Схемотехника ис на полевых транзисторах (пт)

Наряду с рассмотренными схемами на биполярных транзисторах, униполярные-полевые транзисторы являются лучшими активными элементами для БИС.

Как известно, биполярные транзисторы представляющие собой комбинацию двух p-n-переходов, работают на основе инжекции и переноса неосновных носителей. Для этого в рабочем состоянии один из p-n-переходов смещается в прямом, а другой - в обратном направлении.

Принцип действия полевых транзисторов основан на перемещении основных носителей и в корне отличается от биполярного. Биполярный транзистор является прибором, управляемым током, а полевой - управляемым напряжением (аналогично электронно-вакуумным приборам-лампам). Если же сравнить входные сопротивления транзисторов этих двух типов, то r_{вх.б.тр.<<}r_вх.п.тр. Полевой транзистор практически не потребляет тока по управляющему входу.

Наиболее распространенными являются ПТ, изготовляемые по технологии металл-окисел-полупроводник (МОП, либо МДП), поскольку окисел играет роль диэлектрика.

В элементах ЭВМ чаще используется структура МДП-транзистора с индуцированным каналом. Ниже приведена упрощенная функциональная схема такого транзистора. Основу структуры составляет высокоомная подложка р-типа, в которой путем диффузии формируются две низкоомные области n-типа. Затем на подложку наносится изолирующий слой диэлектрика. Через протравленные в нем два окна к областям n⁺-типа подсоединяются два металлических контакта, называемые истоком - И и стоком - С, через которые прибор подсоединяется к источникам питания. Поверх слоя диэлектрика между областями n⁺-типа наносится слой металла, образующий управляющий электрод-затвор - 3.

Рис. 3 Упрощенная функциональная схема МДП-транзистора и его условное графическое изображение

На рис. 3 показано условное графическое изображение МДП-транзистора. Как видно, имеется сходство биполярного и ПТ, где база - Затвор, эмиттер- Исток, а коллектор - Сток.

МДП-транзисторы так же как и биполярные могут изготовляться с каналом (проводимостью) n- или p-типа и управляться положительным либо отрицательным сигналами. У МДП-транзисторов есть четвертый электрод-подложка П, подсоединенный обычно к истоку И или стоку С.

Принцип работы ПТ (МДП-транзистора) с индуцированным каналом можно представить как конденсатор, где верхняя обкладка - металлизированный затвор З, а нижняя - полупроводниковый материал p-типа, лежащий между областями n⁺-типа истока - И и стока - С. Если же на вывод 3 подается положительное напряжение, то положительный заряд на обкладке затвора индуцирует соответствующий отрицательный заряд на обкладке конденсатора. С увеличением положительного напряжения на затворе увеличивается отрицательный индуцированный заряд в полупроводнике. Это приводит к тому, что область между истоком и стоком превращается в полупроводник с индуцированной проводимостью n-типа. В результате чего сопротивление между электродами ИС уменьшается, что приводит к увеличению тока.

На рис.4 а, б приведены зависимости тока истока от величины напряжения на затворе (а) и вольтамперная характеристика МДП-транзистора (б). Видно, что с увеличением U_з возрастает I_с с определенной точки, где U_з  2 В. Дальнейшее увеличение U_з приводит к насыщению.

Рис.4 Зависимости тока истока от величины напряжения на затворе и вольтамперная характеристика МДП-транзистора

Эта характеристика I_с=f(U_cи) близка к ВАХ (вольтамперной характеристике) электронно-вакуумного прибора.

Режим насыщения для тока стока позволяет использовать МДП-транзисторы в схемах логических элементов.

Отличительной особенностью МДП-транзисторов является возможность использования их в качестве резисторов нагрузки, когда транзистор открывается напряжением смещения на затворе (рис. 5), то обусловлено линейной зависимостью тока стока от U_истока при U_{затвора}=const.

Рис. 5 МДП-транзистор в качестве резистора нагрузки и его последовательное соединение, образующее коньюнктор

Последовательное соединение МДП-транзисторов образует коньюнктор (рис. 5б). Логика работы этой схемы не зависит от типа МДП-транзистора. От этого зависит только полярность источника питания и входных сигналов, поэтому проводимость транзистора на схеме не указана. Для построения БИС высокая однородность логических схем на МДП-транзисторах, содержащих одни транзисторы, особенно удобна.

Достоинствами МДП-транзисторов являются:

1. Высокое входное сопротивление до 10¹⁴ Ом.

2. Малые размеры и высокая технологичность.

3. Использование их в качестве нагрузки, что обеспечивает высокую однородность ИС.

4. Высокая помехоустойчивость 2-6 В по сравнению с 0.6 В для биполярных транзисторов.

5. Малая мощность рассеяния в статике.

6. Один источник питания.

7. Способность пропускать ток в обоих направлениях.

8. Устойчивость к радиоактивному излучению, особенно к нейтронной составляющей.

Недостатки МДП.

1. Высокое напряжение питания.

2. Малое быстродействие.

Технологичность и малая стоимость схем на МДП-транзисторах особенно перспективны при изготовлении БИС.

Схемы на транзисторах p-типа очень дешевы и более технологичны, чем на транзисторах n-типа. Однако быстродействие n-типа в 8-10 раз выше, чем схемы р-типа.

По быстродействию схемы на транзисторах n-типа не уступают ТТЛ схемам. У них меньшая мощность рассеяния и высокая плотность размещения компонентов, чем в схеме ТТЛ.

Микропроцессоры серии К1801, К580, К581, К586 используют схемотехнику и технологию П-МДП, а серия К536 - схемотехнику и технологию Р-МДП.