МДП-транзисторы в ключевом режиме

Общие сведения. Полевые транзисторы, главным образом имеющие индуцированный канал, находят широкое применение в качестве ключевых элементов в разнообразных устройствах цифровой электронной техники. Преобладающее положение транзисторов с индуцированным каналом (обычно p -типа) в ключевых схемах объясняется наличием у них четко выраженного уровня порогового напряжения затвора U_пор. Если управляющее напряжение U_вх, подаваемое на затвор, меньше порогового, то транзистор закрыт, если больше порогового, то транзистор открыт.

Наибольшее распространение получила схема с общим истоком (рис. 7.18). Управляющее напряжение Û_вых = Û_ЗИ подается на затвор. Выходное напряжение Û_вых=Û_СИ снимается со стока. Подложка обычно соединяется с истоком. На схеме показан транзистор с индуцированным р -каналом.

Статические состояния ключа. На рис. 7.19 показана нагрузочная характеристика транзистора, нанесенная на семейство его выходных статических характеристик I_c=f(U_СИ) при U_ЗИ=var в соответствии с уравнением (7.27):

.

Ключ в рабочем режиме постоянно находится в одном из двух состояний (точка А или В на нагрузочной характеристике).

Состояние А — ключ закрыт, через транзистор протекает пренебрежимо малый ток. Выходное напряжение равно практически напряжению источника питания Û_вых=U_A=ε_СИ, если сопротивление нагрузки резистора R_с не очень большое. В этом режиме входное напряжение должно быть меньше порогового: | Û_вх|<|U_пор| (см рис. 7.11, б).

Состояние В — ключ открыт, через транзистор протекает полный рабочий ток. В этом режиме входное напряжение должно быть больше порогового: | Û_вх|>|U_пор|. Выходное напряжение

Û_вых=U_B=ε_СИ - R_cÎ_с (7.55)

уменьшается вследствие увеличения падения напряжения на нагрузке R_c.

Выходное напряжение открытого ключа тем меньше (что желательно), чем выше сопротивление резистора R_c и больше ток транзистора в режиме открытого канала, т. е. на восходящем участке его выходных характеристик. Из соотношения (7.46) вытекает, что при заданном напряжении затвора U_ЗИ ток стока I_c тем больше, чем выше постоянная β и меньше пороговое напряжение U_{пор .} Постоянная β, определяемая выражением (7.47), зависит от электрофизических и геометрических параметров МДП-структуры; ее значение может быть увеличено путем повышения отношения ω/l (широкий и короткий капал) и уменьшения толщины диэлектрика δ. Пороговое напряжение U_пор зависит от материала затвора и структуры переходов затвор — диэлектрик, диэлектрик — канал, снижение этого напряжения может быть достигнуто уменьшением поверхностного заряда полупроводника Q_s, обусловленного донорными поверхностными состояниями, и заряда Q₀ в диэлектрике, обусловленного положительными ионами, образующимися в диэлектрике в процессе окисления кремния и фотолитографии [см. формулу (7.40)]. Перспективным направлением в разработке низкопороговых ключевых МДП-транзисторов является применение кремниевого затвора вместо металлического. В таких транзисторах пороговое напряжение снижается до 1,5 В, т. е. почти вдвое по сравнению с транзисторами, имеющими металлический затвор.

Процесс включения транзистора. Под воздействием управляющего напряжения транзистор открывается и через него происходит разряд выходной емкости C_CИ, которая при закрытом транзисторе была заряжена до напряжения ε_СИ (рис. 7.20).

Рассмотрим процесс включения транзистора с помощью идеализированного графика перемещения рабочей точки из положения А в положение В (показан на рис. 7.19 пунктирными стрелками). После подачи импульса входного напряжения Û_вх=U_ЗИ^IV в течение времени задержки t₃ формируется новое (проводящее) состояние канала. Это время определяется динамической входной емкостью ключа (она больше статической емкости С_ЗИ за счет влияния проходной С_ЗС и выходной С_СИ емкостей), а также пороговым напряжением U_пор, амплитудой и внутренним сопротивлением Û_вх источника входного напряжения:

. (7.56)

Если внутреннее сопротивление R_r источника входного сигнала небольшое (источник напряжения), то время задержки t_з пренебрежимо мало. Снижение порогового напряжения также уменьшает время задержки.

