это означает, что рабочая область
находится справа от линии И с == ИЗ U ПОР (на рис. 5.2
рабочая область обозначена пунктирной кривой).
Уравнение для тока транзистора в этой области Иl\fе..
ет вид:
1 с == (и з и пор)2.
(5.1 )
На рис. 5.3 приведены вольтамперные характеристики
управляющеrо и наrрузочноrо транзисторов с каналом
р типа. Точка пересечения любых двух кривых дает сов..
местное решение уравнениЙ, описывающих состояние на..
rрузочноrо и упранляющеrо транзисторов; эта точка
представляет собой одну из возможных рабочих точек
Прuнциnы построения не на МОП транзисторах
129
инвертора. НаПРИl\fер, Р 1 одна из рабочих точек от..
KpblToro инвертора.
Если предполо)кить, что сопротивление наrрузочноrо
транзистора во MHoro раз Болыlеe сопротивления управ-
ляющеrо (активноrо) транзистора то падением напря..
жения на управляющем транзисторе можно пренебречь
и принять, что остаточное напряжение И ОСТ о. Ток
иЗ1
Q
t
..
Рабочая тОЧl<а
(открытыl1 инВертор)
I
Линия наzрузки
МОП транзистора
РаdОl/ая точка
L Напоятенuе U. I (закрытыи.инDертор)
на наiРl/30ЧНОМ
U6J<Л траНЗl1сторе I j
Uпum
и см , В
Напряжение
на упраDляющем
транзисторе
Рис. 5.3. Вольтамперные характеристики управляющеrо
и наrрузочноrо транзисторов
Предполаrается, что И СМ === И ПИТ .
прибора в открытом состоянии 1 можно приближенно
считать равным 11, т. е. току, который протекал бы через
инвертор при и ост == О. Коrда управляющиЙ транзистор
закрывается, напря)кение на выходе (рис. 5.1) возра..
стает до величины, равной разности напряжения на за-
творе и пороrовоrо напряжения наrрузочноrо транзисто",
ра (и вых UПИТ U пор , если И СМ == U пит ). Существенно
то, что напряжение на выходе закрытоrо инвертора
меныпе напряжения питания. Например, при U пор ==
== 5 8, И ПИТ == 15 8 напряжение на выходе изменяет-
ся от О до 10 8 Уменьшение напряжения на выходе
объясняется тем, что для обеспечения начальной прово..
ДИl\10СТИ канала наrрузочноrо транзистора необходимо
создать падение напряжения на наrрузке (затвор
исток), раВНОе примерно пороrовому.
9 3dK. 311
130
r лава 5
п ринциnы пост роения И С на М О П T ранзuсто рах
(3)
Рассмотрим эквивалентные схемы соответственно or..
KpbIToro и закрытоrо инверторов. Если управляющий
транзистор (рис. 5.1) достаточно хорошо открыт (т. е.
ИОСТ О в), то тон через наrРУЗ0ЧНЫЙ транзистор опре..
деляется уравнением (5. J), которое с учетом равенства
и з == И пит Можно записать в следую..
щем виде:
1 == (U пит И пор )2.
И3 (5.3) следует, что ток через на-
rpY3KY определяется частным от деле..
ния действующеrо напряжения Экви"
валентной схемы, paBHoro И пит И пор , на эквивалентное
сопротивление, равное 2/g mи (gти крутизна характе-
ристики наrРУЗ0чноrо транзистора).
Эквивалентная схема наrРУЗ0чноrо транзистора, опи..
сываемая уравнением (5.3), приведена на рис. 5.4. На-
пример, при И пит == 15 в, И пор == 6 В, gm == 15 МКМО
(типичное значение крутизны наrрузочноrо транзистора
с каналом р типа) ток транзистора равен J)
1 15 + 6 9 в 67 5
мка
+ 2/15 . 10 6 133 КО-М ' ·
Эквивалентное
ипит
1
Iс! и поо
R H =2/9 m
Ic= (и пит Unop)/R..
Рис. 5.4. Эквива
лентная схема на-
rРУзоЧноrо транзи
стора, работающеrо
в Полоrой области
характеристик.
На рис. 5.5 представлена типичная вольтаl\1перная
характеристика наrРУЗ0чноrо транзистора, описываемая
уравнением (5.3). В эквивалентной схеме транзистора
На рис. 5.4 пороrовому напряжению соответствует про..
тивоположно включенный источник э. д. с., что отражено
сдвиrом вольтамперной характеристики относительно на..
чала координат на величину U пор (рис. 5.5).
Сопротивление в эквивалентной схеме определяется
Ilаклоном прямой P 1 P 2 (Р) начальная точка кривой,
(5.2)
Для получения эквивалентной схемы
наrРУЗ0чноrо транзистора на постояв..
ном токе преобразуем уравнение (5.2)
следующим обраЗ0М:
Uпит Ипор Ипит Ипор
[==
2/( f3 (И пит Ипор)] 2/g тп
I1И Ипит Ипор
== R и == R и
о
i"
,
/
1
I
I
I
10 О
о
'i
R H = 2/9""
Раоочая точка
tJl<.люченноzо lJ.H8epтopa
..................................... ........ .............. ......
с:;
P.
.. 25 ·
'=
(5.3)
Полное паiJвнuв
10(
налряжеН/JЯ на наZРУЗI<(;СU пum
so
иси, б
а
6
Рис. 5.5. Вольтамперные характеристики наrрузочноrо TpaH
зистора (полоrая область).
сопротивление наrрузки равно
2
Rп == .
gтп
Р2 рабочая точка). Так как в эквивалентной CXel\le
рассматривается статическое сопротивление, то для ero
определения берется ..наклон прямой P1uP2 а не наклон
касательной в рабочеи точке Р 2 , которыи определяет ди:
намическое сопротивление транзистора. НаrРУЗ0ЧНЫИ
транзистор работает в полоrой области, и u ero вольт..
амперная характеристика представляет собои параболу.
11з своЙств параболы следует, что Rи == 2/g mи , rде
l/gmи динамическое сопротивление в точке Р 2 .
Эквивалентная схема закрытоrо инвертора имеет бо.:
лее сложный вид. Однако и в этом случае наrРУЗ0ЧНЫИ
транзистор можно заменить эквивалентным сопротивле
ние 1 и включенным последовательно с ним ИСТОЧНИКОl\1
Э. д. с. Коrда управляющий транзистор закрывается, BЫ
ходное напряжение начинает расти, что приводит К
уменьшению напряжения между затвором и истоком Hau
rРУЗ0чноrо транзистора. В результате этоrо наrРУЗ0ЧНЫИ
(5 4)
1) U о с т равно произведению тока на сопротивление управляю
щеrо транзистора: (И пит Ипор)gти/(gmп + 2g тynp ). При
Rпаrр Rynp можно записать:
и ост '" gти (U nИТ U ПОР ). (5.5)
2 gyтpn
9-
132
r лава 5
Прuнциnы построения не на МОП транзuсторах
133
транзистор закрывается и ero сопротивление резко воз-
растает. Сопротивление полностью закрытоrо наrрузоч..
Horo транзистора теоретически бесконечно велико. Ко-
нечно, практически существует ряд оrраничений вели..
чины выходноrо сопротивления, например эта величина
оrраничивается сопротивлением обратно смеrцеиноrо
р n перехода между истоком и подложкой.
2. Выходное напряжение. На рис. 5.1 приведены два
случая, которые должны быть рассмотрены при опреде-
J(ении статическоrо выходноrо напряжения. В случае
дискретных транзисторов подложка и исток наrрузоч-
Horo транзистора MorYT быть соединены вместе, и тоrда
пороrовое напряжение не будет изменяться за счеl
обратноrо смещения канала (см. разд 2.3). В этом слу..
чае выходное напряжение равно ИСМ U пор (rде и пор
постоянно) 1) .
В случае интеrральной схемы управляющий и Harpy..
зочный транзисторы имеют общую заземленную под-
ложку При увеличении выходноrо напряжения увеличи..
вается смещение канала наrрузочноrо транзистора отно-
сительно подложки, вследствие чеrо пороrовое напря..
жение изменяется в соответствии с уравнением (2 31) .
Напряжение на выходе равно И СМ И пор (И вых ), rде
И пор является функцией выходноrо напряжения. Следо
вате.п:ьно, напряжение на выходе закрытоrо интеrраль-
Horo инвертора будет меньше, чем на выходе инвертора
из дискретных транзисторов.
Используя приближенное выражение Ивых ==
Исм Uпор(Ивых) И уравнение (2.30), леrко вывести
зависимость, связывающую входное напряжение И см,
выходное напряжение Ивых и постоянную К 1 (функция
степени леrирования, полупроводника, толщины окисла
и Т. д.):
u БЫХ == И см ....... (И пор + и пор).
(5.6)
После преобразования получим
и см и пор == и БЫХ + 11 и пор
или
И см и пор == И БЫХ К 1 [V ..... (2фр + и БЫХ) ..... V 2фр]. (5.7)
Если уравнение (5.7) решить относительно Ивых, то
получится rромоздкое и менее наrлядное выражение.
Рассмотрим пример. Пусть Ивых == 13 8, И пор ==
== 5 8, Кl == 1,0. Из рис. 2.16 находим I1И пор == 2,9 8.
fl0дставляя эти значения в уравнение (5.7), получим
U см + 5 == ..... 1 3 2,9; и см === ..... 20,9 В.
На рис. 5.6, а приведено семейство характеристик, по
строенных по уравнению (5.7) для случая И см == U пит
Точка на характеристике соответствует данным из pac
cMoTpeHHoro выше примера. По rоризонтальным осям
отложены И см и И СМ И пор . Для определенности при..
нято И пор == 5 в. 11з рисунка видно, что чем больше
степень леrирования материала подложки, тем большее
напряжение смещения необходимо для получения задан-
Horo напряжения на выходе. Выходное напряжение не
зависит от напряжения на стоке до тех пор, пока послед..
нее достаточно велико.
3 Схема с двумя источниками питания. Из рис. 5.6)
видно, что на наrрузочном МОП"транзисторе пада r
значительная часть напряжения питания. Так, в pac.
смотренном выше примере выходное напряжение на 380/0
меньше напряжения питания Вследствие этоrо Д 1JЯ дО..
стижения заданноrо выходноrо напряжения расходуется
1) Оба выражения определяющие выходное напрямение, яв-
ляются приближенными. В области малых токов трудно найти ана-
литическое выражение для noporoBoro напряжения. В настоящей
книrе пороrовое напряжение определяется экстраполяцией, в то
время как в действительности вольтамперные характерйстики не
проходят через точку U пор . Характеристика, по которой преде-
ляется noporoBoe напряжение, строится по экспериментальным точ
кам, полученным в области сравнительно БОЛЫllИХ TUKOB. При при-
ближении к области nopora зависимость у 1 с === f (и 3) становится
нелинейной (см. рис. 2.14 и 2.16). Очевидно, В области малых токов
(при закрытом инверторе) noporoBoe, а следовательно, и выходное
зпряжения зависят от тока. Как видно из рис. 2.16, опре!J,еление
'poroBoro напряжения по току 0,5 мка дает значение, на 0,25 в
Iьшее экстраполированноrо значения. В интеrральной схеме ток
u ,
I)текающии через наrрузочный МОП транзистор закрытоrо инвер
.,а, определяется токами утечки обратно смещенных р - n пере
лОДОВ, которые трудно рассчитать. По мнению автора, все же \.10ЖНО
получить приеМ.пемые по точности результаты, ес.ПИ при расчете
пользоваться экстраполированным значением пороrовоrо напря-
жения.
134
r лава 5
ПРUНЦUnЫ построения не Н,а МОП траflЗUСТорах
135
избыточная мощность источника питания Этоrо можно
избежать, выбрав для смещения затвора источник с на-
....30
о о 5 10 1S 20 ЗD
и ем . ипор, 6
L I I I I I
5 10 15 20 25 зо З5
и см , 6l иnop:. 58)
а
Измерения ВыпОЛНЯJ7UСЬ эле"тронны м
40 Вольтметром типа "12 А rpUpMbI
Hewlelt Packara со 8хооным
сопроти8лением 200 Нам
5
выхоа
фш<сu.руется
I/ПРIJ. ипитl
U пum : 158
t.>
,,\\. ,\'з I I I
't--\ '/ \, и 4 '08
'f. пит Ij
ное напряжение будет равно полной величине напряже..
ния питания, что видно из рис. 5.6, 6.
На рис. 5.6, в приведены для сравнения rрафики, один
из которых построен по экспериментальным данным, а
друrой по уравнению (5.7), в которое подставлялись па
раметры транзистора Кl и И пор . Как видно, расчетные
и экспериментальные данные хорошо соrлаСУIОТСЯ. 1-1з
этоrо следует, что при подстановке в уравнение (5.7)
экстраполированноrо значения пороrовоrо напряжения
получаются достаточно точные результаты.
5
20
25
20
15
\11
:li
-$
10
tIQ
15
А
ас
;:;
10
..25
С ием
J и пит
и6ых
+
00
5
10 15 20 25 зо
и см и ПОР . 6
d
5.2. ИНВЕРТОР
1. Тополоrическая схема инвертора. На рис. 5.7 при-
ведена тополоrичеСRая схема инвертора, выполненноrо
на МОП-транзисторах, Трl и Tp2 соответственно на..
rрузочный и управляющий транзисторы Самая нижняя
15
Irp2{
1 D...../Juффljэu.я
Область канала
но.ZРУ30ЧНО20 транзистора
Пересеченuе
25
(w
Jи...
uR :t
ро ,ОIМК!
ОдраЗI!Ц N (8
о l1змеренные З1/ачения
расчетныe зночениR по
уро ненuпн (S6JU {57)
lJ пop -:::: 6.Бб
I1Зl1ере1/ное знаveнuе fi = 9.2 м 1<,..,0/8
UзнереJlное значение 1<,2 1,55
I<онтакт
к ОI1Ффузuоннои
р+ оиластl1
ТР{
fЗ7мкм
3S
-зо
20
ео
::::$
5
выхоа
Выш08 с Тр2, 6bI{JeOCHHbI/J.
