В полевых транзисторах (FET) режим обеднения и режим обогащения являются двумя основными типами транзисторов, которые соответствуют тому, находится ли транзистор во включенном или выключенном состоянии при нулевом напряжении затвор-исток.
МОП-транзисторы в режиме обогащения (МОП-транзисторы металл-оксид-полупроводник) являются распространенными коммутационными элементами в большинстве интегральных схем. Эти устройства выключены при нулевом напряжении затвор-исток. NMOS можно включить, подтянув напряжение затвора выше напряжения источника, PMOS можно включить, подтянув напряжение затвора ниже напряжения источника. В большинстве схем это означает, что подтягивание напряжения затвора МОП-транзистора в режиме обогащения к его напряжению стока включает его.
В режиме обеднения MOSFET устройство обычно включено при нулевом напряжении затвор-исток. Такие устройства используются в качестве нагрузочных «резисторов» в логических схемах (например, в логике обеднения-нагрузки NMOS). Для устройств обеднения-нагрузки N-типа пороговое напряжение может быть около −3 В, поэтому его можно отключить, подтянув затвор на 3 В к отрицательному значению (сток, для сравнения, более положителен, чем исток в NMOS). В PMOS полярности меняются местами.
Режим можно определить по знаку порогового напряжения (напряжение затвора относительно напряжения источника в точке, где в канале только формируется инверсионный слой): для полевого транзистора N-типа приборы, работающие в режиме обогащения, имеют положительные пороги, а приборы, работающие в режиме обеднения, — отрицательные; для полевого транзистора P-типа приборы, работающие в режиме обогащения, имеют отрицательные пороги, а приборы, работающие в режиме обеднения, — положительные.
JFET- транзисторы с переходом (Junction field-effect transistors ) являются транзисторами с обеднением, поскольку затворный переход будет смещаться вперед, если затвор будет смещен немного от источника к стоку. Такие устройства используются в арсенид-галлиевых и германиевых чипах, где трудно сделать оксидный изолятор.
Некоторые источники называют «тип истощения» и «тип улучшения» для типов устройств, описанных в этой статье как «режим истощения» и «режим улучшения», и применяют термин «режим» для направления, в котором напряжение затвор-исток отличается от нуля. [1] Перемещение напряжения затвора к напряжению стока «усиливает» проводимость в канале, поэтому это определяет режим улучшения, в то время как перемещение затвора от стока истощает канал, поэтому это определяет режим истощения.
Логика NMOS с обеднением относится к семейству логики, которое стало доминирующим в кремниевых СБИС во второй половине 1970-х годов; процесс поддерживал как транзисторы режима обогащения, так и транзисторы режима обеднения, и типичные логические схемы использовали устройства режима обогащения в качестве понижающих переключателей и устройства режима обеднения в качестве нагрузок или подтягивающих усилителей. Семейства логики, созданные в старых процессах, которые не поддерживали транзисторы режима обеднения, ретроспективно назывались логикой обогащения с нагрузкой или логикой насыщенной нагрузки , поскольку транзисторы режима обогащения обычно были подключены затвором к источнику питания V DD и работали в области насыщения (иногда затворы смещены на более высокое напряжение V GG и работали в линейной области для лучшего продукта задержки мощности (PDP), но тогда нагрузки занимают большую площадь). [2] В качестве альтернативы, вместо статических логических вентилей, динамическая логика, такая как четырехфазная логика, иногда использовалась в процессах, которые не имели доступных транзисторов режима обеднения.
Например, в процессоре Intel 4004 1971 года использовалась PMOS-логика с кремниевым затвором и обогащением нагрузки , а в процессоре Zilog Z80 1976 года использовалась NMOS-логика с кремниевым затвором и обеднением нагрузки.
Первоначальные два типа логических вентилей MOSFET, PMOS и NMOS, были разработаны Фрошем и Дериком в 1957 году в Bell Labs. [3] В 1963 году MOSFET-транзисторы как с обеднением, так и с обогащением были описаны Стивом Р. Хофштейном и Фредом П. Хейманом в RCA Laboratories . [4] В 1966 году Т. П. Броди и Х. Э. Куниг в Westinghouse Electric изготовили тонкопленочные транзисторы (TFT) на основе арсенида индия (InAs) с обогащением и обеднением . [5] [6] В 2022 году группа ученых из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре сообщила о первом двухрежимном органическом транзисторе, который ведет себя как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения. [7]