После того как сформировалось проводящее состояние канала, рабочая точка скачком переходит в положение А₁, поскольку выходное напряжение U_СИ не может мгновенно уменьшиться из-за влияния выходной емкости С_СИ, для разряда которой требуется определенное время. По мере разряда емкости С_СИ через открытый канал током I_p рабочая точка за некоторое время t₁ перемещается и положение A₂. Разряд осуществляется током постоянной величины (влиянием высокоомного резистора R_с пренебрегаем):

. (7.57)

В этом случае справедливо соотношение

, (7.58)

в котором должна быть учтена проходная емкость С_зс, если источник входного напряжения низкоомный.

Переходя в формуле (7.58) к конечным приращениям, получим с учетом начальных условий [при t=0 U_СИ=-ε_си, при t =t₁ U_СИ=-(U_ЗИ-U_пор) ]

, (7.59)

или с учетом соотношения (7.57)

. (7.60)

На завершающем этапе процесса включения рабочая точка переме­щается за время t₂ в положение В, на выходе устанавливается напряже­ние Û_вых=U_B. Для расчета времени t₂ представим транзистор в режиме открытого канала, т. е. на восходящем участке выходных характеристик A₂-В, в виде резистора, имеющего сопротивление R_ko=U_СИ/I_c, где в соответствии с выражением (7.44)

. (7.61)

Тогда время t₂ может быть оценено с помощью соотношения для элементарной RC -цепочки:

. (7.62)

Полное время включения транзистора

. (7.63)

Из рассмотренного следует, что для уменьшения времени включения необходимо увеличивать постоянную β и уменьшать пороговое напряжение U_пор.

Процесс выключения транзистора. При уменьшении входного напряжения ниже порогового значения рабочая точка переходит из положения В в положение В₁. Время перехода зависит от входной емкости транзистора и внутреннего сопротивления источника сигнала R_r. В реальных условиях оно пренебрежимо мало.

Далее происходит заряд выходной емкости С_CИ через резистор R_c от источника ε_CИ. Время заряда t_з≈2,3R_cC_СИ определяет время выключения транзистора t_выкл≈t_з. Это время больше времени включения t_вкл, поскольку сопротивление резистора R_с обычно велико.

Временные диаграммы входного и выходного напряжении ключа на транзисторе с изолированным затвором показаны на рис. 7.21.

Ключевые МДП-транзисторы. Для работы в ключевом режиме необходимы транзисторы, удовлетворяющие специфической системе требований, отличающихся от тех, которые характерны для транзисторов, работающих в усилительном режиме. По этой причине промышленностью выпускается ряд транзисторов, специально

предназначенных для работы в ключевом режиме. Такие транзисторы будем для краткости называть ключевыми.

Сравнивая ключевые МДП-транзисторы с ключевыми биполярными транзисторами, можно отметить важное свойство первых, заключающееся в наличии высокоомного входа, допускающего управление по напряжению. Другими преимуществами являются:

высокое быстродействие, обусловленное отсутствием в канале неравновесных носителей заряда и малыми величинами входной и выходной емкостей (время переключения 1– 0,4 нс);

сочетание высокого быстродействия с большими напряжениями и токами переключения (до 10 А за 15 нс);

низкое сопротивление открытого канала, обеспечивающее коммутацию сигналов в низкоомных цепях, например в коаксиальном кабеле с волновым сопротивлением 50 Ом;

возможность параллельного включения транзисторов для увеличения коммутируемой мощности.

Ввиду указанных преимуществ ключевые МДП-транзисторы находят все более широкое практическое применение.

На рис. 7.18 показана структура МДП-транзнстора, имеющая подобные данные и ширину канала 12 см. Транзистор отдает мощность до 30 Вт на частоте 30 МГц. Для обеспечения такой мощности на одной подложке размещают три МДП-структуры, соединенные параллельно.

Дата добавления: 2015-07-08