Искусство схемотехники. Том 1 (Изд.4-е) - Хоровиц Пауль - Страница 55

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 2Ν4351 (квадратичный масштаб вертикальной оси).

При больших токах стока убывание коэффициента к с ростом температуры влечет уменьшение тока стока — настоящее тепловое бегство! Как следствие этого, ПТ какого-нибудь одного типа могут быть соединены параллельно без токовыравнивающих резисторов, в отличие от биполярных транзисторов, где «резисторный балласт» в цепях эмиттеров необходим (см. разд. 6.07). Этот же отрицательный температурный коэффициент предотвращает также тепловую гонку на локальном участке перехода (эффект, известный под названием «прогиб тока»), которая серьезно ограничивает допустимую мощность рассеяния больших биполярных транзисторов, как мы увидим при обсуждении «вторичного пробоя» и «площади безопасной работы» в гл. 6.