Логічні елементи на МОН-транзисторах

Польові транзистори МЕН-типу мають структуру «метал-напівпровід­ник»; їх створюють на основі арсеніду галію (AsGa – сполука галію з миш’я­ком). Порівняно з германієм AsGa має такі переваги:

· вищу рухливість електронів у слабих електричних полях (≈ 5 разів);

· майже в півтора рази ширшу заборонену зону, яка забезпечує високий питомий опір підкладки (як наслідок, підкладки з AsGa служать напівізолюю­чим матеріалом);

· дуже малі паразитні ємності між електродами МЕН-транзистора.

На основі арсеніду галію досягається десятикратне підвищення швидко­дії схеми при зниження потужності споживання вдвічі. Але арсенід галію не дозволяє створювати МЕН-транзистори з ізольованим затвором, оскільки він не утворює стійких оксидів. В польових МЕН-транзисторах використовують бар’єр Шотки. Тому МЕН-транзистори також називають «польовими транзис­торами з бар’єром Шотки» (ПТШ).

Структура арсенід-галієвого МЕН-транзистора (поперечний розріз) при­ведено на рис. 2.28, а. Транзистор створюється на кристалі з нелегованого AsGa. На поверхні кристалу іонним методом формують сильно леговані n⁺-об­ласті витоку, а потім тонкий шар каналу n-типу товщиною d₀=0,2 мкм. На по­верхні кристалу в каналі формується металевий електрод затвора (сплав титан-вольфрам).

Для забезпечення омічних контактів з витоком і стоком застосовують металеві електроди на основі композиції германій-золото. На поверхню крис­та­лу між контактами наноситься шар діелектрику, наприклад, оксид кремнію. Ме­талевий електрод затвора створює в каналі збіднений електронами шар – бар’єр Шотки висотою 0,8 В. Просторові розміри бар’єру змінюються під дією напру­ги затвора. Власне провідний канал товщиною d_К обмежений областю бар’єра та кристалу. Між затвором та витоком подається керуюча напруга U_ЗВ, а на стік – напруга живлення + U_СС. При зміні керуючої напруги змінюється товщина збідненого шару d_Б і провідного каналу d_К= d₀- d_Б, його провідність і струм стоку.

Порогова напруга U_П визначається з рівняння U_П=С₁-С₁N_d , де С₁, С₂ – константи, N_d – концентрація донорів у каналі. Якщо напруга затвор-витік U_ЗВ досягає порогового значення, то границя збідненого шару змикається з криста­лом d_К= d₀- d_Б=0; при цьому товщина провідного шару і струм стоку І_С дорівню­ють нулю.

Якщо при напрузі затвор-витік U_ЗВ=0 є провідний канал і протікає робо­чий струм, то МЕН-транзистор називають нормально відкритим, він працює в режимі збіднення. Якщо при U_ЗВ=0 бар’єр Шотки перекриває весь канал і робо­чий струм не протікає, то МЕН-транзистор називається нормально закритим; він працює в режимі збагачення.

На рис. 2.28, б, наведено стоко-затворні характеристики нормально відк­ритого (крива 1) і нормально закритого (крива 2) МЕН-транзистора, а також їх­ня вхідна характеристика (крива 3). Для нормально відкритого МЕН-транзис­тора керуюча напруга на затворі, при якій протікає струм стоку І_С, може зміню­ватись від від’ємних значень до невеликих додатних (не більше 0,6 В). При нап­ругах більших U_ЗВ>0,6 В в його каналі з’являється струм затвора І_З, оскільки відкривається перехід метал-напівпровідник. Тому струм стоку обмежений зна­ченням І_СМ1. Для нормально закритого транзистора напруга затвору, при якій протікає струм стоку, додатна і може змінюватись тільки в вузьких грани­цях (0…0,6 В). Максимальний струм стоку обмежений значенням І_СМ2. Для тран­зи­сторів з однаковими розмірами каналу (довжиною і шириною) І_СМ1>> І_СМ2. У схемотехніці застосовують нормально закриті і нормально відкриті МЕН-тран­зистори.

Варіанти схем логічних елементів НЕ, НЕ ЧИ, на МЕН-транзисторах зображено на рис 2.29.

Схема НЕ (рис. 2.29, а) містить пасивний транзистор VT1 (нормально від­критий) і вхідний активний транзистор VT2 (нормально закритий). Пасивний транзистор VT1 увімкнутий за схемою двополюсника і виконує роль джерела стокового струму, значення якого практично не змінюється в широкому діапа­зоні зміни напруги між стоком і витоком.

