L_5 (Конспекты лекций), страница 3

ном2 .= 0,5b U o(5.16)При номинальном токе через транзистор напряжение насыщения стока U си.н= Uо .Преимуществом МОП-транзисторов перед канальными является более высокое быстродействие, что объясняется меньшей длиной его канала.Недостатком МОП-транзисторов в сравнении с канальными является наличие шумовых флуктуаций, и нестабильность характеристик во времени. У канальных транзисторов этот недостаток отсутствует, так как у них канал отделенот поверхности обедненным слоем, что гарантирует отсутствие дефектов кристаллической решетки, загрязнений, поверхностных каналов − все то, что у МОПтранзисторов является причиной шумовых флуктуаций и нестабильности характеристик.2.2.3. МОП-транзистор со встроенным каналомВ таких транзисторах канал встраивается заранее (рис.5.10).

Дело в том, чтов диэлектрике содержится какое-то количество примесей-диффузантов.Если концентрация электронов, поступившая из диэлектрика, очень высокая, то в подложке p-типа между стоком и истоком образуется n-канал, но он15возникает при Uзи = 0, следовательно, такой канал уже нельзя называть индуцированным, и транзистор в этом случае принято называть МОП-транзистором совстроенным каналом (встроенным заранее). Технологически встроенный каналполучают с помощью ионного легирования в виде тонкого приповерхностногослоя.IсIcUзи=2 ВUзи=1ВUзи=0Uзи=-1 ВUзи=-2 В-UзиUотсUзиUсиUзи=0а)б)рис.5.11. Стокозатворные(а) и стоковые (б) ВАХ МОП-транзистора со встроеннымканаломТакие транзисторы работают при обеих полярностях напряжения на затворе, то есть в режиме и обогащения, и обеднения канала носителями(рис.5.11).2.2.4.

Третий широко известный тип полевых МОП-транзисторов носитназвание комплементарных МОП-транзисторов (КМОП-транзисторы)(рис.5.12).Еп+ИстокЗатворСтокСтокИстокРис.5.12. КМОП-транзисторЭти приборы имеют в своем составе МОП-транзисторы с каналами обоихтипов. Логический вентиль на КМОП-транзисторе состоит из двух элементов,16один из которых отпирает выход вентиля при действии на входе правильной комбинации сигналов, а другой запирает выход для других комбинаций входных сигналов.Логические схемы с использованием КМОП-транзисторов более сложны, чемсхемы с МОП-приборами, и не обеспечивают столь высоких плотностей размещениявентилей.

КМОП-структуры, однако, имеют заметное преимущество перед всеми другими логическими микросхемами в устойчивом состоянии между нулевой линией и источником питания не существует проводящих каналов. Поэтому все время, пока состояния входов постоянны, схема практически не потребляет энергии.Такой подход к потреблению энергии имеет огромное значение для устройств сбатарейным питанием.

Во время переключения энергия потребляется по двум основным причинам. Во-первых, в схеме существуют емкости, прежде всего между электродами МОП-транзисторов. Емкость-это свойство сохранения противоположных зарядов,пока между проводниками поддерживается разность потенциалов. Каждый раз при переключении вентиля емкость должна перезарядиться. Во-вторых, в течение временипереключения под действием входных сигналов оба элемента логического вентиля наКМОП-транзисторе оказываются частично открытыми.

В результате от источника питания через схему течет кратковременный ток.Дополнительные сведения о КМОП- транзисторахСамый миниатюрный и быстродействующий КМОП-транзистор.Разработчики компании "Интел", создали самый миниатюрный и быстрый КМОПтранзистор. Это позволит корпорации приступить в ближайшие 5-10 лет к производствумикропроцессоров, вмещающих свыше 400 миллионов транзисторов и работающих на тактовой частоте 10 Гигагерц (10 млрд. тактов в секунду) под напряжением менее одноговольта.Структурная схема новейших транзисторов, элементы которых не превышают 30 нанометров, состоит из трех атомарных слоев. Быстродействие столь миниатюрных транзисторов обеспечивает резкое наращивание скорости работы микропроцессоров, играющихроль мозгового центра компьютеров и бесчисленного множества других интеллектуальныхустройств.Новые транзисторы, функции которых заключаются в управлении потоками электронов внутри микросхемы, способны выполнить "в мгновение ока" 400 млн.

вычислений. Специалисты прогнозируют, что микропроцессоры, построенные на новейших транзисторах, в недалеком будущем превратят в повседневную реальность такие приложения, достойные перанаучных фантастов, как, например, перевод иностранной речи в режиме реального времени.Специалистам "Интел" удалось добиться беспрецедентной миниатюризации транзисторов по всем параметрам. Так, толщина подзатворных оксидов, служащих их основнымструктурным компонентом, не превышает трех атомарных слоев. Немаловажно и то, чтоэти экспериментальные транзисторы, возможности которых далеко опережают самые современные технологии, применяемые в производстве полупроводниковых устройств, основаны на тех же физических структурах, что и компьютерные микросхемы сегодняшнего дня."Создание столь миниатюрных КМОП-транзисторов многие специалисты считали невозможным из-за возникновения проблем, связанных с утечкой тока, - отметил д-р ДжеральдМарчик (Gerald Marcyk), директор лаборатории.

