4.2. Ключи на одинаковых мдп-транзисторах
Максимально простыми в изготовлении являются ЦИС на МДП транзисторах с одинаковым типом канала. На рис. 17 изображена схема такого ключа на МДП транзисторах c индуцированным каналом n-типа.
Iп
Uвх
Uвых
T2 n-канал
T1 n-канал
з
и
и
с
с
з
E пит.
Рис. 17
Т2 здесь является так называемым МДП-резистором. Рабочей частью такого резистора является канал Т2. Состояние канала зависит от напряжения затвор-исток. Так как затвор соединён со стоком, это напряжение одновременно является напряжением U на МДП-резисторе.
На рис. 18 показана зависимость сопротивления R МДП-резистора от приложенного напряжения U. Пока U невелико и меньше порогового
Рис. 18
напряжения U0, канала нет и R практически бесконечно. При U > U0 появляется канал, с ростом U канал всё более насыщается электронами, R
уменьшается. Таким образом, сопротивление R существенно нелинейно. Этот недостаток МДП-резистора в ключе несущественен, поскольку транзисторы ключей всегда работают в нелинейных режимах отсечки и насыщения и линейность элементов необязательна.
На рис. 19 изображены временные диаграммы рассматриваемого ключа
в предположении, что на его вход подаётся отпирающий прямоугольный импульс. Пока UВХ = 0, т. е. меньше порогового U0, канала в Т1 нет и
Рис.19
потребляемого тока Iп также нет. Когда UВХ > U0, Т1 открыт, потребляется некоторый ток Iп. Непрерывное потребление тока и энергии в одном из состояний является большим недостатком рассматриваемого ключа. Поскольку существуют ключи, не обладающие этим недостатком, ключи на одинаковых МДП-транзисторах применяются редко. Их достоинством является предельная простота изготовления.
Рис. 19 отражает также невозможность мгновенного изменения состояний. Располагая такими диаграммами можно определить t01, t10 , Р0, Р1 и главный параметр ключа Pt. В закрытом состоянии мощность ключом не потребляется, Р0 = 0, в открытом состоянии существует Iп и поэтому Р1 = Епит · Iп.
4.3. Ключ на комплементарных мдп-транзисторах
В процессе переключения транзисторных ключей заряжаются и разряжаются так называемые паразитные ёмкости. Как правило, именно этот переходной процесс ограничивает быстродействие. Паразитные ёмкости в МДП ИС это прежде всего, ёмкость между затвором и каналом и ёмкость транзистора по отношению к подложке. В ИС на биполярных транзисторах это ёмкости p-n переходов и также ёмкость по отношению к подложке. Некоторую ёмкость по отношению к подложке имеют и соединительные проводники между транзисторами ИС. Условно можно считать, что на каждый ключ приходится некоторая суммарная ёмкость С.
На рис. 20 изображена схема ключа на комплементарных МДП-транзисторах (КМДП-ключ). В нём нижний транзистор - с индуцированным n-каналом, верхний – с индуцированным p-каналом. Суммарная ёмкость С учитывает ёмкость затвор-канал транзисторов, их ёмкость по отношению к подложке, ёмкость соединения с нагрузкой и ёмкость самой нагрузки. Нагрузкой такого ключа в КМДП ЦИС всегда является вход другого такого же ключа или несколько таких ключей. Так как затворы МДП транзисторов, т.е. входы ключей, изолированы от всего остального слоем диэлектрика, можно пренебречь активной составляющей сопротивления нагрузки и считать сопротивление нагрузки ключа чисто ёмкостным.
з
з
и
и
с
с
С
Iраз. n-канал
p-канал
Вход
E пит.
n-канал
p-канал
Выход
Iзар.
Рис. 20
На рис. 21 представлены временные диаграммы КМДП-ключа при подаче на вход одиночного прямоугольного импульса.
Рис. 21
Если входное напряжение Uвх = 0, у n-канального транзистора Uзи = 0, у р-канального Uзи = - Епит. Поэтому нижний транзистор закрыт, верхний открыт. Цепь от + Епит к земле разорвана, потребляемого тока нет.
Если Uвх = + Епит, нижний транзистор открыт, верхний закрыт. Потребляемого тока также нет. Поэтому в обоих статических (неизменяющихся) состояниях такой ключ тока и энергии не потребляет. Это делает КМДП-ключ «чемпионом» экономичности и объясняет его исключительно широкое распространение.
Небольшой потребляемый ток (ток заряда iзар), возникает здесь только на короткое время t01, когда открывается верхний транзистор и через его канал заряжается суммарная ёмкость С. При этом С накопит энергию СU2/2 = СЕпит2/2. Такая же энергия превратится в тепло при протекании iзар в канале верхнего транзистора. Когда состояние ключа изменяется на противоположное, возникает ток разряда iразр. Он протекает через канал нижнего транзистора, в котором накопленная в С энергия превращается в тепло. Следовательно, согласно (7), средний расход энергии от источника
питания на одно изменение состояния составит СЕпит2/2. Поэтому у КМДП- ключа
Pt = СЕпит2/2 (9).
Соотношение (9) объясняет обе основные тенденции в разработке ЦИС. Во-первых, это стремление к уменьшению суммарной ёмкости С, которое достигается уменьшением минимального топологического размера w. Во-вторых, это уменьшение напряжения источника питания Епит. Сегодня фотолитография обеспечивает w уже менее 10 нм, а напряжение источника питания ЦИС составляет менее 1 В.
Напряжение питания не может быть меньше порогового напряжения U0 МДП-транзисторов. В противном случае МДП-транзисторы не открываются. Снижение U0 достигается уменьшением толщины диэлектрического слоя транзисторов. В настоящее время она составляет всего несколько межатомных расстояний и близка к своему пределу.