3.10: Логіка CMOS

Last updated

Oct 26, 2022
Save as PDF
- 3.9: Транзисторні навантаження для інверторів
- 3.11: JFET

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Малюнок $\PageIndex{1}$ : PMOS-транзистор

Блок кремнію n-типу має дві області p-типу на верхній грані. Той, що зліва - p-джерело, а той, що праворуч - р-стік. Джерело підключається до n-підкладки, до позитивного кінця джерела напруги V_DS, інший кінець якого підключений до стоку, і до позитивного кінця джерела напруги V_GS, інший кінець якого з'єднаний з каналом між джерелом і стоком. — Малюнок $\PageIndex{1}$ : PMOS-транзистор

Це дуже схоже на наш попередній MOSFET, за винятком того, що тепер у нас є підкладка n-типу, а джерела та стоку області p-типу. Якщо застосувати негативний $V_{\text{gs}}$ (з джерелом, з'єднаним з підкладкою n-типу), то індукований негативний заряд на затворі буде відганяти електрони, а якщо смуги під затвором досить зігнуті вгору, утворюють інверсійний шар дірок (див. Рис $\PageIndex{2}$ ,. роблячи режим посилення p-канального MOSFET, або PMOS транзистора. (На відміну від NMOS транзистора, який ми вивчали спочатку.). Зверніть увагу, що у PMOS-транзистора буде негативний $V_{T}$ . Тобто напруга затвора має бути менше напруги джерела/підкладки, щоб включити пристрій. Чим більше негативних, $V_{\text{gs}}$ тим більше струму у нас буде протікати через пристрій.

Малюнок $\PageIndex{2}$ : Інверсія шару n-типу

Діаграми смуг для перевернутого шару n-типу. Смуги провідності та валенсу різко нахиляються вниз на лівому краю графіка, перш ніж вирівнювати з смугою провідності, близькою до E_f, і смугою валенсу набагато нижче неї. — Малюнок $\PageIndex{2}$ : Інверсія шару n-типу

Виходить, що поєднання як n-канального, так і p-канального пристрою на одній схемі може бути дуже вигідною. Така технологія називається CMOS, для «комплементарних МОП». Ось як ми використовуємо p-канальний транзистор в ланцюзі інвертора.

Перш за все, однак, ми повинні побачити, як би ми його зробили. Існує принципова проблема в спробі використовувати як n-канальні, так і p-канальні пристрої в одній схемі. Що це таке? Здавалося б, нам потрібні два різних види підкладок, як підкладка p-типу для n-канального транзистора, так і підкладка n-типу для пристрою p-каналу. Існує спосіб обійти цю проблему, зробивши те, що називається танком або ровом. Рів - це відносно глибока область одного виду матеріалу, поміщеного в підкладку-господар протилежного типу (рис. $\PageIndex{3}$ ). Ми можемо помістити регіони джерела/зливу n-типу в р-субстрат і р-типу джерело/дренажні регіони в n-рів. На малюнку $\PageIndex{4}$ ми також покажемо вентилі, і як весь інвертор з'єднаний між собою.

Малюнок $\PageIndex{3}$ : Підготовка до CMOS інвертора

Крупним планом p-субстрату, який містить невелику, але відносно глибоку область n-типу у верхній частині, позначену як n-рів. — Малюнок $\PageIndex{3}$ : Підготовка до CMOS інвертора

p-субстрат з n-джерелом та n-стоком містить n-рів, який має p-стік та p-джерело. Канал між джерелом n-типу і стоком підключається до каналу між джерелом p-типу і стоком, і напруга V_in подається на обидва. Підключаються n-drain і p-drain, а з з'єднання зчитується напруга V_out. N-джерело з'єднується з p-підкладкою і з землею. p-джерело підключається до n-рову, а напруга, що зчитується з цього з'єднання, дорівнює V_DD. — Малюнок $\PageIndex{4}$ : Інвертор CMOS

Тепер давайте намалюємо схему: пристрій p-каналу малюється так само, як n-канальний пристрій, за винятком того, що ми ставимо трохи «міхура» на ворота, щоб означати, що це MOSFET іншого кольору. Хоча ми зазвичай не робимо цього постійно, ми також показали з'єднання підкладки на цій схемі. Ці з'єднання показують, що MOSFET - це принаймні чотиритермінальний пристрій, а не тритермінальний, як люди часто припускають. Оскільки в p-канальному пристрої підкладка має n-тип, ми показуємо з'єднання підкладки як спрямовану назовні стрілку. Підкладка p-типу для n-канального пристрою показана у вигляді спрямованої всередину стрілки. N-канальна підкладка з'єднана з землею, а підкладка p-каналу з'єднана з $V_{\text{dd}}$ . Зверніть увагу, що оскільки n-рів знаходиться в, $V_{\text{dd}}$ а p-підкладка знаходиться на землі, рв-підкладка p-n перехід зворотно зміщений, і тому між ними не повинен протікати струм.

Малюнок $\PageIndex{5}$ : Схема CMOS інвертора

Напруга V_in подається на зв'язок між затворами двох МОП-транзисторів, причому верхній показує n-стік і n-джерело в p-підкладці, а нижній - p-джерело та p-стік у n-рові. Зливи двох МОП-транзисторів підключені, і з цього з'єднання зчитується напруга V_out. N-джерело підключається до землі, а p-джерело знаходиться на напрузі V_DD. Існує спрямована назовні стрілка, що з'єднує p-канал з v_DD, і спрямована всередину стрілка, що з'єднує землю з n-каналом. — Малюнок $\PageIndex{5}$ : Схема CMOS інвертора

Зазвичай ми також не маркуємо джерело і зливаємо, але ми робимо тут, лише для повноти. Відзначимо, що на відміну від біполярного транзистора, транзистор є воістину симетричним пристроєм. Дійсно немає можливості сказати джерело зі стоку. За умовністю ми називаємо елемент, який з'єднаний з підкладкою (або ровом) джерелом, а інший - стоком. Іноді ви почуєте область під воротами (субстратом або ровом), яку називають заднім тілом.