метоiJом " поонырu{JUНlLЯ"
10
10 15 20
ие,,,н 6
8
Рис. 5.6. Напряжение на выходе наrРУЗ0чноrо транзистора
с заземленной ПОДoi10ЖКОЙ.
а затвор соединен со CTOKO'f; 6 затвор подключен к от дель-
ному источнику смещения: а сравнение расчетных значений
(' измеренными.
о
о
*КонНснсатор С 6КЛ10уен
иля gмеНЬШВНI1Я
ЛI1ЯНIJ.I1 помех
Шина
71 МКМ :.1
Рис. 5.7. Тополоrия интеrральноrо инвертора
(эскиз).
зо зs
пряжением И СМ превышающим по ве..lJичине наПРЯ)J{е-
ние питания И Ш1Т - "Если веtiТIичина И см достаточно велика,
чтобы скомпенсировать влияние И пор + ИDОР' то выход..
р+ (сильно леrированная) диффузионная область служит
истоком управляющеrо транзистора. Верхняя р+ диффу.
зионная область служит стоком наrрузочноrо транзи"
стора, в то время как средняя диффузионная область
служит одновременно истоком наrрузочноrо и стоком
управляющеrо транзисторов.
136
r лава 5
Принциnbl построения не на МОП транзuсторах
137
Использонание общей диффузионной области одновре..
менно в качестве стока и истока значительно уменьшает
общую площадь, занимаемую МОП-интеrральными схе..
мами. Экономия площади получается также и вслед..
Ствие Toro, что не требуется проводить дополнительную
диффузию для ИЗОЛЯIlИИ транзисторов между собой:
р+-области изолированы р п-переходом от подложки
п типа. В связи с тем, что в ИС часть канала остается
неперекрытой затвором, при разработке интеrральных
схем возникают проблемы, связанные с наличием пара..
зитных эффектов в области между ИСТОКОl'rI и стоком.
Эти проблемы решаются двумя способами: 1) созданием
на краях канала толстоrо слоя окисла (от 12000 до
15 000 А) и 2) перекрытием диффузионных областей по
всей длине канала металлизированной частью затвора,
как это показано на рис. 5.7.
Влияние толстоrо окисла становится понятным из
рассмотрения уравнения (2.24), из KOToporo следует, что
пороrовое напряжение прямо пропорционально толщине
о!{исла t H . Предположим, что пороrовое напряжение уп..
равляющеrо транзистора равно 4 в при толщине ОКИСЛd
1500 ..1\.. Если по краям канала толщина окисла равна
15 000 А, то в этой (внешнеЙ по ОТНОIl1ению к транзи"
стору) части кристалла пороrовое наПРЯlКение в 10 раз
больше, чем у управляющеrо прибора, т. е. равно 40 В.
Таким образом. при условии, что напряжение на за..
творе оrраничено 40 В в области толстоrо окисла не про..
исходит инверсии поверхностной проводимости кремния,
т. е. не образуется паразитный канал. Края канала не..
обходимо перекрывать металлизированной областыо
затвора, для Toro чтобы управлять паразитным канаЛОl\I,
если он существует. В этом случае влияние паразитноrо
канала становится несущественным из за малой вели..
чины W/L.
I1a рис. 5.7 затвор наrрузочноrо транзистора соеди..
вен непосредственно со стоком и источником питания
И пит . Преимущество такой схемы заКL>1ючается в том, что
используется только один источник питания и одно сое.
динение. В ряде случаев недостатки схемы включения
наrрузочноrо транзистора без дополнительноrо источ"
ника смещения имеют второстепенное значение по срав"
нению с трудностями разводки дополнительной цепи от
источника смещения
2. Пример расчета. В качестве примера рассчитаем
схему инвертора (фиr. 5.1, б). Исходные данные: крем..
ний с проводимостью п типа и удельным сопротивлением
3 ом. СМ (К I 1); перепад выходноrо напряжения от
o 5 до 10 В; ток во включенном состоянии 50 мка;
пороrовое напряжение 5 В; перепад входноrо напряже..
ния от 0,5 до 10 В.
а) Расчет управляющеzо транзистора
1 и ост 0,5 в == 10
И ост == c r вкл' r вкл [с 50 мка ком,
включенноrо управляющеrо
(3.3) и (3.21) находим
1
gm === 10 == 100 мкмо,
ком
J! рВи W
gm=== (UЗ и пор ), gт==тт(Uз и пор )
11спользvя типичные значения электрофизических по..
стоянных (см. список обозначений в конце книrи), по.ну"
чаем
rде 'вил сопротивление
транзистора. 11з уравнений
1
gm,
'вкл
gm == 4,5 · IO 6 ( 5 в).
Принимая длину канала равной 5 мкм, получим, что
W == 23 А1КМ при W/L ==4,45.
б) Расчет наzрузочноzо транзистора (полоzая об-
ласть характеристик). 11з рис. 5.6 определяем, что
при выходном напряжении 1 О В напряжение источ"
ника питания должно быть равно 17,5 В. ИЗ (5.3)
находим ток стока во включенном состоянии:
Iсвнл==(Uпит Иост Ипор)/Rи, rде Uпнт== 17,5 В;
И пор == 5 B и ост == 0,5 В
R == 17,5 + 0,5 + 5 == О 24 М
н 50 ' ом.
Далее, из (5.4) определяем R и == 2/ gти, так что
2 2
gтH == R H == 024. 106 === 8,34 мкмо,
6 W ) 8 O 6
gт== 4,5.10 ( 17,5+5+0,5 == ,34.1 мо
138
r лава 5
принциnы построения ИС На моп транзuсторах
t 3
Принимая ширину канала равной 5 мкм, получим
L == 33 мкм при WjL == 0,154.
Следует обратить внимание на большое различие
rеометрических размеров транзисторов. Отношение
(W/ L) н наrрузочноrо транзистора в 28,9 раза превышает
отношение (WjL)упр управляющеrо транзистора. Как
J U пшn
I .
}J u O
Выж Gi'.,..
" и 1и ;
и с : u nu ", и пор IJПР
можно пренебречь влиянием емкостей и приравнять токи
наrрузочноrо и управляющеrо транзисторов:
H [И пит Иных И пар . и]2== ПР [И нх И пар . упр]2 (5.8)
(левая часть уравнения определяет ток наrрузочноrо
транзистора, правая часть vправляющеrо; И пит == и СМ:).
Преобразуя уравнение ( 5.8), получим нормализован-
ную зависимость выходноrо напряжения от входноrо:
И вых VfG И нх И ПаР . упр + 1, (5.9)
UCVJ. U пор . н BR UCVJ. U пор н
C:I
{- 9пр/2 {U З _U9 IJ Р Опоруnp)2
Характеристика fjпра8л траНЗlJстора
О полоzоti полости
.
U пшn
"pnoPJi :11 ис.и t 8
..1
rде ВН == Вупр/Вн,
Уравнение (5.9) представляет собой линейную зави..
симость, оно справедливо при условии, что упраВЛЯЮЩИI U [
транзистор работает в полоrой области характеристик.
В крутой области характеристик ток управляющеrо тран"
зистора равен /упр== пр[(Инх Ип р.упр) Иных Иных].
Вновь приравнивая токи транзисторов, получим следую
щее нормализованное уравнение передаточной харак-
теристики:
и ВЫХ
и СМ и пор . н
{ и ВХ U пор. упр [( А и ВХ U пор. упр ) 2
== 1 + (3R И СМ И пар . н + t'R ИС\I И пар +
+ В ( 2 иВХ Uпор.упр ....... 1 )] 1/2 }/ (l + f3 R ),
R и СМ U пор
rде R == Вупр/Рн; знак минус относится к транзистору с
каналом р типа.
Зависимости, построенные по выражениям (5.9) и
(5.1 О), приведены на рис. 5.9.
Положим для примера U пор . упр == И пор н == 5 в,
и СМ == И пит == 15 8. Тоrда напряжение на выходе равно
IO 8 и остается постоянным до тех пор пока входное
напряжение увеличивается от О до 5 8. Коrда входное
напряжение достиrает этой величины, управляющиЙ
транзистор начинает открываться. Оба ТР2нзистора pa
ботают в полоrой оБLlасти характеристик (область 11),
в которой выходное напряжение является линейной
(5.1 О)
u
......
H ( ,2
1 = "2 и пшп и6ыx и порн ]
Харакп 7
на! УЗDЧI пранзисторо
I 1(
u 6ых
:lj
Рис. 5.8. Вольтамперные характеристики управляющеrо тран-
зистора и наrрузочная линия наrруЗОЧНоrо транзистора.
и з . и . н === иПИТ и вых ; из. и. упр напряжение затвор исток управ-
ляющеrо транзистора равно U ВХ; U пор. упр пороrово на-
npяжeHиe упраВЛЯЮLuеrо транзистора; U пор. н noporoBoe на-
пряжение наrрузочноrо транзистора; U с. И. упр напряжение
сток исток управляюшеrо транзистора == U ВЫХ'
будет показано дальше, с ростом отношения
(W/L)н/(W/L)упр растет коэффициент усиления и поме
хоустойчивость инвертора.
3. Статические передаточные характеристики для
случая соединения истока с подложкой. Для анализа
работы инвертора удобно Пользоваться ero статической
передаточной характеристикой, представляющей собой
зависимость выходноrо напряжения от входноrо На
рис. 5.8 представлено семеЙство вольтаl\1перных xapaK
теРИСТИI< vправляющеrо транзистора и нелинейная Ha
rрузочная линия. Проводя анализ для низких частот,
I
140
t лава S
Прuнциnы построения не на МОП транзuсторах
141
...
функцией входноrо напряжения. Уrол наклона харак"
теристики в области 11, равный коэффициенту усиления
инвертора, можно определить, дифференцируя ypaBHe
ние (5.9) по ивх:
dU BblX ==А == 1 / упр == 1 (W/L)упр (5.11)
dU BX и f и J (W/L)и.
Из (5.11) видно, что в линейной области передаточ"
ной характеристики коэффициент усиления инвертора не
.
..
;:
::::, 2
0.6
'E
I
(.I
" 0,4
н
А
110
Лliнеиная 05ласть, oifa траНЗIJ.стора
padoтo'fJт 6 nOЛОlOll оdлостli
О/ласть Л
d Unum
и м #
С Ho.ZP!/JOIfH6I11.
'PIlНJU
сто,
ивых
lL 1I =ъJ !JtfmJ1IJf
ЮЩlili
тРIlН3Ii
-==- стор
PR СМ. ур. (5.10)
см. ур. (2.15)
УР.(5.10)
По мере увеличения I И вх ' рабочая точка сдвиrается
в нелинейную область 111, rде управляющий транзистор
переходит в крутую область характеристик Области 11
и IIJ разделяются прямой линией, проходящей через
точку И ПОР . упр (в рассматриваемом примере точка
5 в). Уравнение этой разделяющей прямой
Ивых==Ивх. Ипор.упр (5.12)
по существу совпадает с уравнением (2.18).
На рис. 5.10 приведены экспериментальные переда..
точные характеристики двух инверторов. Верхняя xapaK
теристика относится к инвертору, СОСТОЯLЦему из одноrо
и ем и пор . н
-10 оdласmыI 1.0
r--
410
8
,
'I
::,0
;; 6
&.t)
I
,1
с
с)
'::::::JC
-....... 4
tII:)
0.8
. ТаН2енс gzла наклона = v(\.
о
О
0,2 0,4 0,6 0,8 1.0
(и вх и пор ." )f( и ем U ПОР . н )
1,2
1,4
U"'U IIO '" .,
TaHZeHC .
/Jlла !I. . . А.
аклона = . "
= JF= ..
-" t. ...
J
РН ';::1 1
(раНIJ.ЧН4Н
nрнман,
тaHZBHC
gzла
наклона =+1
0,2
UВж t 6
I
1
I
3
I
5
I I , I I I
7 9 11 1З 15 17
Ulz't 6 tиnop= 56; иnит=UCM= 15n)
I
lg
Рис. 5.10. Осциллоrраммы передаточных характе..
ристик.
Масштаб по вертикали 0.5 в/см; масштаб по rори-
З0нтали 0,5 в/см.
Рис. 5.9. Статические передаточные характеристики
U вы" == f (и B'.J.
зависит от приложенноrо напряжения и определяется
только rеометрическими размераl\fИ транзисторов 1) Ли..
нейность передаточной характеристики инвертора в об
ласти 11 объясняется тем, что оба транзистора работают
в полоrоЙ области характеристики и их токи описывают-
ся одинаковой квадратичной заВИСИl\I0СТЬЮ.
наrрузочноrо и одноrо управляющеrо транзисторов, у
которых размеры каналов одинаковы. Вследствие этоrо
коэффициент усиления инвертора равен единице
(1 1/1 === 1). Нижняя характеристика относится к инвер"
тору, образованному из пяти одинаковых транзисторов
один из которых наrрузочный, а четыре управляю-
I.цие, включенные параллельно. Так как ширина канала
эквивалентноrо управляющеrо транзистора в четыре
раза больше ширины канала наrрузочноrо транзистора,
ТО в соответствии с уравнением (5 11) коэффициент уеи..
1) Из уравнения (5.11) вытекает также метод определения OT
ношения Wj L транзисторов в случае, коrда такие параметры тран-
зисторов, как t и [см. уравнение (2.15)], неизвестны.
142
r лава 5
Принциnы построения не на МОП транзисторах
143
ления инвертора равен 2. Как видно из рис 5.10, общиЙ
вид экспериментальных характеристик и наклон в ли-
нейной области хорошо соrласуются с расчетными ха..
рактеристиками 1) (рис. 5.9).
