Истоковый повторитель

 

Использование: в микроэлектронике, а именно в конструкции интегральных схем на основе полевых транзисторов, в составе схем высокоомных источников сигнала. Сущность изобретения: в истоковом повторителе, содержащем основной полевой транзистор с управляющим p - n-переходом, выполненный на полупроводниковой подложке первого типа проводимости, на поверхности которой сформирован слой второго типа проводимости, в котором с помощью изолирующей области первого типа проводимости выделена изолированная область, в которой сформированы области истока, стока и затвора, в изолированной области сформирован дополнительный транзистор, у которого область истока контактирует с одной стороны с изолирующей областью, с другой с областью затвора, стоком является область истока основного транзистора, а исток, затвор и изолирующая область имеют общий омический контакт. 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к конструкции интегральных схем на основе полевых транзисторов.

Истоковый повторитель является активным входным устройством микрофонных усилителей, электретных микрофонов, осциллографов и ряда приборов, измеряющих маломощный высокоомный сигнал. Применение истокового повторителя позволяет преобразовать входной сигнал в низкоомный. Этим определяются основные требования к истоковым повторителям: коэффициент передачи (К_п, входное сопротивление (R_вх), уровень шумов (U_ш), сопротивление нагрузки (R_н), уровень входного сигнала (U_вх), ток потребления (I_п).

Простейший истоковый повторитель представляет собой полевой транзистор с управляющим р - n-переходом (ПТУП) с истоковым резистором (R_н) [1]. Выходной сигнал снимается с истока. Определяют выходное напряжение U_вых=R_н ˙I_c; (1) I_c=S ˙U_зи(U_з-U_вых) ; (2) U_вых=[R_н ˙S/(1+R_н ˙S)]U_з, (3) где I_c - ток стока; S - крутизна; U_зи - напряжение между затвором и истоком; U_з - входной сигнал на затворе.

Из выражения (3) определяют коэффициент передачи К_п= U_вых/U_з=R_н ˙S/(1+R_н ˙S) (4) и при R_н >> 1/S U_вых ≈U_{з ,} К_п стремится к единице, но всегда меньше этой величины. В интегральном исполнении ПТУП изготавливают по базовой технологии, резистор может быть выполнен одновременно с затворной областью либо его изготавливают по гибридной технологии.

Недостатки известного повторителя. Амплитуда выходного сигнала может быть значительно меньше, чем амплитуда входного, даже при значительно высоком сопротивлении нагрузки, поскольку любой R_н образует в сочетании с выходным сопротивлением истока делитель. Так как ток стока меняется на протяжении периода сигнала, S и вместе с ней выходное полное сопротивление изменяются, внося в выходной сигнал нелинейность (искажения). Искажения можно уменьшить, увеличивая S, но это приводит к увеличению I_п, что крайне нежелательно в автономной аппаратуре. Так как параметр U_зи ПТУП имеет значительный технологический разброс, то истоковый повторитель имеет непредсказуемое смещение по постоянному току - недостаток при использовании в схемах усилителей постоянного тока.

Известно также техническое решение, заключающееся в том, что вместо R_н используется источник тока [1]. В качестве источника тока могут использоваться как биполярные транзисторы (БТ), так и ПТУП. Постоянный ток истока стабилизирует напряжение U_зи, а это устраняет нелинейности.

Недостатки этих схем. При использовании БТ остается проблема ненулевого напряжения смещения от входа к выходу U_зи, что требует индивидуальной регулировки тока для каждого ПТУП в схеме, и даже при данном U_зи в рабочем диапазоне температур ток стока может меняться почти двукратно. При использовании ПТУП для нулевого смещения используются согласованные пары, что позволяет реализовать повторитель с нулевым смещением, а так как оба ПТУП находятся в одних и тех же температурных условиях, смещение остается почти нулевым при любой температуре. Однако значительной технологической сложностью является реализация пары ПТУП на одном кристалле, при этом возрастает стоимость, а введение двух дополнительных истоковых резисторов в каждом ПТУП усложняет при увеличении стоимости и интегральную реализацию.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является истоковый повторитель КА 1403 [2].

