Podręcznik

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):

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 K_R) 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 U_OL).

Inwerter E-NMOS z obciążeniem w nasyceniu 

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

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

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

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 :

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

Lepsze charakterystyki - dla większej wartości K_R 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:

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

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 U_DD 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):

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 K_R (5.12), lecz zadowalające parametry uzyskuje się dla kilkukrotnie mniejszych jego wartości, co pozwala zmniejszyć powierzchnię układu w stosunku do inwerterów E-NMOS.