4.13. Ключевой режим работы полевых транзисторов

Ключи на полевых транзисторах, как и на биполярных, могут быть использованы для коммутации источника однополярного (ключи постоянного тока) или разнополярного (ключи переменного тока) напряжения.

Рис. 4.35. Схема коммутатора на полевом транзисторе c управляющим p-n-переходом

Полевые транзисторы широко используются для построения электронных коммутаторов аналоговых сигналов. На рис. 4.35 приведена схема коммутатора на полевом транзисторе cуправляющимp-n-переходом. Для того чтобы транзистор был закрыт, между затвором и истоком должно быть отрицательное напряжение, большеU_отс. Поэтому входное напряжение не может превышать (U_упр–U_отс). Транзистор переходит в открытое состояние, когдаU_зи = 0. При этомU_упрдолжно быть положительным, а диодVDзакрыт. Тогда через резисторR1 ток не протекает иU_зи= 0, но и в этом случаеU_вхдолжно быть меньшеU_упр.

Использование двух разнополярных транзисторов позволяет обеспечить постоянное сопротивление коммутатора, независящее от величины и знака входного (коммутируемого) напряжения.

В интегральной схемотехнике широкое распространение получили коммутаторы на полевых транзисторах с изолированным затвором и индуцированным каналом. Упрощенная схема такого коммутатора приведена на рис. 4.36.

Чтобы получить больший диапазон коммутируемого напряжения как в положительной, так и в отрицательной области, используются комплементарные полевые транзисторы. Управляющее напряжение должно быть противофазным. Это обеспечивает инвертор. Чтобы перевести коммутатор в положение включенного, надо задать на затвор VT1 положительное, а наVT2 – отрицательное напряжение управления, как показано на рис. 4.36. В этом случаеU_{зи VT1}=U_упр–U_вх,U_{зи VT2}= –U_упр–U_вх. При увеличенииU_вхуменьшается U_{зи VT1}(сопротивление канала увеличивается). При этом увеличиваетсяU_{зи VT1}(сопротивление канала уменьшается) общее сопротивление остается неизменным. Для выключения коммутатора надо сменить полярность управляющего напряжения, но и в этом случаеU_вхдолжно быть не большеU_упр.

Рис. 4.36. Схема коммутатора на полевых транзисторах с изолированным затвором и индуцированным каналом

Аналоговые ключи выпускаются в виде отдельных микросхем в ИС 547КП1, К190КТ1, КР590КН1–КР590КН9 и др.

Ключи на ПТ, предназначенные для коммутации постоянного напряжения, строятся так же, как и на биполярных транзисторах.

На рис. 4.37, aприведена схема ключа на МДП-транзисторе с резистивной нагрузкой, а на рис. 4.37,б– выходные характеристики с построенной нагрузочной прямой.

а б

Рис. 4.37. Ключ на МДП-транзисторе: а – схема с резистивной нагрузкой; б – выходные характеристики с построенной нагрузочной прямой

Характерной особенностью является то, что в статическом состоянии по цепи управления ток не потребляется. Выходное остаточное напряжение (U_ост) зависит отR_Ни при большихR_Нможет быть меньше, чем в ключах на биполярных транзисторах. Быстродействие ключей на полевых транзисторах определяется перезарядом паразитных емкостей.

В цифровых схемах в основном используется ключ на комплементарных транзисторах (см. рис. 4.38).

Е

Рис. 4.38. Ключ на комплементарных транзисторах

слиU_упр= 0, тоVT1 открыт, т. к.U_зиVT1= –Е, аVT2 закрытU_зиVT2= 0. Выходное напряжениеU_вых=Е, и ток, протекающий через ключI_ост, очень мал. Во втором состоянии, приU_упр=ЕU_зиVT1= 0, а U_зиVT2=Е, VT1 закрыт, аVT2 открыт,U_вых= 0, и в этом состоянии через ключ протекает очень маленький токI_ост. Для маломощных транзисторовI_остравен 10^–810^–9А. Такие ключи обладают более высоким быстродействием, т. к. заряд и разряд паразитных емкостей происходят через сопротивление канала полностью открытого транзистора.

Полевой транзистор с плавающим затвором

П

Рис. 4.39. Полевой транзистор с плавающим затвором: З – управляющий затвор; 2 – второй (плавающий) затвор; 3 – диэлектрик

Рис. 4.40. Проходные ВАХ МНОП-транзистора

олевой транзистор с плавающим имеет два затвора. Один – управляющий, как у обычного транзистора, и второй, расположенный между управляющим и подложкой, окружен со всех сторон диэлектриком (рис 4.39). Потенциал второго затвора изменяется в зависимости от заряда в нем, отсюда и название «плавающий». Поскольку диэлектрик выполняют из окиси кремния, а плавающий затвор из нитрида, то такие структуры еще называют МНОП-транзисторами. На рис. 4.40 приведены проходные ВАХ такого транзистора. Когда заряда на плавающем затворе нет, то МНОП-транзистор работает как обычный МОП-транзистор и имеет проходную характеристику с пороговым напряжениемU_П1= (23) В. Если на затвор подать высокий потенциал (2830) В, электроны из подложки туннелируют ч

Рис. 4.41. Условное изображение МНОП-транзисторов

ерез тонкий слой диэлектрика и накапливаются на затворе2.Появившийся отрицательный заряд экранирует управляющий электрод. Это приводит к увеличению порогового напряженияU_пор=15 В, и проходная характеристика принимает вид2. Так как плавающий затвор окружен диэлектриком, то полученный заряд может храниться десятки лет. Чтобы убрать полученный заряд, надо подать на затвор большой отрицательный потенциал (–30 В), и транзистор возвращается в исходное состояние. Условное изображение МНОП-транзисторов приведено на рис. 4.41. На основе МНОП-структур выполняются интегральные перепрограммируемые запоминающие устройства (EPROM), например флэш-память.