5.1. Классификация и обозначение полевых транзисторов

 

Полевым транзистором называется четырехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором ток создается носителями одного знака, а управление током осуществляется  электрическим полем.

Все полевые транзисторы по своим конструктивным особенностям можно разделить на две группы:

– полевые транзисторы с p–n-переходом;

– полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП -транзисторы).

В дальнейшем рассмотрим только вторую группу транзисторов.

МДП -транзисторы (структура металл–диэлектрик–полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния  . Отсюда другое название этих транзисторов – МОП -транзисторы (структура металл–окисел–полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление этих транзисторов (10¹²…10¹⁴ Ом).

Принцип действия МДП -транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под действием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП -транзисторы выполняют двух типов: со встроенным и индуцированным каналом. Включение канала в электрическую цепь обеспечивается с помощью двух металлических электродов, один из которых называется истоком(И), а другой – стоком(С). Управление током канала осуществляется с помощью затвора (З), отделенного от канала слоем диэлектрика. Четвертым электродом является подложка (П), которая выполняет вспомогательную функцию и служит выводом исходной полупроводниковой пластины. МДП -транзисторы могут быть с каналом n- или p-типа. Условные графические обозначения МДП -транзисторов показаны на рис. 5.1.

 

Рис. 5.1. Условные обозначения МДП-транзисторов  со встроенным каналом p-типа (а) и n-типа (б),  с индуцированным каналом p-типа (в) и n-типа (г)

 

5.2. МДП-транзистор со встроенным каналом

5.2.1. Конструкция транзистора

Рассмотрим процесс образования тока в канале МДП -транзистора со встроенным каналом. Конструкция такого транзистора с каналом n-типа показана на рис. 5.2. В исходной пластине кремния p-типа созданы области истока, стока и канала n-типа. Области истока и стока представляют собой объемы кремния сильно легированного примесью  n-типа. Расстояние между истоком и стоком составляет примерно 1 мкм. Канал выполнен в виде участка слаболегированного кремния n-типа. Затвором служит металлическая пластина, изолированная от канала слоем окисла   толщиной примерно 0,1 мкм. Вывод подложки соединяют с истоком.   5.2.2. Вольт -амперные характеристики транзистора Полевые транзисторы характеризуются входными и выходными вольт-ампер­ными характеристиками. Выходной характеристикой транзистора называется зависимость тока стока   от напряжения исток–сток  при постоянной величине напряжения на зат­воре  , т. е.   при  .

Входной характеристикой называется зависимость тока стока   от напряжения затвор–исток   при фиксированном значении напряжения  , т. е.   при  .

Выходные (стоковые) характеристики транзистора со встроенным каналом имеют вид, показанный на рис. 5.3, а. Рассмотрим вначале характеристику при отсутствии напряжения управления  , что соответствует соединению затвора с истоком. Внешнее напряжение   приложено к каналу (зажимам исток–сток) транзистора с полярностью, указанной на рис. 5.2.При   через прибор протекает ток, определяющий исходную проводимость канала. На начальном участке   характеристики, когда падение напряжения в канале мало, зависимость   близка к линейной. По мере приближения к точке   происходит сужение канала, из-за чего падение напряжения в канале все больше увеличивается, что повлияло на крутизну нарастания тока на участке  . После точки   сечение токопроводящего канала сужается до минимума и вызывает ограничение нарастания тока. Этот режим получил название режима насыщения, а напряжение, при котором происходит насыщение, называется напряжением насыщения  .

Проводящие свойства канала определяются внешним управляющим напряжением  , приложенным между затвором и истоком (подложкой).

 

 

Рис. 5.3. Характеристики транзистора со встроенным каналом:

а – стоковые характеристики; б – стоко-затворная характеристика

 

В случае поступления на затвор отрицательного напряжения  , поперечное электрическое поле затвора оказывает отталкивающее действие на электроны – носители заряда в канале, которые выталкиваются из области канала в объем полупроводника подложки p-типа. Это приводит к уменьшению концентрации электронов в канале и соответственно к уменьшению проводимости канала. Вследствие этого стоковые характеристики при   располагаются ниже кривой, соответствующей  . Режим работы транзистора при  , при котором происходит уменьшение концентрации носителей в канале, называется режимом обеднения.

