Часть 1. Мдп транзисторы.

1. Структура и основные параметры мдп транзистора

Рис.1.1. Простейшая структура МДП транзистора

n⁺

Затвор (G)

Исток(S)

Сток (D)

ОПЗ

Простейшая структура п- канального МДП транзистора представлена на рис. 1.1.

p

Подложка (В)

На рис. 1.2 показан общий вид выходных (а) и проходных (б) ВАХ.

Есди пренебречь влиянием на ВАХ потенциала подложки, ток стока является функцией двух напряжений — V_GS (затвор – исток) и V_DS (затвор – сток). При этом приращение тока стока определяется соотношением

,

где

—крутизна ВАХ,

—выходная проводимость.

Параметр

называется собственным коэффициентом усиления по напряжению. Это есть максимальный коэффициент усиления, который может обеспечить транзистор при работе в составе электрической схемы.

Параметры g и К достигают максимальных значений в пологой области ВАХ (, см. рис. 1.2), где.

Однм из важнейших параметров транзистора являетсяпредельная частота:

,

где — емкость затвор-исток в пологой области ВАХ. Физический смысл предельной частоты — это частота, на которой коэффициент усиления оптимально организованного усилителя напряжения, построенного на транзисторе и нагруженного на идентичный усилительный каскад, равен по абсолютной величине 1.

Параметр

есть собственная постоянная времени транзистора.

2. Влияние параметров транзисторов на характеристики имс

1). Коэффициент усиления k.

В логических вентилях, построенных на МДП транзисторах, обязательным требованием является условие

K > 1.

Практически право на существование имеют только транзисторы, имеющие

K_S > 5...10.

В аналоговых ИМС коэффициент усиления имеет еще большее значение. Так, например, коэффициент передачи истокового повторителя напряжения с нагрузкой в виде идеального источника тока составляет

K_S /(1+ K_S ).

Для получения коэффициента передачи > 0,95 (следящий усилитель) значение K_S должно быть не менее 20.

Повышенные требования к коэффициенту усиления K_S предъявляются в прецизионных схемах измерительной техники (АЦП, операционные усилители, следящие усилители и др.).

2). Быстродействие.

В аналоговых схемах транзисторы работают в режиме малого сигнала в пологой области ВАХ.

Их быстродействие определяется предельной частотой.

В цифровых схемах емкость нагрузки C складывается из входных емкостей следующих вентилей (C_IN ) и емкости соединительных трасс (C_l). При K >> 1 (G 0) время задержки:

,

где выходной и входной перепада напряжения,— переключаемый заряд,— переключающий ток,— средняя крутизна (),(). Таким образом,

.

Возможны два предельных случая:

А). Короткие линии связи: С_l << C_GS , и

.

Таким образом, предельная частота транзистора определяет быстродействие таких схем. Это схемы с регулярной логической структурой (счетчики, регистры и т.п.).

Б). Длинные линии связи: С_l >> C_GS , и

.

В таких схемах быстродействие определяется крутизной ВАХ транзистора. Это схемы с нерегулярной логической структурой (АЛУ и т.п.).Заметим, что значения g_S и C_GS пропорциональны ширине канала Z, а не зависит от Z . Поэтому в случае А) быстродействие не зависит от ширины канала, а в случае Б) — увеличивается с увеличением ширины канала транзисторов .В СБИС с нерегулярной логической структурой большую часть площади кристалла занимают коммуникационные тракты (при 10⁴ вентилях на чипе ~ 90 %). Поэтому умеренное увеличение ширины каналов не приводит к увеличению размеров кристалла и, следовательно, длины трактов .Площадь кристалла и длина трактов зависят от технологических норм (минимальной ширины трактов и числа слоев разводки). Разумеется, при чрезмерном увеличении ширины каналов нарушится неравенство С_l >> C_GS , а площадь кристалла и длина трактов увеличатся. Поэтому желательно иметь транзисторы с высоким значением удельной крутизны

(— ширина канала).