Режимы истощения и улучшения
В полевых транзисторах (FET) режим истощения и режим улучшения являются двумя основными типами транзисторов, что соответствует тому, находится ли транзистор во включенном или выключенном состоянии при нулевом напряжении затвор-исток.
МОП-транзисторы улучшенного режима (полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник) являются обычными переключающими элементами в большинстве интегральных схем. Эти устройства выключены при нулевом напряжении затвор-исток. NMOS можно включить, подняв напряжение затвора выше напряжения истока, PMOS можно включить, понизив напряжение затвора ниже напряжения истока. В большинстве схем это означает, что притягивание напряжения затвора MOSFET в режиме улучшения к напряжению стока включает его.
В МОП-транзисторах с режимом обеднения устройство обычно включено при нулевом напряжении затвор-исток. Такие устройства используются в качестве нагрузочных «резисторов» в логических схемах (например, в логике NMOS с истощающей нагрузкой). Для устройств с истощающей нагрузкой N-типа пороговое напряжение может составлять около -3 В, поэтому его можно отключить, переведя затвор на 3 В в отрицательную сторону (сток, для сравнения, более положительный, чем исток в NMOS). В PMOS полярность обратная.
Режим можно определить по знаку порогового напряжения (напряжение затвора относительно напряжения истока в точке, где в канале только формируется инверсионный слой): для полевого транзистора N-типа устройства режима улучшения имеют положительные пороги, а обеднение -режимные устройства имеют отрицательные пороги; для полевого транзистора P-типа режим улучшения имеет отрицательное значение, а режим истощения имеет положительное значение.
| НМОП | ПМОП | |
|---|---|---|
| Режим улучшения | V d > V s (тип.) включен: В г ≥ В с + 3 В выкл.: V г ≤ В с |
В d < В с (тип.) вкл.: V g ≤ V s − 3В выкл.: В г ≥ В с |
| Режим истощения | V d > V s (тип.) горит: V g ≥ V s выключено: V g ≤ V s − 3 В |
В d < В с (тип.) вкл.: V г ≤ V с выключено: В г ≥ В с + 3 В |
Полевые транзисторы с переходом ( JFET ) работают в режиме истощения, поскольку переход затвора будет смещать вперед, если затвор будет смещен более чем на немного от истока к напряжению стока. Такие устройства используются в чипах арсенида галлия и германия , где сложно сделать оксидный изолятор.
Альтернативная терминология
[ редактировать ]В некоторых источниках «тип истощения» и «тип улучшения» для типов устройств, описанных в этой статье, называются «режим истощения» и «режим улучшения», а также применяются термины «режим», в каком направлении напряжение затвор-исток отличается от нуля. . [1] Перемещение напряжения затвора по направлению к напряжению стока «улучшает» проводимость в канале, поэтому это определяет режим работы улучшения, в то время как перемещение затвора от стока истощает канал, поэтому это определяет режим истощения.
Семейства логики расширяющей и истощающей нагрузки
[ редактировать ]Логика NMOS с истощающей нагрузкой относится к семейству логических систем, которое стало доминировать в кремниевых СБИС во второй половине 1970-х годов; процесс поддерживал транзисторы как в режиме улучшения, так и в режиме истощения, а типичные логические схемы использовали устройства режима улучшения в качестве понижающих переключателей, а устройства режима истощения в качестве нагрузки или подтягивающих устройств. Семейства логических схем, построенные в более старых процессах, которые не поддерживали транзисторы режима истощения, ретроспективно назывались логикой расширяющей нагрузки или логикой насыщенной нагрузки , поскольку транзисторы расширенного режима обычно подключались затвором к источнику питания V DD и работали в режиме область насыщения (иногда затворы смещаются к более высокому напряжению V GG и работают в линейной области для лучшего продукта мощности и задержки (PDP), но тогда нагрузки занимают больше площади). [2] В качестве альтернативы, вместо статических логических вентилей, динамическая логика, такая как четырехфазная логика, иногда использовалась в процессах, в которых не было доступных транзисторов режима истощения.
Например, в Intel 4004 с кремниевым затвором с улучшенной нагрузкой 1971 года использовалась логика PMOS , а в Zilog Z80 1976 года использовалась NMOS с кремниевым затвором с истощающей нагрузкой.
История
[ редактировать ]Первый MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), продемонстрированный Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs улучшенного режима в 1960 году, представлял собой кремниевый полупроводниковый прибор . [3] В 1963 году МОП-транзисторы с режимом истощения и улучшения были описаны Стивом Р. Хофштейном и Фредом П. Хейманом из RCA Laboratories . [4] В 1966 году Т. П. Броуди и Х. Э. Куниг из Westinghouse Electric (TFT) с режимом улучшения и обеднения на арсениде индия (InAs) изготовили тонкопленочные МОП-транзисторы . [5] [6] В 2022 году команда Калифорнийского университета в Санта-Барбаре сообщила о первом двухрежимном органическом транзисторе, который ведет себя как в режиме истощения, так и в режиме улучшения. [7]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Джон Дж. Адамс (2001). Освоение рабочего места электроники . МакГроу-Хилл Профессионал. п. 192 . ISBN 978-0-07-134483-8 .
- ^ Джерри К. Уитакер (2005). Микроэлектроника (2-е изд.). ЦРК Пресс. п. 6-7–6-10. ISBN 978-0-8493-3391-0 .
- ^ Сах, Чи-Тан (октябрь 1988 г.). «Эволюция МОП-транзистора - от концепции до СБИС» (PDF) . Труды IEEE . 76 (10): 1280–1326 (1293). Бибкод : 1988IEEP..76.1280S . дои : 10.1109/5.16328 . ISSN 0018-9219 .
- ^ Хофштейн, Стив Р.; Хейман, Фред П. (сентябрь 1963 г.). «Кремниевый полевой транзистор с изолированным затвором». Труды IEEE . 51 (9): 1190–1202. дои : 10.1109/PROC.1963.2488 .
- ^ Вудалл, Джерри М. (2010). Основы полупроводниковых МОП-транзисторов III-V . Springer Science & Business Media . стр. 2–3. ISBN 9781441915474 .
- ^ Броуди, ТП; Куниг, HE (октябрь 1966 г.). «ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ТРАНЗИСТОР InAs С ВЫСОКИМ УВЕЛИЧЕНИЕМ» . Письма по прикладной физике . 9 (7): 259–260. Бибкод : 1966АпФЛ...9..259Б . дои : 10.1063/1.1754740 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Нгуен-Данг, Тунг; Виселль, Йон; Нгуен, Тук-Куен; {и др.} (май 2022 г.). «Двухрежимные органические электрохимические транзисторы на основе самолегированных сопряженных полиэлектролитов для реконфигурации электроники». Продвинутые материалы . дои : 10.1002/adma.202200274 .