При подаче на затвор положительного напряжения   электрическое поле затвора притягивает электроны в канал из p-слоя полупроводника пластины. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, что соответствует режиму обогащения канала носителями. Проводимость канала возрастает, ток канала   увеличивается. Стоковые характеристики при   располагаются выше исходной ветви характеристики, соответствующей   .

Если снять зависимость тока   от напряжения   для ряда значений напряжения  , то получим семейство выходных характеристик полевого транзистора.

Примерный вид стоко-затворной характеристики полевого транзистора со встроенным каналом показан на рис. 5.3, б. Из рисунка следует, что ветвь характеристики при   соответствует режиму обогащения, режим обеднения наблюдается при отрицательных значениях  . При некотором значении отрицательного напряжения   (напряжение отсечки) происходит полное закрытие канала, после чего ток канала уменьшается до нуля  .

 

5.3. МДП -транзистор с индуцированным каналом

5.3.1. Конструкция транзистора

Конструкция МДП -транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис. 5.4.

Канал проводимости тока здесь специально не создается, а образуется (индуцируется) благо­даря притоку электронов из полупроводниковой пластины p-типа в случае приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока. За счет притока электронов в приповерхностном слое происходит из­менение электропроводности полупроводника, т. е. индуцируется токопроводящий канал n-типа, соединяющий области истока и стока. Проводимость канала возрастает с повышением приложенного к затвору напряжения положительной полярности. Таким образом, полевой транзистор с индуцированным каналом работает только в режиме обогащения.   5.3.2. Вольт-амперные характеристики транзистора Стоковые (выходные) вольт-амперные характеристики транзистора с индуцированным каналом приведены на рис. 5.5, а. Они близки по виду аналогичным характеристикам транзистора со встроенным каналом и имеют тот же характер зависимости  . Отличие заключается в том, что управление током  транзистора осуществляется напряжением только положительной полярности, совпадающей с полярностью напряжения  . Ток стока   равен нулю при  , в то время как в транзисторе со встроенным каналом для этого необходимо изменить полярность напряжения на затворе относительно истока.

 

 

 

Рис. 5.5. Характеристики транзистора с индуцированным каналом:

а – стоковые характеристики; б – стоко-затворная характеристика

 

Вид стоко-затворной характеристики транзистора с индуцированным каналом  показан на рис. 5.5, б. В отличие от транзистора со встроенным каналом, характеристика имеет только одну ветвь, соответствующую только режиму обогащения.

 

5.4. Основные параметры полевых транзисторов

Крутизна характеристики

 

 при   .

 

Этот параметр определяется из треугольника, построенного на стоко-затвор­ной характеристике транзистора, и характеризует эффективность управляющего действия затвора.

Напряжение отсечки   – обратное напряжение на затворе, при котором токопроводящий канал транзистора со встроенным каналом окажется перекрытым.

Начальный ток стока   – значение тока стока, протекающего через канал при отсутствии напряжения на затворе. Этот параметр относится только к транзисторам со встроенным каналом.

Входное сопротивление   между затвором и истоком, т. е. отношение приложенного входного напряжения затвор–исток к вызванному этим напряжением приращению тока затвора. Определяется при максимально допустимом напряжении   между этими электродами  

 

.

 

Выходное сопротивление   определяется в режиме насыщения

 

.

 

Выходное сопротивление характеризуется тангенсом угла наклона выходных характеристик. В рабочей области он близок к нулю, поэтому выходное сопротивление оказывается достаточно большим.

К другим эксплуатационным параметрам транзистора относятся:

 – максимально допустимое напряжение, прикладываемое к каналу;

 – максимально допустимая величина рассеиваемой мощности;

 – допустимая температура окружающей среды.

К важнейшим достоинствам полевых транзисторов следует отнести:

1) высокое входное сопротивление, достигающее в транзисторах с изолированным затвором 10¹³…10¹⁵ Ом. Такое большое значение сопротивления определяется очень большим сопротивлением диэлектрического слоя транзистора;

2) малый уровень собственных шумов, так как в полевых транзисторах, в отличие от биполярных, в переносе тока участвуют заряды только одного знака, что исключает появление рекомбинационного шума;

3) высокую плотность расположения элементов при использовании этих транзисторов в интегральных схемах.