При рассмотрении статических переходных характе-
ристик предполаrалось, что пороrовое напряжение на-
rрузочноrо транзистора остается постоянным во всем
U пшn
) 8ысок:и
уроВень
" ВDlСОКШi
HlL3Kl111 НUЗКl1u.
ffoDcHb 1 1 Тр 1 уроОень I Тр 2 УРОВРНЬ I То з
1 1 1
- -:- -
N21 NE2 NЕЗ
када из трех инверторов (рис. 5.11). Предположим, что
инверторы идентичны тоrда для всех трех инверторов
будет справедлива одна и та же передаточная характе-
ристика (рис. 5.12). Помехоустойчивость практически
определяется величиной напряжения, необходимоrо для
перевод а рабочей точки в область характеристики с вы-
соким коэффициентом усиления (область 11).
nоласть с ООЛЬШUМ
/(ОЗФФI1Цl1снтом УСlJ.леНI1Я
п онехоустОllЧ11.80еть
ОКЛючснноzо
l1нDвртора и пwn и пор
ПОl1еКD :
YCтOlilfц8. t
н 'Ь/КЛ ;
Ш16сотора
::::> I
I
I
I
.......
U Вкл ПОРО2 ТрЗ (U ПОD ) и вх , В
и пu.m
Выключенныи
llнОсртор
....
8ключенныu
инDертор
Рис. 5.11. Схема для определения
помехоустойчивости.
Рис. 5.12. Передаточная характеристика
инвертора, ИЛЛюстрирующая понятие
помехоустойчивости.
диапазоне изменения выходноrо напряжения. Это не
совсем верно для ие (рис. 5.1, 6), однако такое упро-
щение было использовано для пояснения физическоrо
смысла статических передаточных характеристик.
С помощью характеристик, приведенных на рис. 5.9,
Можно исследовать помехоустойчивость схемы инверто-
ра 2) . Помехоустойчивость можно определить в общем
случае как способность схемы давать правильный сиrна.п
на выходе при воздействии на входе сиrналов помехи.
Поясним понятие помехоустойчивости на примере кас-
Помехоустойчивость закрытоrо инвертора 3 равна
разности пороrовоrо напряжения транзистора Тр3 и ос..
таточноrо напряжения на транзисторе Тр2. Друrими
словами, помехоустойчивость равна напряжению, кото..
рое в сумме с напряжением на затворе Тр3 (которое
равно и ост ) вызовет открывание Тр3, т. е. U пор и ост
(рис. 5.12). Рассмотрим теперь инвертор 2, напряжение
на входе KOToporo равно напряжению питания минус
пороrовое напряжение наrрузочноrо транзистора в ин-
верторе 1. Разность между напряжением на входе Тр2
и rраницей об асти IJ определяет помеХОУСТОЙЧИВОСТq
OTKpblToro инвертора.
Следует отметить, что найденная выше величина по..
мехоустойчивости (т. е. напряжения, необходимоrо для
перевода рабочей точки в область 11) определен"
1) Очевидно, схема на рис. 5.9 может быть использована в каче-
C Be лин йноrо уси.,?ителя. В простейшей схеме инвертора без отри-
ЦС:1тельнои обратнои связи может быть по 1JYTIeH линейный vчасток
характеристики в JllИРОКОМ диапазоне изменения выходноrо напряже-
ния (см. разд. 6.4).
2) Более подробно помехоустойчивость инвертора раССМОТрена
в работе [1].
144
r лава 5
Прuнципы построения не на МОП транзuсторах
145
с HeKOTOpbIl\1 запасом. В большинстве практических схем
си:налuы помехи MorYT перевести рабочую ТОЧКУ на ли..
неиныи участок характеристики, при этом на выходе ин..
вертора Может сохраниться правильный сиrнал. С уве..
личе ие коэффициента усиления сокращается размер
линеинои части характеристики и увеличивается ее нак..
лон, в результате чеrо истинная помехоустойчивость при..
ближается к расчетной величине.
Вывод, который можно сделать из рассмотренин
рис. 5.12, заключается в том, что помехоустойчивость
растет при увеличении отношения значений крутизны
характеристики управляющеrо и наrрузочноrо транзисто"
ров Следовател но, для повышения помехоустойчивости
неоБХОДИl\10 увеличить отношение (U" / L) \тпр/ (Wj L) н'
4. Статические передаточные харак еристики для
случая зазеМ.пенной подложки. В интеrральной схеме
управляющий и наrрузочный транзисторы изrотовляются
на общей кремниевоЙ подложке, имеющей потенциал
земли. Вследствие этоrо пороrовое напряжение оказы
вается зависимым от напряжения на выходе инвертора.
Ilриравнивая токи управляющеrо и наrрузочноrо TpaH
зисторов и учитывая зависимосrь пороrовоrо напряже
ния от выходноrо [С1\1 уравнение (2.30)], получим урав..
нение передаточной характеристики инвертора на ис.
Для случая, коrда наrрузочный транзистор работает в
полоrой области характеристик, можно записать СЛе
дующие уравнения:
1
И ВХ И пор. упр == [( и см И пор н) +
1 P R
+ К, (1 (2ФF + Ивых) V 2ФF) Ивых],
или
1
И ВХ U пор. упр == 2 И вы х + { 1/2 [( и C\f И пор. н)
и ВЫХ И пор]2}/ RU вых
области 111, rде
(5.14)
I И Bыx I <
или
(справедливо для
< I и вх И пор упр I ) .
Уравнения (5.13) и (5.14) определяют зависимость
входноrо напряжения от выходноrо. Обычно принято Ha
ходить зависимость выходноrо напряжения от входноrо.
Однако для соответствующеrо преобразования простых
по форме выражений (5.13) и (5.14) необходимы rpo.
моздкие алrебраические выкладки, которые (по мнеНИIО
автора) не оправдывают себя с точки зрения получае-
Moro результата. Можно, задавая значение и вы, , Haxo
дить из rрафиков, приведенных на рис. 2.16, значение
.1.И пор и из уравнений (5.13) и (5.14) определять COOT
ветствующее входное напряжение. На рис. 5.13, а и б
приведены два семейства характеристик, построенные
по уравнениям (5.13) и (5.14) для двух подложек с раз..
личным удельным сопротивлением.
Сравнивая кривые, приводимые на рис. 5.9 и 5.13,
можно заметить, что при равных входных напряжениях
и одинаковых параметрах R напряжение на выходе
инвертора (закрытоrо и OTKpbIToro) и наклон передаточ"
ной характеристики в области 11 (коэффициент усиле
ния) больше в той схеме, rде исток и подложка Harpy
зочноrо транзистора соединены друr с друrом. Меньшее
напряжение на выходе OTKpbIToro инвертора объясняется
тем, что с увеличением эффективноrо пороrовоrо напря
жения уменьшается ток инвертора и, следовательно,
падение напряжения на управляющем транзисторе.
Аналоrично тому, как это было сделано выше, MorYT
быть получены уравнения передаточных характеристик
для случая, коrда наrрузочный транзистор работает в
крутой области характеристик
И 1 r
ВХ И пор. упр == v 2 ( И пит И вых) х
1 P R
Х {и,ы UПОР_Н+Кl [у (2ФF+ и8ЫX) r 2ФF J
и 2 2 ) If2
пит иBЫX
(и пит U вь1х ) J
1
U 8Х U пор. vпр 1 t3; [( u С" U пор. н) .1и пор U 8ЫХ]. (5.13)
(справедливо для области 11 rде ивыl>>
> и ВХ и пор ), и
1
U пх И пор . упр == 2 и вы х + {1/2 r(И см И пор н) Ивых +
+ А 1 (} (2ФF + и выл) \ 2ФF )J }/ RU вых,
10 3ак. 311
Принциnы построения не на МОП транзисторах 147
..10
Ооnасть Л
и см Unu.m
L
U8"'
!Jp.(S.12) :Jp
Оdласть
Ш
или
8
и ВХ И пор. упр ==
1
Vf3; {2 (И пит И БЫХ) [( и СМ И пор . н) !1И пор]
(u ит и;ых)} 2 (5.15)
(справедливо для области 11, rде , и ВЫХ' I U ВХ
и пор. упр I ),
и вх И пор. упр == и ВЫХ + { (и и r И;ЫХ) +
+ ( U пит ...... U вых) [( U СМ ..... И пор. н) +
+Kl( r (2ФF + иBЫX) V 2ФF)1}/ RUвых,
fi
н
:о
::::::J<:O
4
2
00 2 4 б 8 10 12
и вх ипор'УПР' 8
I I I , I I I I
3 5 7 9 11 1З 15 17
{/Вх' 8 ( ипор.упр:: 5 В)
а
10
8 tt .
6 } - o и
U аж p
н
CIC
4
или
И вх И пор. упр == И ВЫХ + { '/2 (И ит И;ЫХ) +
+ (и пит И вых) [( и см И пор. н) !1и ПОР]}/ RU вых (5.16)
(справедливо для области 111, rде : Ивых 1<
< , И вх И пор . упр 1). и в этом случае с целью упрощения
уравнения записаны в виде И вх == f (И вых ). Характери..
стики, построенные по уравнениям (5.15) и (5.16), при..
ведены на рис. 5.14.
..2
5.3. ОСНОВНЫЕ лоrИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
Сложные лоrические схемы на МОП транзисторах
строятся из элементарных схем, таких, как НЕ И, HE
ИЛИ Каждая из этих схем имеет достоинства и Heдo
ста тки. Настоящий раздел посвящен особенностям по
строения лоrических схем на МОП транзисторах.
I
3
I
5
t
17
Рис. 5.13. Передаточные характеристики инверторов
с заземленной подложкой. Наrрузочный транзистор
работает в полоrой области характеристик.
и С\1 == и пит == 15 в; R == упр/ н; и пор н == --- 5 В.
а: Кl == 1 при толщине окисла под затвором 1500 А
у деL1Jьное сопротивление подложки 3 ОМ. с"ч;
6: Kl == 1,75 при толщине окисла под затвором
1500 А.; удельное сопротивление подложки 1 О"Ч' СМ.
2
I
7
4 6 8 10
и 6х U nopJll1P , 6
I I I I
9 11 13 15
и 8х , fj ( Uпор.улр = 56)
d
12
10*
1 8
r лава 5
принциnы построения не на МОП транзисторах
149
1 Схема НЕ..ИЛИ. Как видно на рис. 5.15, парал
лельное соединение Л10П транзисторов реализовать в
виде интеrральной схемы довольно леrко. Максимальное
использование площади пластины достиrается за счет
объединения диффузионных областей и использования
свойства самоизоляции МОП"транзисторов. Все три уп..
равляющих транзистора имеют одинаковые отношения
12
"10
8
CIC:)
н 6
4
2
D
риантов схемы НЕ..И на три входа приведен на
рис. 5.16, б; таблица истинности и лоrические уравнения
для той же схемы даны на рис. 5.16, 8.
При включении всех трех транзисторов ТрА, ТрВ,
ТрС схема открывается и напряжение на ее выходе па..
Unu.m
d
1
LJr u;
Ти i Тр '4:.-
Оопасть D
иc 248 ипит= 126
L
} :,; и...= 56
и8x P
а
о выхоа а
т Наzруаочныu
I тоаНЗlJ.стоо
150мкм
1
2
4
14
Рис. 5.14. Передаточные характеристики инверторов с зазем
ленной подложкой. Наrрузочный транзистор работает в кру-
той области характеристик.
Кl == 1,75 при толщине окисла под затвором 1500 А.; удельное
сопротивление подложки 1 о-м. с-м, Р R == РУПР/Р Н .
6
8 10 12
и бз:' В
16 18 2и
Упра6ляющuu
транзистор
" о'" iJuфф!/зlJ.Я
66 МI<М ...j
50
1.
M/( I
б
L
' c
J& c
ЛОZlJ.чеСl<ui1 нуль = О б
ЛОZlJ.ческая е iJuнuца = 10 8
Q=A в с =А+В+С; (j=A+B"t-С
выхоа Q
А В С Q
о о о 1
О О 1 О
О 1 О О
О 1 1 О
1 О О О
1 О 1 О
1 1 О О
1 1 1 О
б
Рис. 5.15. Трехвходовой лоrический элемент НЕ ИЛИ.
а электрическая схема; б тополоrический чертеж (в мас..
штабе); в таблица истинности
W/L, а следовательно, и равные gm. Величина gm TpaH
зистора Тр А выбирается такой, чтобы получить требуе
мое U CT (см. при мер расчета в разд. 5.2); наличие ос..
тальных транзисторов не влияет на величину gm. При
включении одновременно двух или трех параллельных
транзисторов напряжение и ост соответственно YMeHb
шается. На рис. 5.15, 8 приведены лоrические уравнения
и таблица истинности для схемы НЕ..ИЛИ
2. Схема НЕ..И. При последовательном включении
МОП транзисторов (рис. 5.16, а) образуется лоrическая
схема НЕ И. Один из ВОЗ 10ЖНЫХ тополоrических ва..
дает. Сопротивления последовательно включенных тран-
зисторов складываются, поэтому полное сопротивление
во включенном состоянии равно r ВRЛ == 3/g m (в случае
одинаковых транзисторов). Для заданноrо и ост величи-
на gm (а следовательно, и размеры) транзисторов дол-
жны быть в три раза больше чем в случае простейшеrо
инвертора. Если число последовательно включенных
транзисторов увеличивается, то растет gm И площадь,
150
t лава $
\!nшr>
d
rBblXOO
I
]
LJ.
]
с o----l'
l
, SО
занимаемая схемой В случае четырех последовательно
соединенных транзисторов gm каждоrо из них должно
быть в четыре раза больше gm прибора в инверторе на
одном управляющем транзисторе.
3. Пример. Поясним на примере различие в требо
ваниях к gm для схем НЕ И и НЕ ИЛИ. На рис. 5.17
изображена комбинированная трехвходовая cxeMil
НЕ И НЕ ИЛИ. Определим крутизну управляющеrо
транзистора при условии, что gm н == 1 О МКМО, I И ост 1-<
-< 0,5 в, И пит === 15 в, И пор === 4 в (предполаrается, что
транзисторы управляются сиrналами от одинаковых ин..
верторов) . 11з эквивалентной CXel\lbI видно. что условие
I И ост I -< 0,5 в должно выполняться тоrда, коrда вклю"
чаются либо транзисторы А и В, либо транзистор с.
Коrда транзистор С ВКtl1Jючен,
и ост (U пит U пор ) gmи [СМ. уравнение (5.5)].
gmc
Подставляя численные значения, ПОЛУЧИl\l
0,5 в == ( 15 + 4) 1 О JЧ МО ,
2 gтc
(J.