- Результаты наших разработок доказывают, что миниатюрные транзисторы ведут себя точно так же, как аналогичные современные устройства, и что не существует каких-либо непреодолимых препятствий к организации17их крупномасштабного производства в будущем. Наряду с миниатюрностью, 30нанометровые транзисторы отличаются высочайшим быстродействием при низком напряжении.

Ранее удавалось достичь прогресса в лучшем случае по двум из этих трех важнейшихнаправлений".2.2.5. Четвёртый вид широко известный тип полевых МОПтранзисторов – МОП-транзистор с барьером Шоттки.МОП-транзисторы с барьером Шоттки используются в основном для работыСВЧ-диапазона.Металлическийвывод истокаМеталлическийвывод затвораМеталлическийвывод стокаДиэлектрикДиэлектрик********************************************************************************************************************ОБЛАСТЬИСТОКАn+n+ОБЛАСТЬСТОКАТонкий слой n-типаGaAsОбеднённый слойРис5.13Сочетание достоинств канального и МОП-транзисторов реализуется в транзисторах с барьером Шоттки (рис.5.13).В качестве управляющей цепи в таких транзисторах используется контакт«Металл-полупроводник», обладающий выпрямительными свойствами и оченьмалой ёмкостью. Затвор выполнен из сплава «титан-вольфрам». Чтобы транзистор имел хорошие усилительные, температурные и частотные свойства, подложка выполнена из арсенида галлия n-типа.

Качественным отличием арсенидгаллиевых транзистора от канального является то, что величина напряжения отсечки может лежать в пределах от –2,5 В до +0,2 В.Если U зи отс < 0, то при U зи =0 канал будет проводящим, то есть транзисторнормально открыт.Если U зи отс > 0, то при U зи =0 канал перекрыт обеднённым слоем, то естьтранзистор нормально закрыт.2.2.5. Силовые полевые транзисторы и эффект Миллера18Полевые транзисторы долго оставались маломощными. Первые образцы силовых полевых транзисторов появились в 70-годы. Материал, используемый дляизготовления силовых полевых транзисторов ─ кремний, но уже появились подобные разработки, выполненные на основе арсенида галлия.В настоящее время силовые полевые транзисторы широко используются вкачестве основы интеллектуальных силовых интегральных схем.

Силовые транзисторы имеют гораздо меньшую длину канала, что позволяет заметно уменьшить сопротивление канала. Высокая теплостойкость силовых транзисторовобъясняется способностью канала увеличивать своё сопротивление при увеличении температуры. За счёт такого свойства практически устраняется саморазогреви явление вторичного пробоя (область безопасной работы силового полевоготранзистора расширяется), с чем пока не справляется биполярный транзистор. Засчёт этого уникального свойства допускается параллельное включение силовыхполевых транзисторов.Силовые полевые транзисторы, как и биполярные, обычно работают в ключевом режиме.

В ключевом режиме транзистора на его переключающие свойствабольшое влияние оказывают ёмкости С зс и С зи (рис.5.14). Особенно вредноевлияние на отпирание и запирание транзистора оказывает проходная ёмкостьС сз ; ёмкость С сз является проходной ёмкостью, так как она связывает выходную цепь с входной (рис.5.15).Прежде всего, рассмотрим влияние входной ёмкости С зи на процесс отпирания транзистора (рис.5.15)..-ЕсСтокСсзCсз_+ЗатворVTСзиRсrистUси_ЕистU вых+CзиИтокРис.5.14Рис.5.15При подаче на вход схемы запускающего сигнала, наблюдается запаздывание отпирания транзистора. Это связано с процессом заряда входной ёмкости С зидо уровня, при котором транзистор будет способен открыться. Заряд ёмкости С зи19происходит по экспоненциальному закону с постоянной времени τ = r ист С из , и,чем больше ёмкость С зи , тем медленнее будет отпираться транзистор.

Но ещё ипроходная ёмкость С сз будет влияет на процесс заряда входной ёмкости, увеличивая её, в результате схема приобретает серьёзные негативные свойства.Рассмотрим более подробно влияние проходной ёмкости С сз на процессзаряда ёмкости С зи .Напряжение на участке «исток-сток» U си = Е с - I c R c . При увеличении токанагрузки в цепи стока уменьшается напряжение U си , а напряжение «истокзатвор» (U из ) увеличивается. Проходная ёмкость С сз разряжается, и ток разрядаэтой ёмкости препятствует росту напряжения U из .