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

На рис. 3.2 мы показывали семейство кривых зависимости IC от UСИ, 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. IC почти не изменяется при заданном UЗИ) практически во всем диапазоне изменения UСИ, за исключением его малых значений, где они проявляют себя как сопротивление (т. е. IС пропорционален UСИ). 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 UЗИ - UП, величины, на которую напряжение затвор-исток превышает пороговое напряжение (или напряжение отсечки). Линейная область, в которой ток стока приблизительно пропорционален UЗИ, простирается до напряжения UЗИ нас, после чего ток стока почти не изменяется. Крутизна наклона линейного участка, IС/UСИ, пропорциональна напряжению смещения, UЗИ - UП. Далее, напряжение стока UСИ нас, при котором кривая «выходит на насыщение», равно UЗИ - UП, в результате чего ток насыщения, UС нас, становится пропорционален (UЗИ - UП)2 — квадратичный закон, о котором мы упоминали ранее. Итак, имеем универсальные формулы для определения тока стока ПТ:

IС = 2k[(UСИ — UП)UСИ — 0,5U2СИ] (линейный участок)

IС = k[(UЗИ — UП)2 (участок насыщения)

Если мы назовем UЗИ — UП (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 U2СИ; 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 IС с увеличением температуры. Однако это компенсируется тем, что UП 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 IС (UЗИ) 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.

При малых токах стока (когда доминирует температурная зависимость UП) IС растет с ростом температуры и точка перехода от возрастания к убыванию находится при некотором промежуточном значении тока стока. Этот эффект используется в операционных усилителях на ПТ для минимизации температурного дрейфа, как мы увидим в следующей главе.

Субпороговая область. Приведенное выше выражение для тока насыщения стока непригодно для очень малых значений тока стока. Этот диапазон известен как «субпороговая» область, где канал находится ниже порога проводимости, однако некоторый ток все-таки проходит за счет небольшой вероятностной популяции электронов с большим тепловым возбуждением. Если вы изучали физику или химию, то, возможно, знаете из того, что проходили, что результирующий ток имеет экспоненциальную зависимость:

IС = k·exp(UЗИ — UП)

Мы измерили ток стока некоторых МОП-транзисторов в диапазоне изменения его на 9 декад (от 1 нА до 1 А) и построили графики зависимости IС от UЗИ (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Измеренные графики зависимости тока стока от напряжения затвор-исток для двух типов МОП-транзисторов.

Диапазон от 1 нА до 1 мА очень точно соответствует экспоненте; выше этого субпорогового участка кривые входят в нормальную область насыщения. Для n-канальных МОП-транзисторов (типа VN01) мы проверили выборку из 20 транзисторов (четырех разных изготовителей, разброс выпуска — 2 года) и нанесли диапазон разноса значений, чтобы получить представление о их вариабельности (см. следующий разд.). Обратите внимание на несколько худшие характеристики (UП, IС вкл) «комплементарного» транзистора VP01.

Перед тем как рассматривать какие-нибудь схемы, оценим сначала диапазон параметров ПТ (таким как IСИ нач и UП), а также их «разброс» среди приборов одного типа с целью получения более полного представления о ПТ. К сожалению, многие характеристики ПТ имеют разброс намного больше, чем соответствующие характеристики биполярных транзисторов, — факт, который проектировщик должен помнить. Например, в паспорте на VN01 (типичный n-канальный МОП-транзистор) оговорено, что UП может составлять от 0,8 до 2,4 В (при IС = 1 мА), в сравнении с тем, что аналогичный параметр биполярного npn-транзистора, UБЭ имеет разброс от 0,63 до 0,83 В (также при IК = 1 мА). Итак, вот что мы можем ожидать:

В этой таблице RСИ вкл — сопротивление сток-исток (линейная область, т. е. малое напряжение UЗИ) для полностью открытого ПТ, т. е. при заземленном затворе в случае ПТ с p-n-переходом или при большом (обычно принимается 10 В) напряжении затвор-исток у МОП-транзистора. IСИ нач и IС вкл ~ значения тока стока в области насыщения (большое UСИ) при тех же самых отпирающих условиях возбуждения затвора. Uотс есть напряжение отсечки (ПТ с p-n-переходом), UП — пороговое напряжение затвора (МОП-транзисторы), а UСИ пр и UЗИ пр — соответствующие напряжения пробоя. Как можно видеть, ПТ с заземленным истоком может быть хорошим источником тока, но нельзя точно предсказать, каким будет этот ток. Напряжение UЗИ, при котором получается заданный ток стока, может заметно варьировать в отличие от предсказуемого (~= 0,6 В) UБЭ у биполярных транзисторов.

Согласование характеристик. Как вы можете видеть, ПТ уступают биполярным транзисторам в предсказуемости UЗИ, т. е. значения UЗИ, обеспечивающие заданный IС, имеют большой разброс. Приборы, обладающие большим разбросом, будут, вообще говоря, давать больший сдвиг (напряжение небаланса), если их применять в качестве дифференциальных пар. Например, типичный серийный биполярный транзистор дает разброс UБЭ в 50 мВ или около того при некотором заданном токе коллектора без всякого отбора транзисторов (берем подряд любой прибор, имеющийся под рукой). Соответствующая цифра для МОП-транзисторов — более 1 В! Но поскольку ПТ обладают весьма желательными характеристиками, имеет смысл затратить некоторые дополнительные усилия для уменьшения сдвига путем изготовления согласованных пар.