Схемы элементов диодной логики

Простейшие схемы можно построить на диодах: З начение выходного напряжения равно наибольшему из значений U входных. Диоды отсекают отрицательные сигналы U входных. Потенциал на выходе будет высоким («логич.1») при наличии высокого потенциала положительной полярности хотя бы на одном входе. Y=X₁  X₂ Ди одная схема «И» : Если хотя бы на одном входе «логич.0», низкий потенциал земли, диод открыт и его малое прямое сопротивление шунтирует сопротивление нагрузки R_Н: U_ВЫХ  U_ПР.VD . При подаче на все входы положительного напряжения, близкого к U_ИП, все диоды закрываются, и выходное напряжение будет равно падению напряжения на нагрузке. Y=X₁X₂ Р ассмотрим подробнее работу схемы «И»: Пусть R_б=1кОм; R_Н=4кОм; U_ИП=5В; U_ПР.VD=0.7В; U_КЭ=0.3В. 1). U⁰_ВХ=0.3В U_ВЫХ=U_КЭ+U_ПР.VD=1В 2). U¹_ВХ=5В U_ВЫХ=4^.5/(1+4)=4В U⁰_ВХ=0.3В U¹_ВХU=5В _ВХ=4.7В U⁰_ВЫХ=1В U¹_ВЫХU=4В _ВЫХ=3В Это показывает основные недостатки диодной логики: логические уровни на входе и выходе отличаются, отличаются и перепады, причем, в сторону уменьшения. Эти схемы имеют очень низкую нагрузочную способность. Проанализируем работу схем «И», «ИЛИ» при обрыве входной цепи: обрыв входной цепи элемента «ИЛИ» равносилен 0 на данном входе; обрыв входной цепи элемента «И» (оставление его неподключенным) эквивалентен 1 на данном входе. Недостатки диодной логики:

1. Отсутствие усиления сигнала;

2. Низкая нагрузочная способность. Нельзя к выходам подключить несколько … .

Д ля преодоления недостатков в схему диодной логики вводят на выходе элемент усиления – транзистор, получаем ДТЛ – диодно-транзисторная логика. Схема базового элемента ДТЛ: Выходной транзистор обеспечивает усиление сигнала, поднимает уровень U_ВЫХ, но одновременно он является инвертором, т.е. имеем схему «И-НЕ». Когда на базе транзистора высокий потенциал («логич.1»), транзистор будет открыт и U_ВЫХ  0. Эту схему можно усовершенствовать: для уменьшения входного тока при U⁰_ВХ, входную цепь усложняют, вводя эмиттерный повторитель. Это также повышает помехоустойчивость и быстродействие. Для улучшения выходных характеристик выходной каскад выполняют по схеме сложного инвертора. Высокопороговая логика (серия К511, например, К511ЛА4). Вм есто диодов смещения стоит стабилитрон VD6 с U_СТ 7 В.=6,9 В, что обеспечивает высокий порог срабатывания X₁  X₂  X₃  X₄ Y=

• логическая функция 

«И -НЕ» Основные параметры: напряжение ИП 15 В, допускается от 11 В до 20 В. Пороговые напряжения U⁰_ПОР=6 В, U¹_ПОР=8 В (входные) U⁰_{ВЫХ МАХ}=1,5 В, U¹_{ВЫХ МИН}=13,5 В.

Применение ОУ

1) .  ZВходное сопротивление этой схемы ₁. Выходное сопротивление очень мало R_вых  0. 2. Не инвертирующее включение ОУ. Коэффициент усиления: оч ень большое входное сопротивление. Рассмотрим частный случай: R₁ = 0; R₂ ; U=_вых = U_вх. Аналог эмиттерного повторителя. Изменяя элементы, включенные во входной цепи и цепи ОС, можно получить схемы с разнообразными свойствами. 1) Инвертирующий сумматор. 2)Усилитель – вычитатель. 3 ) Интегратор. RФ = с).C = T – постоянная времени (Ом   Замечание: При использовании реального ОУ, следует учитывать наличие входного тока I_вх ОУ при U_вх =0 и наличие напряжения сдвига (смещение нуля) U_сдв = 0.В интеграле влияние этих параметров увеличивается со временем. При U_вх =0, через конденсатор будет течь ток  . Из-за этого будет изменяться напряжение на выходе:  . Чем больше емкость конденсатора, тем медленнее будет нарастать напряжение, но емкость нельзя брать очень большой. Обычно выбирают емкость конденсатора такой, чтобы влияние I_вх не превысило влияние U_сдв т.е.  . ОУ с биполярными транзисторами на входе не могут это обеспечить. Выход: а) скомпенсировать рабочий ток б) выбрать ОУ с полевыми транзисторами на входе.. Помимо увеличения емкости конденсатора, ограничить влияние входного тока можно выбрав ОУ с очень малым входным током При работе ОУ:  IЕсли Iвх ₂ Для компенсации входных токов следует: 1. Взять резистор Rk и подстроить так, чтобы Uсдв – e = 0 102. Использовать ОУ с полевыми транзисторами на входе. Iвх ^-12 - входной ток на столько мал, что нет необходимости в компенсации. Еще один источник погрешности интегратора – это ток утечки конденсатора. У электролитического конденсатора ток утечки измеряется мкА по этому их не стоит использовать, лучше использовать металлобумажные конденсаторы – МБМ. 4). Дифферинциатор.

