3.9: Cargas de transistores para inversores

Última actualización
Guardar como PDF

Page ID: 86355

$ \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } $ $ \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} $$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$$\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}$

Hay otros tipos de MOSFET además del que hemos estudiado hasta ahora. Estrictamente hablando, lo que hemos visto hasta ahora se llama MOSFET de modo de mejora de n canales. Resulta que se puede construir un MOSFET el cual se parece a una figura anterior, excepto que al poner algunas impurezas adicionales debajo de la región de la puerta, podemos arreglarlo para que haya un canal formado, incluso con$V_{g} = 0$. El transistor ahora tiene un negativo$V_{T}$. El proceso por el cual se agregan las impurezas adicionales se denomina$V_{T}$ ajuste.

Se$V_{T}$ puede esperar que un MOSFET con un negativo tenga$I_{d} \text{-} V_{\text{ds}}$ curvas similares a las de un$V_{T}$ dispositivo positivo, excepto por una cosa. Para$V_{\text{gs}} = 0$, el dispositivo ya está encendido, y así obtenemos una curva habitual tipo Mosfet-tipo. El voltaje positivo de la puerta lo enciende aún más, mientras que el negativo$V_{\text{gs}}$ tiende a reducir la corriente de drenaje. Se necesita un voltaje de puerta negativo para apagar la cosa. La figura$\PageIndex{1}$ muestra curvas características comparativas para dispositivos de modo de mejora y agotamiento.

Figura$\PageIndex{1}$: Curvas características de mejora y agotamiento

Dos conjuntos de cinco curvas características I_d vs V_ds para un MOSFET, con la curva más baja pareciendo casi plana. En modo de mejora, la curva más baja proviene de una tensión de puerta de 1 V y la más alta proviene de una V_g de 5 V, con las curvas entre cada una separadas por 1 V en términos de voltaje de puerta. En modo de agotamiento, la curva más baja proviene de una V_g de -2 V y la curva más alta proviene de una V_g de 2 V con las curvas entre cada una separadas por 1 V en términos de voltaje de puerta — Figura$\PageIndex{1}$: Curvas características de mejora y agotamiento

Para un transistor de modo de mejora, hay que obtener$V_{g} > V_{T}$ (-1 Volt en este ejemplo) para mejorar la conductividad o canal para hacerlo conducir. Para un dispositivo de modo de agotamiento, un voltaje$V_{\text{gs}}$ de puerta de$0$, todavía encuentra el dispositivo conductor. Hay que poner algo de voltaje negativo en la puerta para agotar el canal, a fin de apagarlo. Ahora tenemos un MOSFET de canal n en modo de agotamiento.

¿Cómo usaríamos un dispositivo de modo de agotamiento en una puerta inverter? La respuesta es bastante directa. En el esquema de la Figura$\PageIndex{2}$, indicamos un MOSFET de modo de agotamiento agregando una segunda línea, debajo de la puerta, para sugerir que ya existe un canal en el dispositivo, incluso sin ningún$V_{g}$. Tenga en cuenta que la puerta del transistor de modo de agotamiento (también a veces llamado transistor pull up) está conectada a su fuente, por lo que, de hecho,$V_{\text{gs}}$ hace igual a 0 para este dispositivo. El transistor de entrada (o el transistor pull down) es solo un MOSFET de modo de mejora como lo teníamos antes. No es difícil elegir apropiado$W$ y$I_{\text{d sat}}$ para$L$ que para el transistor pull up esté en el orden de los$500 \ \mu \mathrm{A}$ que necesitamos para obtener nuestro tiempo de$1 \mathrm{~ns}$ subida en la carga capacitiva.

Figura$\PageIndex{2}$: Carga en modo de agotamiento

Un MOSFET tiene un voltaje V_IN aplicado en su puerta, una fuente conectada a tierra y un drenaje que conduce a una unión con el voltaje V_out. El voltaje entre la fuente y el drenaje es V_SDE. Una rama de la unión se conecta a la puerta de un segundo MOSFET, y la otra rama se conecta a la fuente de ese mismo segundo MOSFET. El voltaje entre la fuente y el drenaje del segundo MOSFET es V_sdd, y el voltaje en su drenaje es V_dd. — Figura$\PageIndex{2}$: Carga en modo de agotamiento

Para obtener la característica de transferencia para este circuito, primero notamos que\[V_{\text{sdd}} = V_{\text{dd}} - V_{\text{sde}}\]

$V_{sdd} = V_{dd} - V_{sde}$

donde$V_{\text{sde}}$ es el voltaje de fuente-drenaje para el transistor desplegable o de mejora, y$V_{\text{sdd}}$, es el voltaje de fuente-drenaje para el transistor de modo de agotamiento. Si queremos trazar la línea de carga para el transistor pull-down que es creado por el transistor de modo pull-up o agotamiento, debemos tomar su curva$V_{\text{gs}} = 0$ característica, desplazarla una cantidad$V_{\text{dd}}$, y luego invertir su polaridad. Cuando hacemos esto obtenemos lo siguiente que se muestra en la Figura$\PageIndex{3}$. Observar los puntos de intersección de la línea de carga y las curvas características nos permite la oportunidad de dibujar la característica de transferencia. Esta es una curva más atractiva. Es simétrico alrededor del punto de media tensión, y se acerca a cero para su condición de salida “baja”. La transición de “alta” a “baja” también es algo más abrupta, lo cual es ventajoso. ¿Puedes averiguar por qué?

Figura$\PageIndex{3}$: Curva característica y línea de carga para una carga MOS de agotamiento

Curvas MOSFET características para valores de V_g de 1 V a 5 V. Se muestra una línea de carga en los mismos ejes, tomando la forma de una parábola cóncava-descendente con su extremo izquierdo en el origen, su extremo derecho en el eje x en V_ds = 5, y su máximo interseccionando la curva para V_g = 3 V. — Figura$\PageIndex{3}$: Curva característica y línea de carga para una carga MOS de agotamiento

Figura$\PageIndex{4}$: Características de transferencia para un inversor de carga de agotamiento

Gráfica de V_out vs V_IN. El gráfico toma la forma de una línea horizontal en V_out = 5 para los valores V_in de 0 a 1, y luego cae en una forma inversa S para terminar en un punto justo por encima del eje x en el punto V_in = 5. — Figura$\PageIndex{4}$: Características de transferencia para un inversor de carga de agotamiento

Bueno, resolvimos un problema. Al menos tenemos una estructura pull up que podemos fabricar. Resulta no ser demasiado difícil construir un MOSFET de mejora que tenga una resistencia equivalente en el rango que necesitamos sin ocupar demasiada área de chip. No hemos resuelto el otro problema, sin embargo. Todavía estamos viendo un enorme consumo de corriente para grandes circuitos. Dado que en promedio, la mitad de las puertas del inversor estarán “encendidas” en un circuito lógico, todavía tenemos un gran sumidero de corriente a tierra. Esto es algo que sería completamente prohibitivo en un circuito integrado VLSI moderno.

Afortunadamente, todavía no nos hemos quedado sin opciones para las estructuras MOS.