Основные параметры истокового повторителя приведены в таблице.

Напряжение питания 2,9-4,7В, сопротивление нагрузки (входное сопротивление следующего каскада) ≥ 10 кОм. Уровень входного сигнала U_вх(U_з) ≅ 200 мВ.

Схема содержит ПТУП и резистор R₁, сформированные в первом кармане, двухвыводной элемент смещения - БТ с отсоединенной базой (устанавливает напряжение смещения затвор - исток), сформированный во втором кармане, резистор R₁, являющийся частью резистора нагрузки (R_н=R₁+R₂), резистор R₂ (cформирован в третьем кармане), образующий делитель с элементом смещения и регулирующий ток через БТ. Для обеспечения U_зи, стремящегося к нулю, площадь кармана с БТ в 2-3 раза больше, чем у ПТУП. Резистор R₁выполнен в виде р-области, примыкающей к области истока. ПТУП содержит только верхний замкнутый затвор, нижний затвор - подложка соединен через резистор R₁ c истоком. Внутри верхнего затвора расположен сток. Во втором кармане сформирован элемент смещения - БТ с отсоединенной базой, причем коллектором служит подложка р-типа, базой - n-слой, а эмиттером - р-область. Резистор R₂ выполнен в виде р-области.

Недостатки схемы КА1403: низкий коэффициент передачи, К_п ≥0,35, малое значение входного сопротивления, R_вх ≥20 МОм, что приводит при работе с емкостным датчиком с R ≥ 1 ГОм (10⁹ Ом) к шунтированию сигнала, индуцированного на нем; низкий коэффициент передачи при минусовых температурах, К_п>0,28 (при Т=-40^оС).

Целью изобретения является улучшение основных параметров.

Цель достигается тем, что в истоковом повторителе, содержащем основной ПТУП, выполненный на полупроводниковой подложке первого типа проводимости, на поверхности которой сформирован слой второго типа проводимости, в котором с помощью изолирующей области первого типа проводимости выделена изолированная область, в которой сформированы области истока, стока и затвора, в соответствии с изобретением в изолированной области сформирован дополнительный транзистор, у которого область истока контактирует с одной стороны с изолирующей областью, с другой с областью затвора, стоком является область истока основного транзистора, а исток, затвор и изолирующая область имеют общий омический контакт.

Наиболее существенное отличие предлагаемого истокового повторителя заключается в том, что вместо резистора нагрузки используется полевой транзистор, что позволяет значительно увеличить коэффициент передачи, стабилизировать напряжение затвор - исток основного транзистора без применения БТ - элемента смещения, значительно снижающего входное сопротивление.

На фиг.1 изображен истоковый повторитель, в разрезе; на фиг.2 изображена топология истокового повторителя с замкнутым затвором основного транзистора и двумя контактами выхода схемы; на фиг.3 - электрическая принципиальная схема истокового повторителя.

Истоковый повторитель содержит подложку 1 первого типа проводимости, сформированный на ее поверхности эпитаксиальный слой 2, изолирующую область 3 первого типа проводимости, область 4 истока дополнительного транзистора второго типа проводимости, область 5 затвора дополнительного транзистора первого типа проводимости, область 6 стока (истока) - выход схемы - дополнительного транзистора (основного транзистора) второго типа проводимости, область 7 затвора основного транзистора первого типа проводимости, область 8 стока основного транзистора второго типа проводимости.