Тепер подивимося, як працює ця схема. Якщо $V_{\text{in}}$ високий (на або поблизу $V_{\text{dd}}$ ) NMOS транзистор буде включений. Напруга між затвором і підкладкою p-канального пристрою знаходиться на нулі або близько. $V_{\text{dd}}$ Ворота на і так рів! Звідси верхній транзистор буде вимкнений. Вихід, таким чином, буде низьким.

Якщо вхідна напруга знаходиться на землі або поблизу неї («низький»), то n-канальний пристрій відключається. Напруга між затвором і підкладкою пристрою p-каналу тепер $\simeq \left( -V_{\text{dd}} \right)$ . ( $\simeq 0$ Ворота є, а підкладка знаходиться в $V_{\text{dd}}$ .) Якщо PMOS-транзистор має порогове напруга $V_{T}$ $-2 \mathrm{~V}$ , скажімо, то він включиться і вихід буде високим. Однак зверніть увагу, що в будь-якому стані, високому або низькому, немає статичного струму, що протікає через інвертор.

Трансферні характеристики для цієї схеми трохи складніше. По-перше, давайте переконаємося, що у нас визначені наші напруги та струми. З малюнка $\PageIndex{6}$ , n-канальний затвор-джерело напруги $V_{\text{gs-}n}$ , є справедливим $V_{\text{in}}$ . Напруга затвор-джерело для пристрою p-каналу, $V_{\text{gs-}p}$ , є $V_{\text{in}} - V_{\text{dd}$ ; $V_{\text{ds-}p}$ , напруга сток-джерело для транзистора p-каналу можна записати як $V_{\text{ds-}n} - V_{\text{dd}}$ . Для поточних, $I_{d \text{-} n} = I_{d \text{-} p} = I_{d}$ . Як видно на малюнку $\PageIndex{7}$ , у нас є два набори характерних кривих. Відзначимо $V_{\text{gs-}p} = V_{\text{in}} - V_{\text{dd}}$ , що з тих пір $V_{\text{in}} = 0 \mathrm{~V}$ , коли $V_{\text{gs-}p} = -5 \mathrm{~V}$ і так сильно включений транзистор.

Малюнок $\PageIndex{6}$ : Визначення напруг

Інвертор CMOS з малюнка 5 вище має v_GS-p визначається як напруга між затвором і джерелом з p-каналу, V_GS-n визначається як напруга між затвором і джерелом з n-каналу, V_SD-p визначається як напруга між джерелом p-каналу і стоком, і V_SD-n визначається як напруга між n-канальний джерело і стік. Поточний i_D вказує з p-каналу на n-канал, через з'єднання з якого зчитується V_out. — Малюнок $\PageIndex{6}$ : Визначення напруг

Малюнок $\PageIndex{7}$ : Струми стоку для двох транзисторів в залежності від вхідної напруги і $V_{\text{ds}}$

Графіки i_D проти V_DS для n-канального пристрою та i_D проти V_DS для пристрою p-каналу, кожен з яких показує 6 характерних кривих з найменшою кривою, що лежить уздовж осі x. Для n-канального графіка найвища крива має V_in 5 вольт, а найнижча - V_in 0 V. Для графіка p-каналу найвища крива має V_in 0 V, а найнижча - V_in 5 В. — Малюнок $\PageIndex{7}$ : Струми стоку для двох транзисторів в залежності від вхідної напруги і $V_{\text{ds}}$

У цьому випадку у нас є ряд різних «ліній навантаження», тому що для кожної $V_{\text{in}}$ ми маємо різну криву як для n-, так і для p-канальних транзисторів. Це показано на малюнку $\PageIndex{8}$ . Чорні плями показують точку перетину. Дотримуйтесь кількох кривих уздовж, щоб побачити, чи згодні ви з тим, де були розміщені плями. Ми також додали пару пунктирних кривих, $V_{\text{in}} = 2.5 \mathrm{~V}$ щоб ми могли отримати точку «перевертання». Проектування розташування чорних крапок на $V_{\text{ds-}n}$ (або $V_{\text{out}}$ ) вісь дасть нам значення $V_{\text{out}}$ для кожного з вхідних напруг, $V_{\text{in}}$ . Отримана крива показана на малюнку $\PageIndex{9}$ . Це дає нам гарне «відчуття» того, як працює інвертор, і як змінюється вихід у залежності від входу. Відзначимо, що ця крива передачі досить симетрична близько 2,5 вольт, і йде весь шлях від +5 до 0 вольт на виході.

Малюнок $\PageIndex{8}$ : Отримання функції передачі

На n-канальні характеристичні криві з малюнка 7 вище накладаються характеристичними кривими p-каналу, відбиваються над віссю y і перекладені вправо так, щоб вони перетинали горизонтальну вісь V_out в точці V_DD. Ці пересічні криві утворюють 5 увігнутих вниз парабол. Пунктирні лінії показують криві n- і p-каналу для V_in = 2,5 вольт, накладених таким же чином; максимум параболи, яку вони утворюють, має значення V-out в одну половину v_dd. — Малюнок $\PageIndex{8}$ : Отримання функції передачі

Малюнок $\PageIndex{9}$ : Характеристики передачі інвертора CMOS

Графік V_out проти V_in, який набуває вигляду кривої зворотного S, що з'єднує 5 V на вертикальній осі з 5 V на горизонтальній осі. — Малюнок $\PageIndex{9}$ : Характеристики передачі інвертора CMOS