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 МОП-транзистора 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 зону (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 истощение -режимные устройства имеют отрицательные пороги; для полевого транзистора P-типа режим улучшения имеет отрицательное значение, а режим истощения имеет положительное значение.
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.
В некоторых источниках «тип истощения» и «тип улучшения» для типов устройств, описанных в этой статье, называются «режим истощения» и «режим улучшения», и 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.
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 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 1971 года использовалась логика PMOS с кремниевым затвором с улучшенной нагрузкой , а в Zilog Z80 1976 года использовалась NMOS с кремниевым затвором с истощающей нагрузкой.
Первый MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), продемонстрированный египетским инженером Мохамедом М. Аталлой и корейским инженером Давоном Кангом в Bell Labs в 1960 году, представлял собой кремниевый полупроводниковый прибор улучшенного режима . [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 компании Westinghouse Electric изготовили тонкопленочные МОП-транзисторы (TFT) с режимом улучшения и обеднения на арсениде индия (InAs). [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]