ВыхоН
Канал
упраDляющеzо
транзистора
ЗатВор
упраОляющеzо
транзистора
Диффузионная
06ласть
Контакт
заземления
МI<М
I
100 МХМ
1...
Лоzuческuu нуль = О
Лоzuчесхая еОl1ница =>10 fJ
Q=A+B+C= ABC
Q =АВС
А В С Q
О О О 1
О О 1 1
О 1 О 1
О 1 1 1
I О О 1
1 О 1 1
I 1 О 1
1 1 1 О
б
Рис. 5.16. Трехвходовой лоrический элемент НЕ И.
а JIектрическая схема; 6 тополоrический чертеж (в мас
штабе); в таблица истинности.
откуда
g тс == 11 О МК,/11,О.
Т ак как неравенство и ост 1-<0,5 в должно выполняться
при включении любой цепи, то
и ост (Uпит U пор ) ggmH (Uпит U пор ) . g gтп , (5.18)
т АВ тС
gтAB==2g mc . (5.19)
Из уравнения (5.19) следует, что крутизна каждоrо
из транзисторов А и В должна быть в два раза больше
крутизны транзистора С, т. е.
gmA === gmB == 2 · 11 О ,/11,кмо == 220 uкмо. (5.20)
Схема НЕ И, вследствие большей крутизны транзи
сторов занимает большую площадь по сравнению сана..
лоrичной схемой НЕ..ИЛИ. Это означает, что, как пра-
вило, при реализации схем на МОП Эtl1ементах типа
НЕ ИЛИ площадь кристаЛtl1Jа используется эффективнее.
tla рис. 5.18, Q приведена четырехвходовая лоrиче
ская схема на трех транзисторах. Затворы каждоrо из
(5 17)
U'/IJI= (иnum ипор) i g m.H 1
тА8
Uer.JI
1
6
dU"
Выход а
A j29m
B T т
lL,c
1т
О= С+АВ
а =с +АВ
а
lUnu.1'f\
и пор
9 = g : 220 мКМО
тА т8
б
gmC -:: 110 М/(МО
Рис. 5.17. Лоrическии элемент НЕ ИЛИ НЕ И
электрическая схема; 6 эквивалентная схема элемеtfта
проводящем состоянии.
152
r лава 5
Прuнципы построения не на МОП транзuсторах
153
трех транзисторов (в том числе и наrрузочноrо) под
к.пючены к источникам сиrналов. Высокий (по cpaBHe
ЛОZI1Ч8скu{i нуль=ОD
ЛО2/J,ческая еОаНl1Ца = 156
II =АВ +AD+ABC
рис. 5.19 приведен вариант схемы инвертора с избыточ"
ностью При обрыве или замыкании в цепи исток сток
и/или в цепи затвора любоrо транзистора работоспособ..
ность схемы не нарушается.
U пum
1
\ '
8bIXOiJ Q
i
C
LJ
а
А В С D а.
о о о о о
о о о , о
о о 1 О О
О О 1 1 О
О 1 О О О
О J О 1 О
О 1 1 О О
О 1 1 1 О
1 О О О 1
1 О О 1 1
1 О 1 О 1
1 О 1 1 1
1 1 О О ,
, 1 О 1 ,
1 1 1 О о.
1 1 1 1 1
.
.
,
"
,
I
,
0 8ыхоВ
I I
} t
T
Рис. 5.19. Лоrический элемент с из
быточностью на моrI транзисто"
рах (2j.
Еоинст6енное состояние,
при котором рос:сооуется
мощность
Вопрос о соединении двух централ ных точек схемы
решается в зависимости от Toro, какои вид неисправно
сти является преобладающим. По существу до сих пор
нет используемых на практике 1\1.0П ИС, которые были
бы построены с введением избыточности
б
рис. 5.18. Четырехвходовой лоrическии элемент.
а электрическая схема; 6 таблица истинности.
5.5. ДИНАМИЧЕСКАЯ лоrИКА НА МОП ТРАНЗИСТОРАХ
Друrой вах{ной особенностью МОП"транзисторов ЯR"
ляется их очень высокое входное сопротивление, что по..
зволяет использовать конденсатор в качестве элемента
памяти для создания схем так называемой динамиче
ской лоrики. Схема с емкостной памятью приведена на
рис. 5.20, а. Входной сиrнал поступает на затвор TpaH
зистора Трl через ключ 51. Конденсатор С заряжается
входным сиrналом до напряжения этоrо сиrнала. При
размыкании ключа 51 заряд на конденсаторе С сохра-
няется, поддерживая Трl либо в открытом либо в за-
крытом состоянии в зависимости от величины входноrо
сиrнала. Вследствие очень медленноrо разряда концен-
нию С биполярными транзисторами) импеданс МОП
транзисторов позволяет подключить к источнику сиrнз-
ла также исток нижнеrо транзистора. Таблица истин-
ности для этой схемы принедена на рис. 5.18, б 1).
5.4. ИЗБЫТОЧНОСТЬ В СХЕМАХ НА МОП..ТРАНЗИСТОРДХ
Важной особенностью схем на МОП"транзисторах яв-
ляется простота введения в них избыточности 2). На
1) Работоспособность такой схемы представляется весьма COM
нительной. П рим. ред.
2) Более подробно о введении избыточности в cxe ax на поле
ВЫХ транзисторах С управляющим р...... n переходо.м СМ. в работе (2],.
154
r лава 5
Прuнциnы построения не на МОП транзuсторах
155
BxoiJ о
/ 'TP1
8, С * J
Выхоо
противление, шунтирующее конденсатор С. Изоляция
затвора транзистора Тр 1 также обладает конечным со..
противлением. Поэтому максимальное время за помина.
ния или минимальная рабочая частота схемы опреде..
ляются емкастью конденсатора С и величинами этих
двух сопротивлений (rлавным образом сопротивлением
ключа 51). Типичные значения минимальной частоты ле..
жат в пределах от 5 до 1 О К2Ц.
На рис. 5.20, б изображена схема динамическоrо
сдвиrовоrо реrистра с запоминаниеlVl на емкости. Запо-
минающие конденсатары обозначены пунктиром. Это
означает, что запоминающие конденсаторы в ИС спе..
циально не формируются, а в качестве их используются
паразитные емкости. Динамический реrистр управляется
двухтактной серией синхронизирующих импульсов
(фиr. 5.20, в) .
Предположим, что на вход реrистра (рис. 5.20, б) па..
дан лоrический О. В течение действия импульса 1>] тран"
зисторы Тр 2 и Тр 3 открыты, потенциал точки Р] близок
к величине И пит (лоrическая 1) Конденсатор С l заря
жается до потенциала И пит через открытый транзистор
Тр 3. В следующий период во время действия импульса
1>2 потеНllиал точки Рз снижается через Тр 4 до по
тенциала земли. Через транзистор Тр 6 информа
ция передается на конденсатор С 2 , rде она запоминается
после окончания такта 1>2. Таким образом, лоrический О
переместился со вхада первоrо разряда на вхад BToporo
разряда реrистра. За время действия двух следующих
импульсов 1>1 И 1>2 лоrический О переместится на вход
TpeTbero разряда и так далее, пока не достиrнет конца
реrистра. Лоrическая 1 сдвиrается в реrистре аналоrич
ным образом.
Характерно, что, пользуясь схемами динамической
лоrики, удается выполнить мноrие функции, применяя
rvfеньшее число компонентов, чем используя обычные
схемы В результате этоrо для реализации данной функ
ции расходуется меньшая площадь кристалла или на той
же плащади реализуется большее число функций. Эко"
номия площади в конечнам счете приводит к снижению
стоимости на функцию. Однако эти схемы обладают и
определенными 1fедостатками. К,ак отмечалось выше,
сатора через сопротивление затвора информаllИЯ coxpa
няется (<<запоминается») до следующеrо замыкания 51.
Q.
" r u. H um Ф1 I и. шn Ф2; l и т Фt l um Фz
НаZРУЗОЧНЫI1 I
траНЗl1стор ОЛЯ I
ТР t=ТРЗI { P\p F , F l
ЛО tШ ;017 ' ,Тр1 l.JITP4 ! U' Тр7 LJ. xo3
Лоzичсская 1 1 l I С 2 l : 1 :a p:ig
ПерDыu разрНd I 8тороu розряiJ
I
I
о
Ф1 и
о
Ф2 и
Время
6
Рис. 5.20. Динамический сдвиrовый реrистр.
а ПРИНЦИП работы; 6 электрическая схема; 8 временная
диаrрамма тактовых импульсов.
Выходной сиrнал снимается сО' стака Tpl, так чтО' кон.
дeHcaT p С практически никаrда не шунтируется на..
rрузкои.
ОднакО' фактически нельзя сахранить информацию в
еt!ение длительноrа времени. Ключ SI представляет со..
оон МОП траНЗИСТО'РJ имеющий некоторое конечное со..
156
r лава 5
Принципы построения не на МОП транзисторах
157
информацию статически, без сдвиrа. Использование ди
намической памяти на время TaKToBoro импульса Позво
ляет упростить схему реrистра. Недостаток описанноrо
Ф2 08
Ф, -и вх
: 6ыстрыи
06 / спаВ
О ф Ф2 и, I
3 2 I
I Меf}ленныlJ.
Ф З 06 ...
спаи
().
з
Ф1 Время
б б
в схемах динамической лоrики нельзя запоминать стати-
ческую информацию при нулевой частоте Для Toro что
бы сохранить информацию, необходимо обеспечить ее
непрерывную циркуляцию. Для управления схемами ди.
намической лоrики нужны двухтактные синхронизирую..
щие импульсы. При работе на повышенных частотах
(достиrающих 1 МеЦ) трудности, связанные с синхрони..
зацией, сводят на нет большую часть преимуществ схем
динамической лоrики. В этом смысле схемы, не связан..
ные полностью с запоминанием на fiонденсаторе, обла..
дают определенными преимуществами
Ориrинальная схема реrистра получается при ис..
пользовании запоминания на статическом триrrере и па..
мяти на конденсаторе.
Схема ОДНоrо разряда реrистра, приведенная на
фиr. 5.21, а, работает следующим образом В исходном
состоянии сиrналы Ф2 и 1>3 поддерживают транзисторы
Тр 2 и Тр 3 в открытом состоянии и схема представляет
собой обычный статический триrrер из двух инверторов,
объединенных перекрестными связями. При этом сиrнал
1>1 равен нулю, транзистор Тр 5 закрыт, и ячейка памяти
изолирована от остальной части схемы. В момент пере..
дачи информаuии сиrнал 1>1 открывает Тр 5, а сиrналы
<Р2 и 9>з закрывают Тр 2 и Тр 3, изолируя друr от друrа
обе половины триrrера. Во время переключения заряд
на конденсаторе С 2 сохраняется, и информация на вы..
ходе триrrера остается неизменной. Входной сиrнал с
предыдущеrо разряда реrистра постvпает через Тр 5 на
затвор Тр 1 (следовательно, и на С 1 ). В соответствии с
входным сиrна.пом устанавливается потенциал на BЫ
ходе левоrо инвертора Р 1 . В следующий момент времени
сиrнал 1>1 быстро изменяется с 1 на О, а сиrналы 1>2 и
9>з одновременно изменяются с О на 1. В схеме преду"
смотрена задержка переключения сиrнала 1>з относи
теп:ьно 1>2, так что информаuия всеrда передается слева
направо. Извне достаточно подать лишь сиrнал 1>1; сиr..
налы 1>2 и 1'3 MorYT быть получены из 1>1 с помощью
простейшеrо reHepaTopa, раЗl\1ещенноrо на TOl\1 же кри"
ста,lIле, что и сдвиrовой реrистр (рис. 5.21, б, в) .
При использовании 3 тактной системы синхронизи-
рующих импульсов описанный реrистр может хранит!:
Вxo 'Е 5
Т
Ф1
U пum
Ф2
Ф З
выхоа
а
Рис. 5.21. Сдвиrовый реrистр со статическими и динамическими
элементами памяти.
а схема одноrо разряда; б встроенный reHepaTOp тактовых
импульсов; в временная диаrрамма тактовых импульсов
сдвиrовоrо реrистра необходимость подачи 3 TaKTHЫX
импульсов в каждый разряд, что усложняет тополо
rию ис.
158
r лава 5
ит .J и пит
ТD1]и U!'Tp2
[p P4
L 1.
-::=- -::=-
5.6. СТАТИЧЕСКИ" УНИВЕРСАЛЬНЫ" тРиrrЕР
В предыдущем разделе были описаны два варианта
сдвиrовых реrистров с кратковременной памятью на
конденсаторе, в которых для разделения входа от вы..
хода памяти с це.пью предотвращения rенерации исполь..
зовались MHoroTaKTHbIe системы синхронизирующих им-
пvльсов. Здесь будет описана базовая запоминающая
ячейка потенциальной системы из статических триrrе..
ров. В этой системе информаuия вводится в «ведущий»
триrrер (во время длительности импульса синхрониза-
ции) для KpaTKoBpeMeHHoro хранения, а затем во время
паузы импульса синхронизации переписывается в «ве-
домый» триrrер. На рис. 5.22 поясняется работа разряда
универсальноrо J К"триrrера, состоящеrо из двух ста..
тических триrrеров.
Транзисторы Тр 1 Тр 4 образуют первый статиче..
ский триrrер, названный ведущим Транзисторы Тр 5
Тр 8 образуют ведомый триrrер. На рис. 5.22, 6 показано
соединение двух триrrеров в одну ячейку с ПОl\10ЩЬЮ
транзисторов Тр 9, Тр 10, Тр 12 и Тр 13. Такая ячейка
представляет собой триrrер с раздельными входами.
Введение в схему транзистора Тр 11 позволяет в случае
необходимости предварительно устанавливать CXel\1Y в
исходное состояние. Добавление транзисторов Тр 14 и
Тр 15 (рис. 5.22,8) позволяет разделить ведущий и ве-
домый триrrеры для предотвращения состязаний. Ин..
формация может записываться только за вреl\1Я тако..
