Искусство схемотехники. Том 1 (Изд.4-е)

Во-вторых, в связи с примерной симметрией истока и стока любой из этих выводов может работать как исток (исключение составляют мощные МОП-транзисторы, у которых подложка внутри корпуса соединена с истоком). При изучении работы ПТ, а также при расчетах за исток принимается вывод, наиболее «удаленный» по напряжению от активного питания стока. Например, допустим, что ПТ используется для замыкания на землю некоторой линии, в которой присутствуют как положительные, так и отрицательные сигналы. Обычно такая линия подключается к стоку ПТ. Если в качестве ключа взят n– канальный МОП-транзистор обогащенного типа и если случится, что в выключенном состоянии напряжение на стоковом выводе будет отрицательным, то для подсчета отпирающего напряжения затвора этот вывод следует считать в действительности «истоком». Это означает, что для обеспечения надежного запирания ключа отрицательное напряжение на затворе должно быть не только уровня «земли», но и превышать (по абсолютной величине) наибольший отрицательный сигнал.

Характеристики, приведенные на рис. 3.11, помогут вам разобраться в этих запутанных вопросах.

Рис. 3 11. Характеристики ПТ различных типов и полярностей (лог. масштаб).

_{1 — обогащенный p– канальный МОП-транзистор; 2 — обогащенный n– канальный МОП-транзистор; 3 — n– канальный ПТ с p-n– переходом; 4 — p– канальный ПТ с p-n– переходом.}

Еще раз отметим, что разница между обогащенными и обедненными приборами выражается только в сдвиге вдоль оси U_ЗИ, т. е. имеется ли большой ток стока или нет совсем никакого тока при напряжении затвора равном напряжению истока. Полевые n– канальные и p– канальные транзисторы симметричны друг другу в том же смысле, в каком являются таковыми биполярные n-р-n– и p-n-p– транзисторы.

На рис. 3.11 мы использовали стандартные обозначения для таких важных параметров ПТ, как ток насыщения и напряжение отсечки. Для ПТ с p-n– переходом величина тока стока при замкнутых накоротко затворе и истоке обозначается в спецификациях как I_{СИ нач}; она близка к величине максимально допустимого тока стока. (I_{СИ нач} означает ток от стока к истоку при короткозамкнутых затворе и истоке. Здесь и далее в этой главе мы приводим эту нотацию, в которой первые две буквы индекса обозначают соответствующие выводы, а за ними указывается состояние.) Для обогащенных МОП-транзисторов аналогичной спецификацией является I_{СИ вкл}, при некотором заданном напряжении прямого смещения затвора (I_{СИ нач} у любого прибора с обогащением был бы равен нулю).

Для ПТ с p-n– переходом напряжение затвор-исток, при котором ток стока становится равен нулю, называется «напряжением отсечки» (U_отс) или «напряжением выключения» (U_{ЗИ выкл}) и типичное его значение лежит в диапазоне от —3 до —10 В (для p– канального прибора оно, разумеется, положительное). Для обогащенного МОП-транзистора аналогичная величина называется «пороговое напряжение», U_П (или U_{ЗИ пор}), — это напряжение перехода затвор-исток, при котором начинает проходить ток стока. Типичная величина U_П составляет 0,5–5 В, разумеется в «прямом» направлении. Читая литературу по электронике на английском языке, не спутайте случайно U_П (обозначаемое там как V_T) с V_T в уравнении Эберса — Молла, которое обозначает ток коллектора биполярного транзистора; у этих двух величин нет ничего общего.

Имея дело с ПТ, легко запутаться в полярностях. Например, n– канальное устройство, у которого обычно сток положителен по отношению к истоку, может иметь положительное или отрицательное напряжение на затворе, а также положительное (обогащенный тип) или отрицательное (обедненный тип) пороговое напряжение. Еще более усложняет дело то, что сток может быть (и часто бывает) отрицателен по отношению к истоку. Все эти рассуждения, конечно, справедливы с заменой знаков для p– канальных устройств. В дальнейшем, чтобы свести к минимуму ошибки, мы будем всегда иметь в виду n– канальные устройства, если не оговорено противное. Аналогичным образом, поскольку МОП-транзисторы почти всегда обогащенные, а ПТ с p-n– переходом всегда обедненного типа, мы будем далее опускать эти их определения.

3.04. Выходные характеристики ПТ

На рис. 3.2 мы показывали семейство кривых зависимости I_C от U_СИ, измеренных для n– канального обогащенного МОП-транзистора VN0106. (Транзисторы семейства VN01 работают в различных диапазонах напряжений, что отражается в двух последних цифрах полного обозначения. Например, VN0106 рассчитан на напряжение 60 В.) Мы уже отмечали, что ПТ ведут себя как хорошие преобразователи проводимости (т. е. I_C почти не изменяется при заданном U_ЗИ) практически во всем диапазоне изменения U_СИ, за исключением его малых значений, где они проявляют себя как сопротивление (т. е. I_С пропорционален U_СИ). В обоих случаях приложенное к переходу затвор-исток напряжение управляет поведением ПТ, которое хорошо можно описать аналогом уравнения Эберса-Молла для ПТ. Посмотрим на эти две области более подробно.

На рис. 3.12 схематически представлена указанная ситуация.

Рис. 3.12.

В обеих областях ток стока зависит от U_ЗИ – U_П, величины, на которую напряжение затвор-исток превышает пороговое напряжение (или напряжение отсечки). Линейная область, в которой ток стока приблизительно пропорционален U_ЗИ, простирается до напряжения U_{ЗИ нас}, после чего ток стока почти не изменяется. Крутизна наклона линейного участка, I_С/U_СИ, пропорциональна напряжению смещения, U_ЗИ – U_П. Далее, напряжение стока U_{СИ нас}, при котором кривая «выходит на насыщение», равно U_ЗИ – U_П, в результате чего ток насыщения, U_{С нас}, становится пропорционален (U_ЗИ – U_П)² — квадратичный закон, о котором мы упоминали ранее. Итак, имеем универсальные формулы для определения тока стока ПТ:

I_С = 2k[(U_СИ — U_П)U_СИ — 0,5U²_СИ] (линейный участок)

I_С = k[(U_ЗИ — U_П)² (участок насыщения)

Если мы назовем U_ЗИ — U_П (величину, на которую напряжение затвор-исток превышает порог) «напряжением возбуждения затвора», то можно сформулировать три важных результата из сказанного: а) удельное сопротивление ПТ в линейной области обратно пропорционально напряжению возбуждения, б) линейный участок простирается вплоть до напряжения, равного напряжению возбуждения и в) ток насыщения стока пропорционален напряжению возбуждения в квадрате.

Приведенные выражения предполагают, что подложка соединена с истоком. Обратите внимание на то, что «линейный участок» не является строго линейным, поскольку формула содержит нелинейный член U²_СИ; позже мы покажем остроумную схему, фиксирующую эту составляющую.

Масштабный коэффициент k зависит от таких параметров, как геометрия ПТ, емкость слоя окисла и подвижность носителей. У этой постоянной отрицательный температурный коэффициент:

k ~ T^{– 3/2}.

Этот эффект сам по себе приводил бы к уменьшению I_С с увеличением температуры. Однако это компенсируется тем, что U_П также в слабой степени зависит от температуры с коэффициентом 2–5 мВ/°С; суммарный эффект дает зависимость тока стока от температуры, показанную на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Зависимости I_С (U_ЗИ) n– канального МОП-транзистора 24351 (квадратичный масштаб вертикальной оси).