9. Элементная база на полевых транзисторах

Как отмечалось ранее, цифровые схемы можно создавать, используя элементы, выполняющие основные логические операции: инверсию, дизъюнкцию и конъюнкцию. Рассмотрим основные логические элементы на полевых транзисторах.

9.1. Классификация инверторов на МОПтранзисторах

Структурная схема ключа, или инвертора, или логического элемента, выполняющего функцию НЕ, показана на рис.9.1: М0 - n-МОП-транзистор с индуцированным каналом, выполняющий функцию переключения; ZН - нагрузочный элемент.

UИП

IН ZН

IС UВЫХ

UВХ M0

Рис.9.1. Структурная схема инвертора

Для уменьшения влияния паразитных подложечных переходов необходимо задать на них обратные смещения, т.е. подложку p-типа подключить к наименьшему потенциалу, который используется в питании схемы (при положительном напряжении питания p-подложку соединяют с землей).

При UВХ = U0 так как U0 < UПОР, то М0 работает в РО и IC = 0. Поскольку при подключении к выходу подобных логических

160

элементов мы получим только емкостную нагрузку, то IC = IН = 0

и UВЫХ = UИП = U1.

При UВХ = U1 М0 работает в крутой области и его IC определяется нагрузочным током IН:

IС = IН = UИП -UВЫХ ;

ZН

UВЫХ = U 0 .

По типу нагрузочного элемента различают следующие инверторы.

1. Инвертор с линейной нагрузкой (рис.9.2)

ZН Þ RН;

Рис.9.2. Инвертор с линейной нагрузкой

2. Инвертор с нелинейной нагрузкой (рис.9.3):

ZН Þ М Н - n-МОП-транзистор с индуцированным каналом, работающий всегда в пологой области

161

Так как UСИН = UЗИН , это условие всегда выполняется.

UИП

MН

UВХ M0

Рис.9.3. Инвертор с нелинейной нагрузкой

3. Инвертор с квазилинейной нагрузкой (рис.9.4):

ZН Þ М Н - n-МОП-транзистор с индуцированным каналом, работающий всегда в крутой области

Рис.9.4. Инвертор с квазилинейной нагрузкой

162

4. Инвертор с токостабилизирующей нагрузкой (рис.9.5): ZН Þ МН - n-МОП-транзистор со встроенным каналом (НО).

UИП

MН

UВЫХ

IС

UВХ M0

Рис.9.5. Инвертор с токостабилизирующей нагрузкой

Из ВАХ МН-транзистора можно определить, что:

при UЗИН = 0 МН открыт (рис.9.6,а);

= UИП UВЫХ (рис.9.6,б);

при UВЫХ = U1 МН работает в крутой области; при UВЫХ = U0 МН работает в пологой области.

Рис.9.6. Режимы работы n-МОП со встроенным каналом: а - проходная ВАХ; б - выходная ВАХ

163

5. Комплементарный МОП-инвер-тор, у которого в паре с n- МОП-тран-зистором Мn используется транзистор Мp дополняющего типа проводимости, т.е. p-МОП с индуцированным каналом

(рис.9.7).

UИП

Mp

UВЫХ

UВХ IС

Mn

Рис.9.7. КМОП-инвертор

На рис.9.8 приведена структура КМОП-инвертора на p- подложке с n-карманом для p-канального транзистора.

Рис.9.8. Структура КМОП-инвертора

В КМОП-элементах для уменьшения влияния паразитных p– n-переходов выполняют дополнительные контакты. Контакт в подложке p-типа соединяют с шиной земли, а контакт к карману n-типа - с шиной питания. Как правило, такие контакты выполняют на группу транзисторов, топологически расположенных рядом.

164