Boro Иl\1пульса (Т). Передача информаuии в ведомый
триrrер происходит только во вреl\1Я паузы ( Т ). С по..
мощью еще двух транзисторов, Тр 16 и Тр 17, разряд ре..
rистра превращается в универсальный триrrер, полная
схема KOToporo и ero таблица переходов приведены на
рис. 5.22, с.
т ип
rp L1 []Р8
(p pa
L 1.
--:--
а
Тр9
I
вхоа {
flреоВаритсльная
устано8ка
5.7. ОПИСАНИЕ РЕАЛЬНОй ИНТЕrРАЛЬНОй СХЕМЫ
На МОП"интеrральных схемах очень удобно реали-
зуются различные декодирующие матрицы. Решетка ма..
трицы образуется из взаимно перпендикулярных р+ диф..
фузионных слоев (для истоков, стоков, линий заземле-
ния и питания) и алюминиевых шин, напыляемых поверх
преiJ8арuтельноя
!/стано8ко
tJ d
Tp 2 ТрlЗ
flLAJIl
'"'=!=" -=-
б
а
i
f
z
tn. t n + 1
J К aп l
о о Оп
О I О
1 О 1
1 1 Оп
Рис. 5.22. Универсальный триrrер, состоящий из двух стати-
ческих триrrеров (ведущеrо и ведомоrо).
.
160
r лава 5
Принцuпы построения не на МОП транзисторах
161
BblroiJHbIe
Сl1Лl1телu :
I
I
15
&J
rrJ
IЫ
IШI
(g(;J
3><5
Решетка из лампочек
толщины 15ОО А. Tal\tl, rде транзистора не должно
быть, оставляется толстый слой окисла ( 10000A). Та..
ким образом, заданныЙ код реализуется путем размеще
ния транзисторов в соответствующих пересечениях ма-
триu ы .
На рис. 5.23 приведена блок схема двоично десятич-
Horo преобразователя, состоящеrо из двух матриц изrо
товленных на единоЙ подложке. Матрица 1 преобразует
окисла (образующих затворы транзисторов, межсоеди
нения, контактные площадки) В каждой точке пересе
Питание
Матрица 2
lJbIdopo I
сDетffЩI1ХСff :
JлементоВ N 2 15
Десятичныu
Оыхоо
Кристалл
Питание
о
Де/(оiJILP!/ID
ЩОЯ :
матраца N r
А в ci5
а
@@@ @@
@@@ @ОО @О@
@@@ @
OO OO OO
@(Q@ @@@
Рис. 5.24.
Размер кристалла: 1,52 ><2,3 мм 2
Количест80 al<.тU8HbIX компонентоВ: 152. транзистора lJ. 9 защитных 8иоо06
Потребляемая мощность 20 2S мRт
КОД
А В С D
О О О 1 1
1 О 1 О О
2 О 1 О 1
3 О 1 1 О
4 О 1 1 1
5 1 О О О
6 1 О О 1
7 1 О 1 О
8 1 О 1 ]
9 1 1 О О
б
ABCD
входной двоичный сиrнал в выходной десятичный сиr..
нал. Двоичный сиrнал поступает на восемь входных
hлемм (четыре прямых и четыре инверсных разряда).
Для матрицы 1 выбран код с избытком 3, таблица
преобразования приведена на рис. 5.23, б. Матриuа 2
служит для засветки цифр, с ее помощью десятичныЙ
выход матрицы 1 преобразуется таКИl\l образом, что за
жиrается соответствующая комбинация в решетке из
3х5 лампочек. Примеры засветки некоторых цифр на
выходной матрице показанЫ на рис. 5.24.
Фотоrрафия реальной cxelVIbl приведена на рис. 5.25.
На фотоrрафии видны алюминиевые шины, проходящие
поверх ОКИС,,1а под прямым уrлом к диффузионным об..
ласт ям. Проблема пересечений практически отсутствует.
В том случае, коrда необходимо изолировать пересекаю
щиеся линии (например, получить изолированные пере..
сечrния на входах преобразователя), используется Me
тод «полныривания», основанный на использовании
диффузионноrо слоя 1).
КОД с избытком.....3
Рис. 5.23. Двоично десятичный преобразователь на МОП тран
зисторах.
а блок схема; б таблица истинности.
чения алюминиевоЙ шиной двух диффузионных областей
может быть образован 11\10П транзистор. В том месте,
rде должен быть транзистор окисел стравливается до
1) Более подробно о переLечениях см в работе [3], стр 160, 161.
1 1 Зак. 311
162
r fla8a 5
Принциnы построения не на МОП транзисторах
163
Общая схема преобразователя, содержащеrо 152
транзистора, приведена на рис. 5.26. В двоично десятич
ном преобразователе используются лоrические схемы
ПУНI(ТИРОМ). Для превращения неиспользуемых транзи"
сто ров внеактивные приборы в области их затвора
оставлен толстый слой окисла. Неиспользуемые транзи
сторы показаны также на рис. 5.25 и 5.27, 6. Чтобы BЫ
/i
с
.а
,.:: .::1
. . .. .
.... ..-:- ." "N :....:...:.... у." 'о:. .:...:......::.::.. .
.!
9
L,L2
L4 LG
L8
L,o L '2
L14
:;..;:......:..:(..: ......:..,
... '/
....?' и::'
Vnu.m
с r с с
А 8 С D
( o
. Jr и .з- tl 1 .....!. ........ !r DПi lr 1r DП; .1 .
I I
, , !I I ' I I
., ., '.. ... I .. '
1
L J:r 't1 J ( i ' lr- JI
J ..
2
I U y и t1 J J t DП "-Ч1 1r 1 . ,1 1 .....
U ' t I I lt I I
.. '..
3
U r u( и( J( .J..l .. 1-4 Jr . : . 1 . .. 1
JI I I I Jf l JП
1.-
4
Ur u( и J t it r . r L 1 .. Jr I"
Jf lL r 1 1
'..
5
".,1 U и J 11 jI' It ]r т 1 .. :П" оо4П"'"
1 I UI 1 I 1 I
... ... t-c .
6
I" U y и и J l .J l I- r т . 1 ....... .J1 .: .. : ..
I I l r I I r I I 1 I
Н ... ... . 1..
7
I U и( и J Ir :П .. Jr 1[- Jr 1..1-4
I
.!!. 1 .. 11-
I U и I ,tl it ... "": .. ? I 1 . т П"'" r1"1-4
и J JI I ЦI I JI I I I 1
... ...
9
L" uI J( и 1..,] ",","-4П" Jr : ;.. П" ltl .J .1 ..
1 1 1 I 1 I I , I I Jf I
1 .. ... .. ... м ... 4 1..-
"OJ
4 1.
и nuм1
:....р
::...
'-'
.:............................. ."
, ,1 .... : ..;::...:::::'... .....
а
- .... .. .. ::: .'. ;;,.,;: . ......
.:......
.. .
':;""':';:ij'< "". ;; ," п .....
L..
,.фJ
Рис. 5.23. Фотоrрафия двоичНо десяТичноrо преобразователя
на MOll транзисторах.
а место обрезки кристалла кремния; Ь наrрузочные TpaH
зисторы; с заЩИТные диоды; d диффузионная р+ область
истоков; е алюминиевые шины; f тонкий слой окисла управ-
ляющих транзисторов; g толстый слой окисла неиспользуе..
мых транзисторов; h выход к лампочке N2 15; i диффузи
онная р+ область стока; j...... индикатор толщины окисла;
k контактные площадки; 1 изолированное пересечение;
т контакт; n .... общий затвор наrрузочных транзисторов;
о общий сток наrрузочных транзисторов; р матрица BЫ
бора светящихся элементов; q декодирующая матрица.
и см А В С D
L з Ls
L7
L g L"
L,з L75
Лампочки)
Рис. 5.26. Электрическая схема двоично десятичноrо преобра..
З0вателя.
НЕ ИЛИ (фиr. 5.27, а). К каждой из десяти выходных
шин подключены только четыре из восьми возможных
транзисторов (неиспользуемые транзисторы обозначены
брать цифру 1, необходимо с наrрузочноrо траJ:fзистора
шины 1 (рис. 5.27, а) снять «высокии» уровень ( 1 О 8).
Следовательно, соответствующие упраВЛЯЮlцие транзи-
сторы (в свою очередь управляемые дво ич ными вхо"
даМИl должны быть закрыты, т. е. входы ABCD должны
быть «низкими» (нулевыми) Как видно из рис. 5.27, а
l!*
]64
r лава 5
Прuнцuпы построения не на МОП транзисторах
165
и 5.23, б, условию выбора единицы соответствует код
ABCD Тополоrическая схема матрицы засветки цифр
приведена на рис 5.28. Входами для l'vIатрицы 2 служат
десятичные выходные сиrна.пы матрицы 1. Используемые
внешних биполярных транзисторов. В такой схеме по
тенциал истоков близок к потенциалу земли. Выход,
управляемый током, позволяет преодолеть ряд TPYДHO
стей, обычно возникающих при работе МОП транзисто
ров на внешние устройства. Описанная схема обладает
также ПОВЫlllенным быстродействием.
Unu.m
(' ЛОZ/J,чеСI<lJ.е 8хооы
В с
t::I
е:
:::::t
t::!
c:::,
е:
C..:I
. :о
5:
t::I
<::::;)
c'v
с:::,
:!::
u см i А
На zрузочные
траНЗf1сторы
в
с
а
и пит
l Оdщшi сто/(
f1l наzрузочных ЛоzиЧССl<uе
/ траНЗliсторо8 8ловы
508 мк Н
I t: ): ;
I
и см
Алюминие Тонкий слой окисла
шины упраDляющеzо
транзистора
о
" Десятuчныu
'Выхоll
Тонкии слои окисл(J.
упраОляющеzо
транзистора
Оощиu сток
1 наZРУЗ0ЧНЫХ
транзистороВ
Авсп
Выходные
усилители
r t : /(онтокт иля уменьшения
I I сопроmи/Jления
I I шины пuтаниR
i /
L --- / РаЗВОdка питания
U n u.m1 L 1 L! ПО Оl1ф'УЗI10ННОIJ
, " ,," р+ оtJластlJ
," "
Выхоо преОdрозо8атеЛR
на лампочку NE 2
D
Контакт
к p+ оdластu
АлюминиеВая
шин а
ДесятUЧffые
Вх-о8ы
TOHKUU слои ОКlJ.сла
упраDЛЯЮЩС20 mpaH3IJ.cmopa
Толстыи слои окисла
неиспользуемоzо транзистора
., / ., Ооласть iJиФФ!Jзuи "
Толстыи слои окисла ДесятUl{НЫI1
неиспОЛЬ3!Jемоzо Оы.хоВ
транзистора
Истоки
Рис. 5.28. Тополоrия матрицы выбора светя:цихся элементов.
Рис. 5.27. Декодирующая мйтрица.
а электрическая схема, 6 тополоrия И с.
1\llатрица 2 работает следующим образом. Предполо"
жим, что на вход подан двоичный сиrнал, соответствую
щий цифре 1 в матрице 1. На шине 1 возникает BЫCO
кий потенциал, в то время как на остальных девяти
шинах остается нулевой потенuиал. Так как под затво
ром траНЗИСТОРd, образованноrо в месте пересечения
и неиспользуемые транзисторы формируются в матрипе 2
таким же обраЗО1\1, как и в матрице 1. В качестве BЫ
ходноrо параметра в матрице 2 используется не напря
жение, как в матрице 1, а ток Стоки выходных транзи
сторов подключены к шине И пит , а истоки к базаl\l
166
r la8Q .5
rлава 6
шин 1 и L 1 находится толстый слой окисла, этот тран"
зистор не включается, а включается транзистор, образо
ванныЙ в месте пересечения шин 1 и L 2 . rде слой оки-
сла тонкий. В результате лампочка L 2 заrорается, а
L 1 не заrорается (см. рис. 5.24). Лампочки L 2 , L 5 , L 8 ,
L 11 , L 14 высвечивают цифру 1.
АНАлоrОВЫЕ СХЕМЫ
ЛИТЕРАТУРА 1)
1 *. F а r i n а D., Т r о t t е r D., MOS Integrated Circuits Save Space
and Мопеу, Electronics, рр. 84 95 (Dec. 4, 1965).
2. W. а 11 m.а r J. Т., R е v е s z А. G., Redundancy in Unipolar Tran
slstor Clrcults, [ЕЕЕ Trans. Electron. Coтputers ЕС..12 23 ( Febr.
1963). ' ,
3. Engineering Staff, Motorola Inc, W а r n е r R М., F о r d е m-
w а 1 t J. N., eds., Integrated Circuits, McGraw Hill, New York,
1965; русский перевод: Интеrра.пьные схемы. Принципы конструи
рования и производства, изд во «Советское радио», 1968.
4. 1 g а r а s h i R., К u r о s а w а Т., У а r t а Т., А 150 nanosecond
Ass ciative emory Using Integrated l\'\OS Transistors, Intern.
SoIld-stаtе CIrcuits Conf. Record, рр. 104 105, Febr. 1966.
5. J о s е р h s Н. С., А Figure of Merit for DigitaJ Systems, MicrG
electronics aпd Reliability. 4, 345 350 (1965).
6. К а n е J., Switch Over to Field effects, Part 1, Electroп. Des'ign,
14, NQ 24, 54 60 (Oct. 25, 1966).
7. К а n е J., FET's Make Digital Switching а Snap, Part 11, Electron.
Design, 14, NQ 25, 72 79 (Nov. 8, 1966).
8. V а ? а s L., N е v а 1 а R.. S а n d е r W., S е е d s R., А Systematic
Englneerlng Approach to Complex Arrays, Intern. SoIid state Cir-
cuits Conf. Record, рр. 120 121, Febr. 1966.
1) Статья, отмеченная звездочкой, опубликов на в русском пере-
воде в журна.пе Электроника (Electronics). [[РИМ. ред.
u
В случае применения в линеиных усилителях поле-
вые транзисторы обладают двумя преимуществами по
сравнению с биполярными приборами: высоким входным
сопротивлением и квадратичной зависимостью BЫXOД
Horo тока от входноrо напряжения. Следствием большоrо
входноrо сопротивления является высокий коэффициент
усиления по мощности. Следует отметить, что по шу
мовым характеристикам усилители на полевых транзи
сторах с управляющим р п переходом значительно
лучше усилителей на транзисторах с изолированным за..
