Подложку П надо присоединить к самой положительной по потенциалу точке схемы, в данном случае это провод Un.n. Исток также присоединяем к этому проводу. Из области истока положительные носители р теперь могут уходить в канал к отрицательному полюсу питания - Uh.h ,если к нему присоединить электрод истока И.

В этом транзисторе канал создается методом электростатической индукции. Канал проводимости изведется, когда через переключатель S1 присоединим затвор 3 транзистора VT1 к низкому входному уровню н. На затворе относительно подложки скопится отрицательный заряд, на поверхности полупроводника - положительный. Нетрудно видеть, что в этом случае области р+ замкнуты положительными носителями, поэтому через канал VT1 и резистор нагрузки Rc течет ток стока 1,а на выходе имеется высокий уровень напряжения ивых=иь,х- Таким образом получилась условная схема полевого элемента РТЛ. Входного тока затвора здесь нет, поэтому резистор ограничения тока затвора (аналог R3 , рис. 1.1, а) не требуется. Выходное-напряжение высокого уровня

UBb.x = U . V(,+ R ) (2.1)

здесь несколько меньше, чем напряжение Ьи.п, поскольку внутреннее сопротивление канала Rk составляет 1 кОм...10 кОм и более. Для примера, пусть Rc = 100 кОм и Ри=10 кОм. При U .n=10 В получим ивых = 9.1 В.

Чтобы канал проводимости исчез и цепь выходного тока 1с разомкнулась, следует движок S1 перевести в положение высокого входного уровня В. Тогда на конденсаторе затвор - подложка напряжения нет (из.и=0) н положительные носители в канале не индуцируются. На выходе логического элемента ивых=0, точнее: через Rc выходной провод элемента присоединен к нулевому проводу питания (т. е. к земле ).

Если S1 заменить потенциометром ,R (см. рис. 2.1,6), можно снять передаточную переходную характеристику р-канального ключа (рис. 2.1, в). Постепенно уменьшая напряжение на затворе относительно истока до нуля, можем обнаружить, что выходное напряжение также начнет уменьшаться и канал проводимости исчезнет при пороговой разности потенциалов UsHUnop. Д первых полевых транзисторов Unop превышало 4...5 В, поэтому для надежного различения уровня О (т. е. низкого порогового уровня 4...5 В) и уровня 1 приходилось выбирать ии.п=15...30 В, что было непрактично.

Пороговое напряжение открывания оказывается тем меньше, чем выше степень легирования канала и чище поверхность кремния поД изоляцией. Этим начальным напряжением нейтрализуются, как бы разгоняются , паразитные заряды, скапливающиеся на загрязнениях и дефектах поверхности. Для специальных особо низковольтных полевых транзисторов, предназначенных для микросхем, работающих от одного гальванического элемента с напряжением 1,5 В, пороговое напряжение технологи снижают до 0,2 ... 0,3 В.

Вернемся к характеристике (рис. 2.1, в). Наклонная часть ее соответствует усилительному режиму полевого транзистора. Действительно, здесь приращением входного сигнала Ubx = U3j уменьшается выходное напряжение между стоком и истоком Ubmx=U(-pj. Коэффициент усиления (т. е. наклон характеристики):

Ки = SR. (2.2)

Учтем, что крутизна полевого транзистора S невелика и обратно про-

13* 195

порциональна сопротивлению его канала Rk. Следовательно, Ku Rc/Rk. Если взять цифры примера к формуле (2.1), получим значение на уровне 10, что и определяет малую крутизну наклона характеристики. Увеличить наклон реально можно, если повысить сопротивление Rc. Но это приведет к низкому быстродействию ключа.

Аналогично строится схема полевого элемента РТЛ на п-каналь-ном транзисторе (рис. 2.2, о). Здесь дан разрез п-канального полевого транзистора VT1. По сравнению с р-канальным, у него подложка р-типа (кремний, бедный электронами), в которой сделаны легированием п+-области истока и стока, обогащенные отрицательными носителями - электронами. К затвору (пленка алюминия на поверхности окисла ЗЮг) подключен управляющий переключатель S1.

- 3

j- а)

Канал отсечен

Рис. 2.2. Включение п-канального МОП-транзистора (а) и схема {6\ для снятия его передаточной характеристики (в)

Каким образом можно создать канал с р-проводимостью между п* *-областями истока и стока? Очевидно, если подать от S1 высокий потенциал на затвор (относительно заземленной подложки), металл затвора будет заряжен положительно, поверхность полупроводника - отрицательно. Канал на рис. 2.2, а замкнут, и от плюса источника Un.n в нулевой провод течет ток стока 1с.

В отличие от рис. 2.1, а в данном случае выходное напряжение окажется на низком логическом уровне:

ии.п(Ка+Кк).

(2.3)

Используя данные предыдущего примера [см. формулу (2.1)], получаем -вых - Если подать на затвор через S1 нулевой потенциал, низкий уровень, п-канал разомкнётся (поскольку затвор и исток будут коротко замкнуты, между ними не будет разности потенциалов). На выходе появится напряжение высокого логического уровня - потенциал Ни.ц, точнее выходной провод через Rc окажется соединенным с положительным полюсом источника. Пороговое напряжение данного п-канального РТЛ -

элемента UjJp можно определить, собрав устройство (рис. 2.2,6) и сияв с его помощью передаточную характеристику (рис. 2.2, в) э.де-мепта.

Как указывалось, р- и п-канальные цифровые элементы. (рис. 2.1, а н 2.2, а) сами по себе оказались непрактичными как базовые для массовых микросхем прежде всего нз-за низкого быстродействия. Действительно, при Rc=100 кОм и емкости нагрузки Са = 30 пФ время отключения составит

t==2,2RcCH = 6,6 мкс.

(2.4)

По-другому, быстродействие микросхем на базе однополюсных полевых ключей не должно превышать 150 кГц (что и подтвердилось практикой).

и.г

р-канал

1/..

51 \ -fJ]vГZ

Рис. 2.3. Инвертор КМОП:

я -схема для снятия переходной характеристики; б - лередаточная характери-стика; в -управление инвертором; г -замкнут п-канальный транзистор; б-замкнут р-канальный транзистор; е -эквивалент выходной схемы инвертора КМОП

Увеличить быстродействие на порядок позволяет последовательное (столбиком) соединение р- и п-канальных МОП-транзисторов. .Тогда резистор Rc в схеме не нужен, а заряд и разряд паразитных нагрузочных емкостей будет происходить через относительно небольшие сопротивления р- и п-каналов Rg и R . Таким образом, схема цифрового переключателя станет двухполюсной, аналогично выходной цепи ТТЛ-элемента.

На рис. 2.3, а показано последовательное соединение комплементарных МОП-транзисторов: р- и п-канального. Их затворы подключены к движку потенциометра. Нагрузки на выходе нет.

Если движок находится внизу, на оба затвора сразу подается нулевой уровень, поэтому полностью открыт только р-канал н разомкнут

п-канал. Выходное напряжение