Топология изобретения имеет следующие особенности. Основной транзистор является однозатворным, а дополнительный - двухзатворным. У основного транзистора только верхний затвор, а у дополнительного верхний затвор и подложка (нижний затвор). Напряжение отсечки у обоих транзисторов разные. Следовательно, достаточно просто обеспечить термостатирование: у одного ПТУП напряжения отсечки менее 0,63В, а другого больше. В этом случае последовательно включены два транзистора с различными температурными коэффициентами (у одного он положительный, у другого отрицательный). Исток дополнительного транзистора контактирует с одной стороны с изолирующей областью, с другой с затвором. В этом случае уменьшается паразитное сопротивление истока R_п дополнительного транзистора, что улучшает все его основные параметры: увеличивается крутизна, выходное сопротивление и т.д.

Схема работает следующим образом.

На сток основного транзистора подается положительное смещение питания, на исток дополнительного транзистора - отрицательное смещение напряжения питания. На вход схемы подается переменный сигнал входного напряжения, с выхода схемы снимают преобразованный сигнал.

Для сравнения параметров микросхемы КА1403 и предлагаемого решения из формулы (4) определяют крутизну S = . (5) С учетом производственного запаса и падения напряжения на элементе смещения принимают К_п=0,5 (по ТУ К_п ≥0,35) и из выражения (5) получают S = 0,1 (мА/B) при эквивалентной нагрузке 10 кОм.

Пример конкретной реализации. Изготовленная по стандартному технологическому процессу схема (фиг.3) имеет следующие геометрические размеры: островная область n-типа (канал), выделенная в эпитаксиальном слое с помощью изолирующей области 3 р⁺-типа проводимости, 77,6х113,8 мкм², длина затвора 7 (с учетом боковой диффузии) L ≈3,6 мкм, размер области 4 истока 3 мкм, области стока 6 4,4 мкм, области 8 стока 4,4х3,8 мкм2, длина затвора 5 (с учетом боковой диффузии) L≈ 12 мкм. Отношение длины затвора к ширине у основного транзистора приблизительно в два раза превышает это же отношение у дополнительного транзистора.

В полученных схемах у основного транзистора следующие параметры: крутизна S=0,15-0,5 мА/В, начальный ток стока I_co=0,2-0,6 мА, напряжение отсечки U_отс1= 1-2 В, ток утечки затвора I_ут.з=5 ˙10^-11--5 ˙10^-12 А при U_зи=0,5 U_отс. Выходное сопротивление дополнительного транзистора 100-400 кОм, напряжение отсечки дополнительного транзистора U_отс2=0,3-0,9В. Коэффициент передачи схемы не хуже 0,8 для всех режимов работы. Так как нижний затвор (подложка) 1, канал 2 и затвор 7 основного транзистора образуют БТ с очень малым смещением эмиттер - база, то паразитный биполярный транзистор выполняет функцию элемента смещения, как в прототипе. Однако во всех случаях R_вх повторителя не хуже 500 МОм. В диапазоне температур от -30 до +70^оС коэффициент передачи не менее 0,8. Необходимо отметить, что при U_отс2<0,63В происходит температурная компенсация всей схемы.

По сравнению с прототипом предлагаемый истоковый повторитель имеет следующие преимущества: значительно увеличивается (более чем в два раза) коэффициент передачи (с 0,35 до 0,8), более чем на порядок возрастает входное сопротивление (с 20 до 500 МОм), в диапазоне температур и особенно при отрицательных температурах К_п возрастает в 2,5 раза (с 0,28 до 0,8).

Предлагаемая конструкция истокового повторителя позволяет интегрировать в одном кармане несколько элементов, чем повышается стабильность его работы.

Формула изобретения

ИСТОКОВЫЙ ПОВТОРИТЕЛЬ, содержащий основной полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, выполненный на полупроводниковой подложке первого типа проводимости, на поверхности которой сформирован слой второго типа проводимости, в котором с помощью изолирующей области первого типа проводимости выделена изолированная область, в которой сформированы области истока, стока и затвора, отличающийся тем, что в изолированной области сформирован дополнительный транзистор, у которого область истока контактирует с одной стороны с изолирующей областью, а с другой - с областью дополнительно затвора, стоком является область истока основного транзистора, а исток, затвор и изолирующая область имеют общий омический контакт.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4