твором. Исследование линейных усилителей на полевых
транзисторах основывается на методах. аналоrичных Me
тодам исследования ламповых усилителей. В настоящеЙ
rлаве кратко рассмотрены три основные схемы ВКJIюче
ния транзисторов, приведены соответствующие им экви
валентные схемы и выведены основные уравнения. В за
ключительной части paCCl\iOTpeHbI различные схемы уси..
лителей на МОП транзисторах, включая комбинирован
ные схемы из МОП.. и биполярных транзисторов.
6.1. УСИЛИТЕЛЬ С ОБЩИМ ИСТОКОМ
На рис. 6.1 показана упрошенная эквивалентная cxe
ма для маЛhIХ сиrналов, справедливая как дЛЯ МОП
транзисторов, так и для полевых транзисторов с управ..
ляющим р n переходом. Обычно конструктор сам вы..
бирает эквивалентную схему, удовлетворяющую ero в
отношении степени приближения к реальной схеме. Бо
лее подробно об эквивалентных схемал усилителей на
!\'\ОП транзисторах см. в работах [1 3].
Как видно из эквивалентной схемы, усилитель с
общим истоком представляет собой в основном емкост"
ную наrрузку для reHepaTopa сиrнала. Выходной ток
168
Тлава 6
А на 10C'08ble схе.lИЫ
169
усилителя является функцией входноrо напряжения Ha
I'рузка шунтируется выходной проводимостью транзисто
ра. Крутизна транзистора зависит от выбора рабочей
точки; ее зависимости от 1 с и ИЗ приведены на рис. 3.2
С з . с
rде (RH//rC и) означает сопротивление эквивалентное co
противлению пара.плельно включенных R H и 'с. и, т. е.
Rн,с.и/(R н + 'с. и). Следовательно,
Аu Ы' == gm (R H "'с. и)
вх
ЗатВор
Сток
или
Се. и
gт
Аа ==
Он + gc. и ·
При gс.и Он коэффициент усиления равен
Аа == gmR H .
в ряде случаев для введения отрицательной обратной
связи последовательно с истоком включают резистор.
Если необходимо только стабилизировать рабочую точ"
ку, то резистор шунтируется
конденсатором. Если же необ
ходимо создать обратную связь
по переменному току, то часть
сопротивления оставляют He
зашунтированным, как пока-
зано на рис. 6.3. С учетом OT
рицательной обратной связи
коэффициент усиления по на..
пряжению равен
gm и вх
gc.и(r c . ц)
С з . и
и ВХ
I
Исток
Рис. 6.1. Эквивалентная схема низкочастотноrо усилите.пя с общим
истоком дЛЯ МЗ.7JЫХ сиrналов.
и 3.4. Динамическое сопротивление стока в полоrой об..
.пасти (l/gc и) также зависит от тока стока, общий вид
этой зависимости приведен на рис. 6.2, а (на рис. 6.2, 6
показана заВИСИl\fОСТЬ проводимости от тока) При изме
::s
с... CJ
c:n
...)
,
9с.и.
А , Aurc. и .
и
'с. и + R н + (g т' с. и + 1) R и
с::: gтRH,c. и . (6.3)
'с и + R н + (g т' с. и + 1) R и
При больших значениях gm И
'с и получаем приБЛИ)I{енное
выра)кение для коэффициента
усиления каскада
А' == gm R (6 4)
u 1 + gтR и н. .
Ln lc
а
[с
d
Рис. 6.2. Зависимость динамическоrо сопротив.пения (а)
и проводимости (6) от тока стока.
нении длины канала и степени леrирования ПОДЛО)l{КII
rрафик зависимости смещается относите"lЬНО ОСЕ=Й KO
ординат.
Определим коэффициент усиления по напряжению
Аu == ивых/ивх. Пренебреrая Вlиянием емкостей можно
записать следующее выражение:
U вых == gm U в'{ (R и " 'с. н),
(6.1)
(6 2)
:
U6ЫЖ
Рис. 6.3. Усилитель пе ре..
MeHHoro тока с отрицатель..
ной обратной связью.
Сравнивая выражения (6.4) и (3.6), можно сделать
вывод, что A == g'mR и , rде gm эффективная крутизна
транзистора с СОПРОТИВ"l€нием в цепи истока. Поспедова..
ТРЛЬНОе сопротивление R и уменьшает коэффициент
170
r лава 6
АналDzовые схе.lи'Ы
17 J
JUnкm
иВж
1
3 а
f о
из
схемы леrко получить следующее выражение коэффи"
циента усиления по напряжению:
А == gm (r c . н " R H )
и 1 + gm (rc. н 11 R H ) ·
При ,с.и»Rи ('с иllRи) ==Rи, поэтому
А ,! I +g:тRи · R и
или Аи == + g'тR н ' rде g эффективная крутизна, оп
ределяемая уравнением (3.6). Из (6.7) следует, что
А и < 1 и при увеличении gтRи коэффициент усиления
стремится к единице.
Пусть для примера grп== 1000 МКМО, а R и ==5 ком, то..
rда А и == +0,835. Удвоив величину Rи, получим коэффи
циент усиления +0,91.
Для нахождения выходноrо сопротивления (или про..
водимости) истоковоrо повторителя необходимо зазем..
лить ero вход, подать сиrнал на выход и найти отноше
ние тока к напряжению.
i BbIx == и вых (О н + gc. н) + gm U вых'
(6.6)
усиления схемы и увеличивает ее стабильность При
gтR и » 1 получаем
Аи : t (6 5)
Т. е. коэффициент усиления не зависит от параметров
транзистора, R H и R и пассивные элементы они MorYT
быть сделаны стабильными в широком диапазоне изме..
нения температуры, чем обеспечивается стабильность
КОЭффИllиента усиления.
(6.7)
6.2. ИСТО КО ВЫй ПОВТОРИТЕЛЬ
Очень широко применяется схема с общим стоком,
или истоковый повторитель, который характеризуется
следующими особенностями:
1) выходной сиrнал совпадает по фазе с входным;
и 8ы %
i BblX У G
и == вых == Н + gc. н + gm,
ВЫХ
(6.8)
а
б
rде G п ==. l/R и ; gc. п== l/,c. и, Т. е. выходное сопротивление
определяется uепочкой из трех параллельно включенных
сопротивлений: R и , 'с. п и l/g rn ; -так как обычно величина
l/gm очень велика, то
R H
'вых == 1 + gmR H ·
Рис. 6.4. Истоковый повторитель.
а принципиальная схема, 6 эквивалентная схема.
2) коэффициент усиления по напряжению всеrда
меньше единицы;
3) низкое выходное сопротивление;
4) большой динамический диапазон изменения сиr
нала;
5) способность осуществлять активное преобразова
ние импедансов.
На рис. 6.4 приведена принципиальная и эквивалент
ная схемы истоковоrо повторителя. Как видно из экви"
валентнои схемы, сопротивление 'с и включено парал
ледьно СQпротивлеНИIО наrрузки R H . Из эквиваленrной
Проводя расчет для предыдущеrо примера (gm:::2
== 1 000 MK,, O. R и == 5 ком), получаем
5 · 103
, вых == 1 + 1 0 3 . 5. 103 == 835 о м.
У"величение gm до 2000 мкмо приводит К снижению 'вых
до 445 ОМ.
В схеме истоковоrо повторителя в сочетании с reHepa-
тором тока может быть получен коэффициент усиления
по напряжению очень близкий к единице причем
АнаЛ020вые схе.lИЫ
173
172
r лава 6
значительно больший, чем в CXeIVle с использованием по
стоянноrо резистора в цепи исrока. Подобная схема
J 156 приведена на фиr. 6. 5. TpaH
зистор Тр 1, резистор R и и
Е=1 Р 2 стабилитрон образуют rеие..
ВxoiJ ..., В хоп ратор тока в цепи истока
r .::: 1 , I ы транзистора Тр 2. Так как
"7: RCM Трl; дифференциальное сопро..
, I тивление reHepaTopa тока
lcтаОI1Лll : очень велико, то коэффи"
I тp I
I I uиет усиления схемы по
\ ; переrvfеННОfvlУ току прибли
t +158 I жается к единице. Однако
I I
{eHef!Eтo!!..'E..0Ha J статическое сопроти вление
Рис. 6.5. Истоковый повтори (на постоянном токе) не Be
тель с rеиератором тока в цe лико, поэтому не требуются
пи истока дополнительные сопротивле..
ния и источники питания.
Ток покоя, протекаюшиЙ через резистор в цепи ис
тока, равен U z U пор
1 с == R и
Выходное сопротивление схе:\IЫ близко к I/g тz .
равно
Rн+,с.и
, ВХ == 8
1 + g т' с. и
Если gп rc. и» 1, то
1 + RH
'ВХ == gm
g т' с. и
(6.9)
I<.оэффициент усиления каскада равен
А == (1 + 'с. иgm) R H
u R н + 'с. и + (1 + 'с. иg т) R и 8
Если Rc«(RH+rC и)/(I+g m r с . и ) (выходное
ние) и rс.и»R н , то
Аа + gmRH8
(6.1 О)
сопротивле..
(6.11 )
Знак «плюс» указывает на то, что входной и выходной
сиrналы находятся в одинаковой фазе.
Jr "
+ Unu"rt
9т и ,
6.4. РАЗЛИЧНЫЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЕй
1. Схема с автоматическим смещением. В транзисто
рах с индуцированным каналом р типа затвор должен
иметь отрицательное смещение относительно истока.
Обычно смещение ос) ществляется с помощью включения
в uепь сток затвор большоrо сопротивления обратной
связи (рис. 6.7, а). Поскольку в цепи сток затвор по..
стоянная составляющая тока OTCYTCT yeT, полное напря..
жение стока приложено к затвору. Это обстоятельство
значительно упрощает расчет схемы по сравнению с pac
четам апалоrичных схем на биполярных транзисторах.
На рис. 6.7, 6 изображены семейство во.пьтамперных
характеристик транзистора, кривая И с. з== Из. и и линия
наrрузки. Пересечение кривой И с . з== Из. и и линии на..
rрузки определяет рабочую точку. Очевидно, что на по
ложение рабочей точки влияет изменение R и и не влияет
изменение Ro. с.
Усилитель с обратной связью по постоянному току
обладает лучшей стабильностью по сравнению с уси-
лителем с фиксированным смещением.
Так, при уменьшении тока стока вследствие измене..
ния вне них условий уве ичивается отриuате ьное на..
пряжение на стоке, а следовательно, и на затворе. Это
пrиводит к увеличению тока стока и возвращению pa
бочей точки в исходное положение. Схема обладает так-
6.3. УСИЛИТЕЛЬ С ОБЩИМ ЗАТВОРа'"
Схема с общим затвором ана.поrична схеме с общей
базоЙ на биполярных транзисторах.
:с исм
-:r
Zb
Рис. 6.6. Усилитель с общим затвором.
В противоположность истоковому повторителю CXel\fa
с общим затвором преобразует импеданс в обратном на..
правлении: от низкоrо значения к высокому.
На рис. 6.6 приведены принципиальная и эквивалент..
ная схемы усилителей. Входное СОПрОТИВ ТIение усилителя
rc;
t
11
::t
.
(")
11
::j
с-
а
с
I С") ..... ...... ___
1.
;z:
Е
::s
::f
t:::t
...
<.)
.......
Е
:=
ж
о::
T
Е
::1
с:
:::>
'c
r
::!
;:g
АнаЛ0206ые схемы
175
::т'
О
f-e
'::s::
· cl)
:s:: ::т'
::v; О
D:: \о
p:j '"
с.) р..
::s::
о ::s::
::r:: ::r::
Е--< cl)
'" ?:Е
Р..О
\о
О О
1:::
::s:: cl)
::r:: ::s::
cl) ::r::
cl)
t:Q
::s::
Е--< t::i
о cl)
0-.0..
1::: 1:::
8 о
Q cl)
,.Q о
::f
о cl)
::т'
О ::s::
1:::-&
'"
() о..
Q) I
@\О
cl)
S со
cl)
::Е cl)
U :><
и
CD '"
с.)
с.)
::s:: :s::
cl)
(i)
I
c::s
же обратной связью по переменному току. Эта связь MO
жет быть либо уменьшена включением конденсатора Mex(
ду частью резистора Ro. с и землей, либо усилена вклю"
чением конденсатора СО с параллельно резистору Ro с.
2. Линейный усилитель с МОП"транзистором в на..
rрузке. В разд. 5.2 была описана работа инвертора,
изображенноrо на рис. 6.8, а. Рассмотрим кратко полу""
ченные результаты в приложении к линейному усили..
телю с МОП транзистором в качестве наrрузки.
На фиr. 6.8, б приведена передаточная характерн..
стика усилителя. Характеристика имеет линейную об..
.пасть 11, соответствующую работе обоих транзисторов
d и оот
U Ж
Uk F
иСМ
Область D
Оdласть 1
Лl1неf1ныu участОIl
пepeiJaтo'lHoli
хора/< тер«стШflJ
lI 8II1x
Оdласть Ш
U Вж
а
d
Рис. 6.8. Линейный усилитель для
больших сиrналов.
а электрическая схема, б переда
точная характеристика.
в полоrой области (уравнения токов описываются оди
наковой квадратной зависимостью). Коэффициент уси..
ления на линейном УЧdстке равен
А === 1 ,/ (W/L)упр (6.12)
и '(W/L)и .
Как видно из (6.12), коэффициент усиления зависит
только от rеометрических размеров транзисторов и не
зависит от таких чувствительных к изменению темпера
туры параметров, как подвижность носителей и т. п.
l\10ЖНО предположить, что усилитель переменноrо тока,
схема KOToporo приведена на рис. 6.8, а, обладает высо..
кой те fпературной стабильностью. На рис. 6.9 показана
]76
r лава 6
АнаЛ020вые схе.lИЬi,
177
Каскодный усилитель CXel\1a KOToporo приведена на
фиr. 6.12, а. обладает хорошими частотными свойствами.