До виходу елемента НЕ під'єднано аналогічний інвертор. Він у статич­но­му режимі подається еквівалентною схемою з послідовно увімкнених діода Шотки і резистора між затвором і витоком R_ЗВ. Напруга джерела живлення у схемі U_СС=1,5 В; усереднені значення порогових напруг для транзисторів VT1 і VT2 відповідно становлять U_П1=-0,3 В і U_П2=0,15 В.

При U_ВХ= U_ІL< U_П2 транзистор VT2 закритий, струм стоку І_С2=0 і на ви­ході встановлюється рівень напруги U_ОН. Струм І_С1 відкритого транзистора VT1 подається на затвор інвертора навантаження. Оскільки струм І_С2 становить оди­ниці міліампер, а резистор R_ЗВ становить десятки ом, то вихідний рівень прак­тично визначається прямою напругою на діоді VD:

U_ОН= U_ДШ+ І_С1· R_ЗВ≈ U_ДШ=0,6 В.

Рівень напруги U_ОН мало залежить від значень джерела живлення U_СС, струму І_С1 і знижується із збільшенням коефіцієнта об’єднання та температури.

При U_ВХ= U_ІН> U_П2 транзистор VT2 відкривається і через нього протікає струм стоку транзистора VT1 і попереднього транзистора (джерело вхідного сигналу). На виході встановлюється низький рівень напруги U_ОL=0,05 В.

Рівень U_ОL знижується із зменшенням струмів стоку і резистора R_СВ між стоком і витоком, який становить одиниці слів. Якщо припустити, що U¹=U_Н, U⁰=U_L, то амплітуда логічного сигналу U_m= U¹ - U⁰=0,55 В. Завадостійкість еле­мента НЕ М_L=0,16 В, М_Н=0,26 В, що значно менше, ніж для схем на n-МОН транзисторах.

Схема двоходового елемента НЕ ЧИ містить нормально відкритий паси­вний транзистор VT1, вхідні нормально закриті транзистори VT2 і VT3, увімк­нені паралельно (рис. 2.29,б).

При U_Х1 = U_Х2 = U_ІL транзистори VT1 і VT2 закриті, на виході Y встано­влюється високий рівень напруги U_ОН. Якщо на одному із входів або га обох од­ночасно діє напруга U_ІН , то відповідний транзистор (чи обидва) відкриваю­ть­ся і на виході встановлюється рівень U_ОL. Параметри елемента НЕ ЧИ аналогіч­ні схемам, зображеним на рис. 2.29, а.

Схема двоходового елемента НЕ ЧИ з підвищеною завадостійкістю по­ка­зана на рис. 2.29, в. Вхідні діоди Шотки VD1 і VD2 реалізують операцію ЧИ, транзистори VT1 і VT2 створюють інвертор, а транзистор VT3 разом з діодами – це ланцюг зміщення рівня порогу транзистора VT2.

В даному елементі порівняно зі схемами, зображеними на рис. 2.29, а і б, забезпечується більша завадостійкість і менша її залежність від технологічного розкиду порогових напруг транзисторів. Це досягається ускладненням схеми, збільшенням її площі на кристалі та використанням другого джерела живлення мінус U_СС2. У схемі використовуються тільки нормально відкриті транзистори з напругами живлення U_СС2 = 1,5 В; U_СС2 = -1 В. Для транзисторів VT1 і VT3 U_П1 = U_П3 = -0,7 В, а для транзистора VT2 U_П2 = -0,45 В.

Пряма напруга на діодах Шотки при протіканні через них струму І_С3 до­рівнює приблизно 0,7 В (мінус на катоді). Напруга на затворі транзистора VT2 визначається із залежності U_ЗВ = U_ВХ – U_ДШ, яка є практично лінійною, оскільки U_ДШ = const.

При U_ВХ = U_ІL = 0 напруга U_ЗВ = -0,7 В, що менше від U_П2, і транзистор VT2 закритий, на його виході встановлюється високий рівень напруги U_ОН≈1 В. При U_ВХ = U_ІН = 1 В напруга U_ЗВ = +0,3 В, що більше від U_П2, і транзистор VT2 відкритий, на його виході встановлюється низький рівень напруги U_ОL≈ 0,01 В. Таким чином, використання ланцюга зміщення дозволяє зменшити значення U⁰, збільшити U¹ і логічний перепад U_m = U¹ - U⁰ = 1 В.

Промисловість випускає схеми на МЕН-транзисторах серії К6500, які ха­рактеризуються такими параметрами: U_СС1 = 4 В, U_СС2 = -2,4 В; U_Н = 0,9 В; U_L = 0,1 В, середня затримка поширення t_П = 0,15 нс, потужність, споживана одним логічним елементом Р_СС = 5 мВт.