• передаточная функция дифференциального звена. Обычно помехи имеют более высокочастотный спектр чем полезный сигнал. Высокочастотные помехи будут усиливаться больше, чем полезный сигнал, это приводит к насыщению усилителя, помехи забивают по лезный сигнал. Для ограничения усиления на ВЧ, последовательно с конденсатором включают резистор.

5 ) Логарифмирующий усилитель.  Пр едназначен для получения Uвых = k Ln(Uвх). Для этого используют характеристику p-n перехода. Ток через p-n переход имеет следующую зависимость от напряжения на нем: К- где q - зарад электрона; k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура. При Т=300  . Если напряжение > 26 мВ то единицей можно пренебречь:   прологарифмируем: I обр – теоретический обратный ток p-n – перехода.  Рабочий диапазон данной схемы очень узкий. Намного лучше схема работает если в ОС включить транзистор в диодном включении. Для полного использования этого диапазона следует использовать ОУ с полевыми транзисторами на входах 6) Схема экспоненцирования. Если 2 напряжения U₁ и U₂ прологарифмировать, затем сложить а затем выполнить операцию экспоненцирования то получим произведение исходных напряжений. Эта идея лежит в основе аналоговых перемножителей.

К сожалению приведенные схемы логических элементов не могут каскадироваться, так как мощность сигнала при распространении по схеме уменьшается. Поэтому к схеме диодного логического элемента "И" обычно подключается двухтактный усилитель на биполярных транзисторах. Схема такого логического элемента приведена на рисунке 3.

  Рисунок 3. Принципиальная схема базового логического элемента ДТЛ микросхемы

Усилитель, использованный в схеме на рисунке 3, позволяет вырабатывать как втекающий, так и вытекающий выходной ток. Тем не менее следует помнить, что это источник напряжения, и если не ограничить выходной ток микросхемы, то можно вывести ее из строя.

Приведенный на рисунке 3 логический элемент используется в таких современных сериях микросхем как 555, 533, 1531, 1533. Да, да! Не следует удивляться тем, кто привык считать эти микросхемы ТТЛ микросхемами. Микросхемы приведенных серий ведут себя как ТТЛ микросхемы (обладают входными и выходными токами, совместимыми с ТТЛ микросхемами и воспринимают не ДТЛ, а ТТЛ логические уровни), но при этом внутри они реализованы по схеме ДТЛ логических элементов. В приведенных сериях цифровых микросхем для повышения быстродействия применяются транзисторы и диоды Шоттки.

Обратите внимание, что транзистор VT1 инвертирует сигнал на выходе элемента "И". В результате вместо логической 1 на выходе присутствует логический 0. И наоборот, вместо логического нуля на выходе присутствует логическая единица, а схема в целом реализует логическую функцию "2И-НЕ":

Условно-графическое изображение ДТЛ логического элемента "2И-НЕ" показано на рисунке 4, а таблица истинности приведена в таблице 1

  Рисунок 4. Условно-графическое изображение логического элемента "2И-НЕ"

Таблица 1. Таблица истинности схемы, реализующей логическую функцию "2И-НЕ"

x1	x2	F
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

На основе базового элемента ДТЛ строится и инвертор. В этом случае на входе используется только один диод. Схема ДТЛ инвертора приведена на рисунке 5.

  Рисунок 5. Принципиальная схема инвертора ДТЛ микросхемы

В состав современных серий микросхем кроме логических элементов "И" входят логические элементы "ИЛИ". В схеме логического элемента "ИЛИ" транзисторы VT2 соединяются параллельно в точках "а" и "б", показанных на рисунке 3, а выходной каскад используется один. Схема логического элемента "2ИЛИ-НЕ" приведена на рисунке 6.