МОП транзистор включен на вход усилителя с общей ба..
зой, поэтому наПРЯ)l{ение
на стоке изменяется в He
больших пределах (фик..
сируется низкоомным пе..
реходом база эмиттер
биполярноrо транзисто
ра). Вследствие Toro что
коэффициент усиления
МОП транзистора по на..
пряжению близок к нулю,
увеличения Се. 3 за счет
эффекта Миллера не про..
исходит и потери тока на
перезаряд емкостей Се. 3
И Се не велики. Схема
включения биполярноrо
транзистора с общей ба
зой отличается хорошими
частотными свойствами
(и в этом случае влия"
ние эффекта Миллера
d::
BЫXOa
Вхоо );]
· На осцuллоzраммах по/{азuнь/
инОерсные !JblxofJHble Сl1ёналы
Рис. 6.10. Осциллоrраммы ВХОДНЫХ и ВЫХОДНЫХ сиrналов линейноrо
усилителя.
а синусоидальный сиrнал, б прямоуrольный сиrнал, в пило-
образный сиrнал.
экспериментальная зависимость коэффициента усиления
от температуры. Без специальнои теР 10компенсации ко..
эффициент усиления ИЗlVlеняется Bcero лишь на 2 О/о в
диапазоне изменения температуры, равном 105°С. Это
следует считать хорошей стабильностью, учитывая BЫCO
кую чувствительность параметров полупроводниковых
приборов к изменению температуры.
Для иллюстрации линейных свойств усилителя на
рис. 6.10 приведены осциллоrраммы трех различных ти
пов сиrналов с частотой 1 К2Ц (усилитель представляет
собой ИС с заземленной подложкой).
I 1 i , j ' J . ;Ы O
I 'r.' " ..,. 1 ; . .
.. 11
18fI . ': """ " "'
/ 0,5 MceKjCM
и
Аи( ЗО) Аul75) Z
х 100 7,9 о
A u (2S)
о измеренные значения
I
I I 7""
,
"'"
f
I
2.5
iJ *
,, "
1 "
!4! с'М
> ".
.....
::s 2.0
"'t:
: 11
'\
. 'i..
"
.1J S MC' .М
6-..
1,5
зо 10 О 10 зо SO 70
Температура, ос
а , a Ja I;., 1.
., . , " ,
.41 '2 CM
Рис. 6.9. Зависимость коэффициента уси..
лени я от температуры.
3. Комбинированные усилители на МО П.. и биполяр..
ных транзисторах. Большое усиление может быть полу..
чено при использовании 1\10П и бипо,пярноrо транзи
с ropoB в схеме Да рлинrтона (рис. 6.11, а) [4]. Полная
крутизна TaKoro усилителя достиrает десятков мuллuа.l11,
пер/вольт. Усилитель совмещает такие поло)кительные
качества обоих транзисторов, как высокое входное co
противление, присущее t\10П транзисторам, и высокую
крутизну, а также малое остаточное напряжение, харак"
терные дЛЯ БИПО,}IЯРНЫХ транзисторов. На фиr. 6.] 1, 6
приведено сеlVlейство выходных характеристик усилителя
снятое на характериоrрафе.
: "
а..
... А" ... ......h.
JJt5IACeK 'си
8
оказывается существенно сниженным). Частотные пре
де.пы каскодноrо усилителя определяются постоянноЙ
12 3ак. 311
Рис. 6.12.
а каскодный усилитель на МОП и БИПОЛЯРI:ЫХ транзисто"
рах, б МОП инвертор.
178
rлава 6
времени RнС и . б (предпо.паrается, что предельная частота
самих транзисторов значительно выше). Каскодный уси..
литель обеспечивает более высокое (на порядок больше)
выходное сопротивление чем простой МОП инвертор.
Вследствие Модуляции длины канала 1) инвертор на
МОП транзисторах (рис. 6.12, б) обладает меНЬШИl\1 ди..
иnит
Unu.m
U rcэ
"'d8 "'16 см О
11111111 IJ
II -..--- :
-==-_____;
1I=.iiiiii."',
1I1I_.iiii_"1
__ .._--I lи.
11 .iiii , 1MalcM
liii 11
1111 !! ,
Е . 11
1111 .. ---10ма
АUаж= 0,16
9. lO ма/' при 11( =... 101.44
d
а
и8x
.:L Cc
1] T/JZ-:-
ССМ
U8X
и 6ыХ
а
Рис. 6.11. Схема Дарлинrтона на МОП и биполярных тран"
зисторах.
а электрическая схема, б семеиство выходных xapaKTe
ристик.
намическим сопротивлением стока, чем схема рис. 6.12, а.
Коэффициент УСИ lения каждой из схем рис. 6.12 равен
I
grпRи 2), однако вследствие шунтирования наrрузки
выходным сопротивлеНJt1ем схема, представленная на
рис. 6.12, б, обладает меНЬШИl\1 усилением.
На рис. 6.13 приведена схема КОl\lбинированноrо уси..
лителя с обратной связью, достоинства KOToporo заклю"
чаются в простоте расчета и стабильности параметров
[5] При достаточно большом коэффициенте усиления
каждоrо и з двух каскадов общий коэффициент усиления
1) См разд. 6.1.
I
2) Сопротив.пение R и э!{вивалентно С ОЛ РОТИВ.llению параЛ.rIеJJЬНО
r-оединенных Ru и 'вых.
ВхоВ
СВх
Unu.m
Выхоо
:r: и СМ
d
и n Ilrn
С'1
I
.... .... .... *...1
С о . с
Рис. 6.13. Комбинированный усили-
тель с обратной связью
12*
180
r лава 6
АнаЛО20вые cxeJrtbl
181
становится не заВИСИl\1Ыl\1 от параметров транзисторов
и определяется с помощью приближенноrо выражения:
Аu == + RI ;.R2 . (6 13)
В реальных схемах усилителей может быть получено
усиление порядка 1 0 20.
При R2==O коэффиuиент усиления равен единице. Та-
кие усилители используются для соrласования сопротив
лений или для развязки каскадов усилителей. Эффектив
ное значение сопротивления в цепи истока равно В Х R 1 ,
rде В статический коэффициент УСИ"lения бипо.пярноrо
транзистора. ОпредеЛИivl в качестве ПРИl\'1ера 1{0ЭффИ
циент усиления схемы на фиr. 6.13.
Пусть заданы следующие параметры: крутизна
N\ОП транзистора gm == 1000 MK LO; Rl == 1000 ом; В для
БИПО.1ярноrо транзистора == 100. Записывая уравнение
(6.7) в виде
Аu == '/ R и R ' (6 14)
gm+ и
и сдвинутые на 1800 друr относите.пьнuо друrа. Полевые
транзисторы хорошо подходят для этои цели знаЧИТ€1JЬ-
но лучше чем биполярные. Схема парафазноrо усили-
теля показана на рис. 6.14. Токи, протекающие через
сопротивления R и и Rc, равны, поэтому при равных со-
противлениях коэффициенты усиления в двух выходных
и nu.m
U Сf"I
BbIxoiJ
Выхоо
,.., BbI:rolJ
::.. на СЛI0ке
, . \ t
'T J -.: f в ыз:оо
. 11 1. , " на истоке
., , , ., , " 18/ВМ .
Вжоо
)0,5 МС8К/СМ
d
найдем
а
1 00 .] Ко м 1 00
Аu == 1000 ом + 100. 1 ком == wт == 0,99
Полученный реЗУТIьтат подтверждает праВИL1ЬНОСТЬ при
ближенноrо выражения (6.13). Очевидно, подстраивая
сопротивление резистора R2, можно величину коэффи
циента усиления сделать как уrодно близкой к единице.
Частотные свойства усилите.,lЯ MorYT быть улучшены пу-
тем включения между ВХОДО\1 и ВЫХОДОl\1 неБОЛЫlIоrо
подстроечноrо конденсатора Со. с, который образует цепь
положительной обратной связи и КО"Iпенсирует шунти
рующее действие входной паразитной емкости. Так как
ток в цепи затвора отсутствует, то входное сопротивле
иие усилителя может быть сделано чрезвычайно боль-
ШИl\1 за счет увеличения RCM дО 100 МОJИ И выше Xopo
шая стабильность рабочей точки усилителя обеспечи
вается ДВУl\1Я элементаl\1И отрицательной обратной связи:
эффективным сопротивлением в цепи истока RIB и co
противлением смещения R CM .
4. Парафазный усилитель. Часто неоБХОДИl\rIО разде
lИТЬ сиrнал на две составляющие, равные по аl\1плитуде
Рис. 6.14. Пара фазный усилитель.
а электрическая схема б осциллоrраммы входноrо и выход-
ных сиrналов.
точках равны. В случае применения биполярных транзи"
сторов ток эмиттера всеrда несколько отличен от тока
коллектора, ПОЭТОlVlУ при равных сопротивлениях сиr..
налы на выходах несколько отличаются друr от друrа
Из уравнения (6.7) МОЖhО определить коэффициент
усиления на истоке
А + gm R
и (ИСТОК) == 1 + g R и
т И .
(6.15)
Соответственно из (6.4) определяем коэффициент уси..
ления на стоке
gm
Аu (СТОК) == 1 + gтR и Rc.
(6.16)
При Rи==R с == R H получаем одно общее выражение
А и == + gmRH'
(6.1 7)
182
r лава б
rде
g == gm
1 + gтR и ·
На рис. 6.14, б показаны осциллоrраммы входноrо и BЫ
ходноrо сиrналов парвфазноrо усилителя.
ПРИЛОЖЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА 1)
1. W а 11 m а r k J. Т., The Field effect Transistor А Revie\v, RCA
Rev., рр. 641 660 (Dec. 1963).
2. F i s с h е r W., Equivalent Circuit and Gain of MOS Field Effect
Transistors, Solid state Eleetron., 9, 71 Bl (1966)
3. L u k е s Z., Character:stics of the Metal oxide semiconductor Tran
sistor in the Common gate Electrode Arrangement, Solid state
Eleetron. 9, 21 27 (1966).
4. Р а r m е r W. F., Four Ways to Pair Field effect and Conv ntional
Transistors, Eleetroп, Design, рр. 44 47 (Aug. 16, 1962).
о. С r а \v f о r d В., Complementary Two stage Amplifiers, Eleetro
teehnol., рр. 47 53 (Мау 1964).
6. В 1 а s е r L., Dual MOSFET SimpIifies FM Multiplex Decoder,
Eleetron. Destgn, рр. 7B 79 (March 1, 1966).
7. F r е s h о u r S. G., Capacitively Tuned FET and MOS Oscillators,
Solid State Design, рр. 28 32 (Dec. 1965).
8*. L u е t t g е n а u G. G., В а r n s S. Н., Designing \vith Low noise
MOSFET's: А Little Different but No Harder, Eleetronies,
рр. 53 57 (Dec. 14, 1964).
9 Р h а 1 а n J. М., MOSFET's Giye Long Time constant Ramps, ЕЕЕ,
р. 46, Apr. 1966.
10. S е а s h о r е С. R., FET Audio Signal Mixer Exhibits Linearity,
Isolation, Eleetron. Design, р. 242 (l\1arch 15. 1966).
11. S k о р а 1 Т., MOSFET Circuit Stores Input voltage Peaks as
D. С., E/eetron. Design, р. 76 (Febr. 1, 1966).
12 W h i t е М. Н., А Voltage controlled .L\10SFET Integratur, Proc.
/ЕЕЕ, Correspondence, рр. 421 422 (March 1966).
102
8
6
4
2
"
"
'\ "
1 "-
" ""
" "
" 1\.. ....... р тип
"
'" "
п тUпl " "-
'"
"
о "
'"
" '"
'" "
"'-
"
"'-
I
I
1
2
10
8
6
4
t::>
с!....
10
8
Б
4
2
1) Статья, отмеченная звездочкой, оп б 'Iикована в русском пере
воде в журнале Электроника (Eleetronies). П рим. peд
10
1014
2
2
4 G & 10 17
4 6 8 1п'5 2 4 6 8 1018
J<онцентрацuя примеси. атом / СМ З
Р И С П 1. Зависимости удельноrо сопротивления КР М!I Я от
кон. HT ции примеси (из статьи 1 r v i n J. С., Reslstlvlty of
Bul SFlicon and of Diffused Layers in Silicon, Веи System
Tech. J., 41, рр. 387 410, 1962).
184
Обозначения
Обозначения
185
А площадь;
Аи коэффициеНl усиления по напряжению;
коэффициент усиления, рассчитываеl\IЫЙ на
основе ПОСТОянных прибора [уравнение (2.15)];
p ПОложителен для пrиборов с р канаЛОl\I,
Вп отрицателен для приборов с п канаЛОI\1;
Во начальное, низковольтное значение коэффи-
циента усиления;
R Вупр/Вн [уравнения (5 9) и (5.1 О)];
со емкость затвора при наличии слоя окисла над
каналом;
СО ===А (8 и /t и ) ;
Ее энерrетический уровень, соответствующий дну
зоны ПрОВОДИl\10СТИ:
Ер уровень Ферми;
E i энерrетический уровень, соответствующий
уровню Ферl\IИ в собственном пол) проводнике;
E'll энерrетический уровень, соответствующий по-
толку валентной зоны;
8'1 диэлектрическая проницаеl\rIОСТЬ Изолятора
окисла; предполаrается равной 1/3 пф/см;
вв диэлектрическая проницаемость Полупрово "
ника кремния; предпо.паrается равной 1 пф/СJИ;
g Н1,- крутизна в полоrой области характеристик;
gc крутизна в крутой области характеристик;
gm крутизна == (дlс/дU з ) lu c ;
gm n крутизна характеристики при управлении по
подложке;
gт vпр крутизна характеристики управляющеrо TpaH
зистора;
gтH крутизна характеРИС1ИКИ наrрузочноrо тран-
зистора;
grno крутизна характеристики при 1 с. пас для тран"
зистора со встроенным каналом;
И С ....... интеrральная схема;
1(' ток стока во внешней цепи;
1 с. о ток стока в точке перекрытия кана lla;
J к плотность тока в KaHatlle;
k постоянная Больцмана;
К. постоянная [уравнение (2.24)], поло)кительна
для р канала и отрицательна для n канала;
L эффективная длина канала (в направлении
то к а) ;
L' расстояние от точки перекрытия канала до
стока;
Lr полная длина канала, измеряеl\lая от истока
до стока;
т НОРl\1ализованное напряжение [уравнение
(4.10)];
Фр функция Ферl\IИ; величина, характеризующая
отклонение уровня Ферl\IИ от середины запре..
