Пауль Хоровиц - Искусство схемотехники. Том 1 [Изд.4-е]

Биполярный транзистор можно рассматривать как усилитель тока (с огрубленно постоянным коэффициентом усиления h 21Э ) или как прибор-преобразователь проводимости (Эберс-Молл). В полевом транзисторе, как следует из его названия, проводимостью канала управляет электрическое поле , создаваемое приложенным к затвору напряжением. Здесь нет прямосмещенных р-n -переходов, так что ток через затвор не течет и это, возможно, — наиболее важное преимущество ПТ перед биполярными транзисторами. Как и последние, ПТ бывают двух полярностей: n -канальные (с проводимостью за счет электронов) и р -канальные (с дырочной проводимостью). Эти полярности аналогичны уже известным нам соответственно n-p-n и p-n-p -транзисторам биполярного типа. Однако разнообразие ПТ этим не ограничивается, что может приводить к путанице. Во-первых, ПТ могут изготавливаться с затворами двух различных типов (в результате мы имеем ПТ с p-n -переходом и ПТ с изолированным затвором, так называемые МОП-транзисторы), а во-вторых, — двумя типами легирования канала (что дает ПТ обогащенного и обедненного типа).

Рассмотрим вкратце возможности, предоставляемые ПТ различного типа. Предварим, однако, это рассмотрение несколькими замечаниями общего плана. Наиболее важной характеристикой ПТ является отсутствие тока затвора. Получаемое, как следствие этого, высокое входное полное сопротивление (оно может быть больше 10 14Ом) существенно во многих применениях и в любом случае упрощает проектирование схем. В качестве аналоговых переключателей и усилителей со сверхвысоким входным полным сопротивлением ПТ не имеют себе равных. Сами по себе или в сочетании с биполярными транзисторами они легко встраиваются в интегральные схемы. В следующей главе мы увидим, насколько успешно это сделано при создании близких к совершенству (и фактически простых в использовании) операционных усилителей, а в гл. 8-11 будет показано, как интегральные схемы на МОП-транзисторах революционизировали цифровую электронику. Так как на малой площади в ИМС может быть размещено большее число слаботочных ПТ, то они особенно полезны для создания больших интегральных микросхем (БИС), применяемых в цифровой технике, таких как микрокалькуляторы, микропроцессоры и устройства памяти. Плюс к тому недавнее появление сильноточных ПТ (30 А или более) позволяет заменить биполярные транзисторы во многих применениях, зачастую получая более простые схемы с улучшенными параметрами.

Иной новичок буквально «впадает в столбняк», впрямую сталкиваясь с обескураживающим разнообразием типов ПТ (см., например, первое издание этой книги!), разнообразием, возникающим как следствие возможных комбинаций полярности ( n - и p- канальные), вида изоляции затвора (ПТ с полупроводниковым переходом или МОП-транзисторы с изолятором в виде окисла), а также типа легирования канала (ПТ обогащенного или обедненного типа). Из восьми имеющихся в результате этих комбинаций возможностей шесть могли бы быть реализованы, а пять-реализованы на практике. Основной интерес представляют четыре случая из этих пяти.

Чтобы понять, как работает ПТ (и исходя из здравого смысла), будет правильно, если мы начнем только с одного типа, точно так, как мы сделали с биполярным npn -транзистором. Хорошо разобравшись с ПТ выбранного типа, мы в дальнейшем будем иметь минимум трудностей в изучении остальных членов этого семейства.

Входные характеристики ПТ.Рассмотрим вначале n -канальный МОП-транзистор обогащенного типа, биполярным аналогом которого является n-p-n -транзистор (рис. 3.1).

Рис. 3.1. α — n-канальный МОП-транзистор; б— биполярный n-р-n-транзистор.

В нормальном режиме сток (или соответствующий ему коллектор) имеет положительный потенциал относительно истока (эмиттера). Ток от стока к истоку отсутствует, пока на затвор (базу) не будет подано положительное по отношению к истоку напряжение. В последнем случае затвор становится «прямосмещенным», и возникает ток стока, который весь проходит к истоку. На рис. 3.2 показано, как изменяется ток стока I С в зависимости от напряжения сток-исток U СИ , при нескольких значениях управляющего напряжения затвор-исток U ЗИ .

Рис. 3.2. Измеренные семейства выходных характеристик n-канального МОП-транзистора VN0106 ( а) и биполярного n-p-n-транзистора 2N3904 ( б).

Для сравнения здесь же приведено соответствующее семейство кривых зависимости I К от U KЭ для обычного биполярного n-p-n -транзистора. Очевидно, что n -канальные МОП-транзисторы и биполярные n-p-n -транзисторы во многом схожи.

Подобно n-p-n -транзистору, ПТ имеет большое приращение полного сопротивления стока, в результате чего при напряжении U СИ свыше 1–2 В ток стока почти не меняется. Для этой области характеристик ПТ неудачно выбрано название «область насыщения», тогда как у биполярных транзисторов соответствующая область называется «активной». Подобно биполярному транзистору, чем больше смещение затвора ПТ относительно истока, тем больше ток стока. В любом случае поведение ПТ ближе к идеальным устройствам — преобразователям проводимости (постоянный ток стока при неизменном напряжении затвор-исток), чем биполярных транзисторов; согласно уравнению Эберса-Молла у биполярных транзисторов должны быть превосходные характеристики выходной проводимости, однако эти идеальные характеристики не достигаются из-за эффекта Эрли (см. разд. 2.10 ).

До сих пор ПТ выглядел подобно n-p-n -транзистору. Посмотрим, однако, на ПТ поближе. С одной стороны, свыше нормального диапазона ток насыщения стока растет довольно умеренно при увеличении напряжения затвора ( U ЗИ ). Фактически он пропорционален ( U ЗИ - U П ) 2, где U П - «пороговое напряжение затвора», при котором начинает идти ток стока (для ПТ на рис. 3.2 U П ~= 1,63 В); сравните этот слабый квадратичный закон с крутой экспоненциальной зависимостью, данной нам Эберсом и Моллом. Во-вторых, постоянный ток затвора равен нулю, так что мы не должны смотреть на ПТ как на устройство, усиливающее ток (коэффициент усиления тока был бы равен бесконечности). Вместо этого будем рассматривать ПТ как характеризуемое крутизной устройство — преобразователь проводимости с программированием тока стока напряжением затвор-исток, — так, как это мы делали с биполярным транзистором в толковании Эберса-Молла. Напомним, что крутизна g m есть просто отношение i С / u СИ (как и обычно, строчные буквы используются, чтобы показать «малосигнальные» изменения параметра; т. е. i С/ u СИ= δ/ I С/ U СИ). В-третьих, у МОП-транзистора затвор действительно изолирован от канала сток-исток; поэтому, в отличие от биполярных транзисторов (и от ПТ p-n -переходом, как мы далее увидим), можно подавать на него положительное (или отрицательное) напряжение до 10 В и более, не заботясь о диодной проводимости. И наконец, ПТ отличается от биполярного транзистора в так называемой линейной области графика, где его поведение довольно точно соответствует поведению резистора, даже при отрицательном U СИ ; это оказывается очень полезным свойством, поскольку, как вы уже могли догадаться, эквивалентное сопротивление сток-исток программируется напряжением затвор-исток.