  Рисунок 6. Принципиальная схема логического элемента "2ИЛИ-НЕ" ДТЛ микросхемы

Схемы "ИЛИ-НЕ" в этих сериях микросхем имеет обозначение ЛЕ. Например схема К555ЛЕ1 содержит в одном корпусе четыре элемента "2ИЛИ-НЕ". Таблица истинности, реализуемая этой схемой, приведена в таблице 2, а условно-графическое изображение логического элемента показано на рисунке 7.

  Рисунок 7. Условно-графическое изображение элемента "2ИЛИ-НЕ".

Таблица 2. Таблица истинности схемы, выполняющей логическую функцию "2ИЛИ-НЕ"

x1	x2	F
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

В ТТЛ схемах вместо параллельного соединения диодов используется многоэмиттерный транзистор. Физика работы этого логического элемента не отличается от работы диодного логического элемента "2И". Высокий потенциал на выходе многоэмиттерного транзистора получается только в том случае, когда на обоих входах логического элемента (эмиттерах транзистора) присутствует высокий потенциал (то есть нет эмиттерного тока). Принципиальная схема базового логического элемента ТТЛ микросхемы приведена на рисунке 1.

  Рисунок 1. Принципиальная схема базового логичиского элемента ТТЛ микросхемы

Умощняющий усилитель, как и в диодно-транзисторном элементе, инвертирует сигнал на выходе схемы логического элемента. По такой схеме выполнены базовые логические элементы ТТЛ микросхем серий 155, 131, 155 и 531. Схемы "И-НЕ" в этих сериях микросхем обычно имеет обозначение ЛА. Например, схема К531ЛА3 содержит в одном корпусе четыре логических элемента "2И-НЕ". Таблица истинности, реализуемая этой схемой, приведена в таблице 1, а условно-графическое обозначение этих логических элементов приведено на рисунке 2.

  Рисунок 2. Условно-графическое обозначение логического элемента "2И-НЕ"

Таблица 1. Таблица истинности схемы, выполняющей логическую функцию "2И-НЕ"

x1	x2	F
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

На основе базового логического элемента строится и инвертор. В этом случае на входе схемы используется только один диод. Схема ТТЛ инвертора приведена на рисунке 3.

  Рисунок 3. Принципиальная схема инвертора ТТЛ микросхемы

При необходимости объединения нескольких логических элементов "И" по схеме "ИЛИ" (или при реализации логических элементов "ИЛИ") транзисторы VT2 соединяются параллельно в точках "а" и "б", показанных на рисунке 8, а выходной каскад используется один. В результате быстродействие такого, достаточно сложного элемента, получается точно таким же, как и у одиночного логического элемента "2И-НЕ". Принципиальная схема логического элемента "2И-2ИЛИ-НЕ" приведена на рисунке 4.

  Рисунок 4. Принципиальная схема ТТЛ микросхемы "2И-2ИЛИ-НЕ"

Такие соединения логических элементов широко применяется при реализации цифровых микросхем по произвольной таблице истинности методом СДНФ, а условно-графическое изображение элемента "2И-2ИЛИ-НЕ" приведено на рисунке 5. Такие логические элементы содержатся в отечественных цифровых микросхемах с обозначением ЛР.

  Рисунок 5. Условно-графическое обозначение логического элемента "2И-2ИЛИ-НЕ" ТТЛ микросхем

Схемы "ИЛИ-НЕ" в отечественных ТТЛ сериях микросхем средней интеграции имеет обозначение ЛЕ. Например микросхема К1531ЛЕ5 содержит в одном корпусе четыре элемента "2ИЛИ-НЕ". Следует отметить, что в современных микросхемах малой логики стараются в одном корпусе разместить один, в крайнем случае два логических элемента.

Так как в современных схемах ТТЛ и в схемах ДТЛ используется одинаковый выходной усилитель, то и уровни логических сигналов в этих схемах одинаковы. Поэтому часто говорят, что это ТТЛ микросхемы, не уточняя по какой схеме выполнен входной каскад этих микросхем. Тем самым подчеркивается отличие этих микросхем от старых ДТЛ серий микросхем с повышенным напряжением питания. Более того! Появились КМОП микросхемы, совместимые с ТТЛ микросхемами по логическим уровням, например К1564 (иностранный аналог SN74HCT) или К1594 (иностранный аналог SN74АСT).