щенной зоны собственноrо полупроводника
(при измерении в ero объеме); выражается в
вольтах [уравнение (2.25)];
Фп поверхностный потенциал; величина, xapaKre..
ризующая искривление уровня Ферl\IИ соб
cTBeHHoro полупроводника относительно сере..
дины запрещенной зоны в объеме этоrо по..
лупроводника; Фп предполаrается равным
нулю в случае плоских зон (рис. 2.1, д) ;
q заряд электрона 1,6. 10 19 к;
QH заряд на единицу площади в области накоп"
ления заряда у поверхности кремния;
QK заряд на единицу площади канала;
Qи заряд на единицу площади инверсионноrо
слоя;
Qз ....... заряд на единицу площади затвора;
Q\f заряд на единицу площади обедненноrо слоя;
Qп. с действующий заряд, см. п. 9 в rл. 2, стр. 37;
'с ....... динамическое сопротивление стока для крутой
области характеристик;
'с. нас....... динаl\rIическое сопротивление стока для по.по
rой области характеристик;
R пар паразитное сопротивление;
е постоянная в уравнении (3 28), связывающем
подвижности носителей с усилением прибора;
8 === BoR;
't постоянная времени;
t и толщина изолятора окисла;
ОБОЗНАЧЕНИЯ
I )
Обозначения
т теl\lпература;
J.t подвижность носителей, СЛ1,2/ в . сек; J.tp Иl\lееl
положительный знак, а f..tn отриuательныЙ:
и (f) напря)кение как функция времени;
из. п напряжение затвор подложка;
iJ с напряжение на внешнеl\1 выводе стока;
,
И С напряжение на стоке;
И Шl1 напряжение питания стока;
U с. и напряжение сток исток;
и напряжение на затворе;
и, м напряжение Сl\lещения на затворе;
Из. с напряжение затвор С10К;
U iпор внутреннее пороrовое напряжение [уравнение
(2.24) ];
И пор пороrовое напряжение, напряжение перекры"
тия канала [уравнение (2.18)];
U п. с та часть пороrовоrо напряжения, которая обу..
словлена зарядом Qп с;
Хн rраница l\lежду областью накопления заряда
и объемом нейтральноrо полупроводника;
XD rраница между обедненным слоем и объеМОl\f
нейтральноrо полупроводника;
N д концентрация донорной примеси;
N a концентрация акцепторной примеси.
оrЛАВЛЕН IЕ
От редактора pyccKoro издания .
Предисловие автора
1. Основы теории полевых МОП транзисторов
1.1. Работа lV\ОП транзистора
1.2. Характеристики
1.3. Цифровые схемы
1.4. Скорость переключения
1.5 Структуры на транзисторах с каналами ПРОТtIВОПОЛОЖ
ных типов проводимости 24
1.6. Бу ДУIцее техники МОП приборов 26
2 Теория работы полеВОJ'О транзистора
2.1. Качественный анализ . 37
2.2 Количественный анализ [3] . 44
2.3. Дополнительные соображения о пороrовом напряжении 59
2.4. 3аКЛЮ i lительные замечания об уравнениях хараТ{тери
стик при различных режимах работы транзисторов и
обозначениях МОП транзисторов . 71
3. Характеристики МОП транзисторов и основные уравнения . 77
3.1. Полоrая область характеристик . 77
3.2 Крутая область характеристик . 93
3.3. Подвижность 98
4. Переходный процесс 103
4.1. Предельная частота 103
4.2 Время переключения МОП транзистора . 106
5. Основные приципы построения интеrральных схем на МОП
транзисторах
5.1. i\10П транзистор в KaQeCTBe наrрузочноrо реЗИСfора
5.2. Инвертор
5.3. Основные лоrические схемы
5.4. ИзБЫТОЧНОСl ь В схемах на МОП l ранзисторзх
5
6
9
12
13
18
21
33
126
127
135
.. 147
. . . 152
188
Оzлав '[ение
5.5. Динамическая лоrика на МОП транзисторах
5.6. Статический универсальный триrrер
5.7. Описание реальной интеrральной схемы
6. Ана.п.оrовые схемы . .
6.1. Усилитель с обшим ИСТОКО'1
6.2. Истоковый повторитель
6.3. Усилитель с общим затвором
6.4. Различные СлеМы УСИ.,lителей
Приложение
Обозначения
153
158
158
167
167
170
172
173
183
184
i1ЗДА ТЕЛЬСТВО "Му1Р"
rотовЯТСЯ к ПЕЧАТИ В 1970 r
Редактор М. Б. Велuковскuй
Художественный редактор В. 1\1. Варлашuн
Сдано в производство 22/IX 1969 r.
Бумаrа N2 1 84ХI08 1 / з2 ==3 БУ\t. л.
Изд. N"Q 20/5009.
Художник А. э. Казаченко
Технический редактор Т. Ч ечuК
Подписано к печати 2/III 1970 r.
Ум. печ. л. 10,08. Уч. изд. л. 8,77.
Цена 81 к. Зак 311.
о р ТЮЗ и Ж. Теория электронных цепей, перев с
французскоrо, 26 л.
В книrе рассмотрены наиболее современные методы
частотноrо анализа линейных электрических цепей, xa
рактерных для электронных устройств. Основное ВНИl\lа
ние уделено анализу реЖИl\10В rармоническоrо возбужде
ния, эквивалентным параметрам и схемам транзистор
ных усилителей. PaCCl\10TpeHbI критерии устойчивости
линейных систеl\1 с аКТИВНЫl\IИ элементами при наличии
обратных связей.
I<'ниrа будет полезна аспирантаl\l, научныIM работни-
Kal\1, а также инженераl\l, работаЮЩИl\1 в области элек
троники, радиотехники и связи
К а л а х а н Д. Методы машинноrо расчета электрон-
ных схем, перев. с анrлиискоrо, 20 л
Первая моноrрафия, содержащая систеl\lатическое
изложение основных результатов новой научной ДИСllИП
лины.
В книrе сфОРl\lулированы правила составления MaTe
l\lатических описаний электронных цепей и обсуждаются
численные методы реllIения соотвеТСТВУЮIЦИХ уравнений.
Изложен метод построения алrоритма для составления
1атематическоrо описания линейной цепи на ЭЦВJ\I\.
PaCCl\10TpeH машинный анализ цепи с учетом допусков
на параl\lетры ее элементов Описаны метоДЫ и алrо-
ритмы ОПТИl\lизапии llепи по параметрам ее элеl\lентов.
Приведены основные результаты, полученные при соста-
влении цифровых моделей диодов и транзисторов.
Книrа рассчитана на широкий Kpyr ИН)J(енеров-раз-
работчиков электронной аппаратуры, а так)ке препода-
ватеL1ей. аспирантов и t:тудентов вузов соответствующеrо
НРОфИL1Я.
Р. Кроуфорд
СХЕМНЫЕ ПРИ \1ЕНЕНИЯ N\ОП ТРАНЗИСТОРОВ
ИЗДАТЕЛЬСТВО ,МИР"
Москва. 1 й Рижский пер., 2
Ордена Трудовоrо KpaCHoro Знамени
ЛеНlIнrрздская типоrрафия N2 2 имени Евrении Соколовой
rлавполиrраФПРО\-lа Комитета по печати при Совете \1.инистров СССР
!1змайдовский проспект, 29.
189
Б е к и Дж., К. арп л юсУ. Теория и применение rиб..
ридных вычислительных систем, перев. с анrлийскоrо,
30 л.
Машинный расчет интеrральных схем. Под ред. r. rep..
СI{овица, перев с аJlrлийскоrо, 29 л.
I\ниrа посвящена вопросаI\1 теории и ПРИ 1енения
rибридных вычислительных систеl\l, которые за послед
ние rоды приобретают все БО.,lьшее значение и удельный
вес среди средств вычислительной техники. В книrе дo
вольно полно освещены различные аспекты построения
rибридных вычислительных систеl\l, их математическоrо
обеспечения, приведен подробный анализ поrрешностей,
возникающих при вычислениях. Особоrо внимания за
с.пуживают разделы, посвященные применению rибрид-
ных вычислительных систем для решения задач теории
поля, параl\lетрической оптимизации и др.
Книrа представляет интерес для инженеров и MaTe
l\lатиков, разрабатывающих новые средства вычисли-
те 1JЬНОЙ техники, а также для специалистов, заинтере-
сованных в применении rибридных вычислительных си
стем для решения различных задач
В книrе систематически изложены принципы расчета
интеrральных схем при ПОl\10ЩИ ЭЦВМ. В ней подробно
рассмотрены модели активных и пассивных компонен
тов, приrодные для машинноrо расчета 111ирокоrо класса
электронных схем. Детально изложены методы машин
Horo расчета линейных и нелинейных цепей. Освещены
вопросы автоматизации расчета интеrральных схем и
применения для этих пелей вычислите.ТIЬНЫХ комплексов,
работаIОI1 ИХ с разделением вреl\lени. Теоретические раз
делы книrи удачно сочетаются с разделами, содержа-
щими конкретные проrраl\Il\IЫ и примеры их применения
для расчета линейных, цифровых и евч ис.
Книrа представляет большой практический интерес
для специалистов, заНИl\lающихся разработкой электрон
ных схем, особенно CXel\1 в МИКРОl\lиниатюрном исполне
нии. Она также будет полезна преподавательскому co
ставу и студентам старших курсов радиотехнических
специальностей высших учебных заведении.
Б е н Д а т Дж., Пир с о л r. Измерение и анализ слу"
чайных процессов, перев. с анr.пийскоrо, 26 л
м и Д о у К. Анализ информационных систем, перев.
с анrлийскоrо, 24 л.
Трудно в настоящее время назвать область челове
ческой деятельности, rде не решались бы вопросы созда
ния информационно поисковых систем и более эффек
тивноrо ИНфОРl\lационноrо обслуживания. В моноrрафии
рассмотрены основы анализа систем обработки инфор
мации и подробно изложены такие вопросы, как функ
ционирование информации при включении человека в
ИНфОРl\lационный контур управления, язык ИНфОрl\lа
ционноrо поиска, индексирование информапии, струк"
тура индексных записей, орrанизация и хранение инфор
мационных массивов, орrанизация систем l\tlассивов ин
формации, стратеrия поиска и оценка поисковых оши
бок, функционирование ИНфОРl\1ационно поисковых си
CTef\1. Для закрепления l\lатериала в конце каждой rла..
вы даны упражнения.
I\ниrа полезна специалистам различных областей
знаний, интересующимся вопросами обработки информа
ЦИИ, и является ценным учебным пособием для студентов.
В книrе описаны новейшие практические методы из
мерения и анализа случайных процессов. Особый инте..
рес представляют rлавы, освещающие простой и эффек
тивный метод нахождения передаточной функции линеЙ..
ной системы с произвольным числом стационарных и
стационарно связанных входных процессов. Этот новый
метод найдет широкое применение в инженерной прак
тике (наПРИl\lер, для расчета наrрузок на сооружения).
Метод описан весьма подробно, со мноrими примерами,
так что им леrко пользоваться, не прибеrая к различноrо
рода справочным изданиям.
Книrа представляет собой сводку новейших дости"
жений науки в области прикладных методов в теории
случайных процессов. Она будет по lезна научным ра-
ботникам и инженерам, а также студентам carvIbIx раз
личных специа,,1ьностей.
J90
191
Л\ и н с к и й 1у\. Вычис,пения и aBTOl\1aTbI, перев. с aHr..
лиЙскоrо, 25 л.
i\10ноrрафия одноrо из крупнейших американских
ученых раСС 1атривает фундаl\lентальные вопросы теории
автоматов. Изложена классическая теория конечных
автоматов, машин Тьюринrа и систем Поста. Подход
автора в значительной степени отличается от традицион"
Horo. В ero основе лежит понятие эффективной про-
цедуры, включающее язык для описания поведения и
характеристику устройства, способноrо выполнять пред
писания, зафиксированные на этом языке. !VIноrие дo
стоинства книrи и прежде Bcero блеСТЯlцая систеl\lати .
зация результатов, ПО<l1ученных в теории автоматов за
последнее десятилетие, делают ее BeCbl\la ценным PYKO
ВОДСТВОl\1 для исследователей и инженеров, работающих
в области вычислительной техники и аВТОl\lатическоrо
управления. Интересна она также и для студентов и
аспирантов, избравших своей специальностью вычисли
теЛЬНУIО технику и сме}кные с ней области.
ш е р р А. Анализ вычислительных систем с разделе..
нием времени, перев. с анrлиискоrо, 6 .п.
В книrе рассмотрены: 1Vlодель пользователя, xapaK
теристики аппаратной и проrраМl\IНОЙ частей вычисли
тельной системы с раЗ..1е"lением вреl\lени.. проrраl\Il\lное
моделирование оБС,,1уживающей системы, l\10делирование
работы паl\IЯТИ на маrнитных дисках и барабанах, а TaK
же аналитические модели для систеl\1 с неСКОЛЬКИl\IИ про
цессорами. В приложении дана краткая характеристика
систеl\1Ы с разделением вреl\lени. созданной Массачусет
СКИl\1 технолоrичеСКИl\1 ИНСТИТУТОl\I, и общее описание
принципов ее работы.
Книrа представляет интерес ДL1Я специаL1ИСТОВ по BЫ
числительной технике и системотехнике, работающих
над ОДНИl\1 из наиболее актуальных вопросов, созда
нием количественных методов для анализа работы BЫ
числительных систем с разделением вреl\lени
Уважаемый читатель' Если Вы желаете приобрести
указанные книzи, оставьте предварительный заказ в
книжном маzазине.