Podręcznik

5. Przełączanie tranzystora MOS: charakterystyki i parametry

5.1. Realizacje inwerterów statycznych MOS

Właściwości inwertera MOS zależą od rodzaju kanału tranzystora obciążającego i zakresu jego pracy, a także proporcji wymiarów kanału tranzystora sterującego i obciążającego.

 

Spośród mających już raczej historyczne znaczenie inwerterów zrealizowanych w technologii NMOS, tj. złożonych z tranzystorów z kanałem n, najlepsze właściwości ma inwerter ED-NMOS, składający się z tranzystora sterującego z kanałem n wzbogacanym (E) i tranzystora obciążającego z kanałem n zubożanym (D):

 

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 5.5 Porównanie inwerterów NMOS: inwerter E-NMOS z tranzystorem obciążającym w nasyceniu, inwerter E-NMOS z obciążeniem liniowym, inwerter ED-NMOS, na tle inwertera z liniową rezystancją w obciążeniu

 

Inwerter ED-NMOS nie jest jednak pozbawiony wspólnych wad technologii NMOS:

  • dobór odpowiedniej wartości stosunku rezystancji kanałów (współczynnika geometrycznego KR) poprawiającej charakterystykę przenoszenia, wymaga zróżnicowania ich wymiarów, co negatywnie wpływa na wielkość powierzchni układu,
  • duży pobór mocy – w stanie ustalonym dla niskiego napięcia na wyjściu płynie znaczący prąd od zasilania do masy,
  • mniejsza szybkość przełączania do stanu wysokiego na wyjściu (ładowania pojemności obciążającej) przez stosunkowo dużą rezystancję obciążenia,
  • sprzeczność wymagań w doborze rezystancji obciążenia: jej mała wartość jest wskazana z punktu widzenia szybkości przełączania, a duża dla ograniczania poboru mocy i zwiększenia amplitudy logicznej (obniżenia UOL).

 

Inwerter E-NMOS z obciążeniem w nasyceniu 

Tranzystor obciążający z kanałem wzbogacanym pracuje w zakresie nasycenia dzięki zwarciu bramki z drenem:

 

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 5.6 Schemat inwertera E-NMOS z obciążeniem w nasyceniu i charakterystyki I-U

 

Charakterystyka tranzystora obciążającego jest typową charakterystyką przejściową (UDS=UGS) przesuniętą o wartość napięcia progowego w stosunku do napięcia zasilania. W konsekwencji inwerter ENMOS ma obniżony poziom wysokiego napięcia w stosunku do UDD i odpowiednio mniejszą amplitudę logiczną:

 

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 5. 7 Charakterystyka przenoszenia inwertera E-NMOS z obciążeniem w nasyceniu

 

Kształt charakterystyki przenoszenia zależy od konstrukcji kanałów tranzystora sterującego i obciążającego – tzw. współczynnika geometrycznego :

 

 

K_{R}=\frac{(W/L)_{I}}{(W/L)_{L}}=\frac{\beta \mu _{I}}{\beta \mu _{L}}=\beta _{R}.

(5.12)  

 

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 5.8 Wpływ współczynnika KR na charakterystyki przenoszenia inwertera E-NMOS z obciążeniem w nasyceniu

 

Lepsze charakterystyki - dla większej wartości KR wymagają zróżnicowania wymiarów kanałów, co oznacza, że oba tranzystory zajmują większą powierzchnię niż to umożliwia stan zaawansowania konkretnej technologii wytwarzania.

 

 

Inwerter E-NMOS z obciążeniem liniowym

Odrębna polaryzacja bramki tranzystora obciążającego z kanałem wzbogacanym napięciem:

 

 

U_{GSL}>U_{DD}+U_{T}(U_{DD})

(5.13)  

zapewnia jego pracę w zakresie nienasycenia (liniowym) dla każdej wartości Uwy:

 

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 5.9 Schemat inwertera E-NMOS z obciążeniem liniowym i charakterystyki I-U

 

Taki wybór zakresu pracy poprawia charakterystykę przenoszenia: poziom wysokiego napięcia wyjściowego jest bliski UDD co zwiększa amplitudę logiczną w stosunku do inwertera z obciążeniem pracującym w nasyceniu.

Wadą tego rozwiązania jest kosztowna realizacja odrębnej polaryzacji bramki obciążenia.

 

Inwerter ED-NMOS

Wady wyżej przedstawionych inwerterów można przezwyciężyć wprowadzając tranzystor obciążający z kanałem zubożanym (D):

 

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 5.10 Schemat inwertera ED-NMOS i charakterystyki I-U

 

Realizacja w tym samym podłożu inwertera, w którym tranzystor sterujący ma kanał wzbogacany a tranzystor obciążający – zubożany, wymaga dodatkowej płytkiej implantacji domieszek w obszar kanału w celu ustalenia zadanej wartości napięcia progowego.

 

Kształt charakterystyki przenoszenia inwertera ED-NMOS zależy od współczynnika geometrycznego KR (5.12), lecz zadowalające parametry uzyskuje się dla kilkukrotnie mniejszych jego wartości, co pozwala zmniejszyć powierzchnię układu w stosunku do inwerterów E-NMOS.