МОП с датчиком обратного тока - первый опыт

nabbla1 — 04.08.2025 Когда мне эта идея в голову пришла на прошлой неделе - я постарался поскорее её "выбить из головы", изложив в уютном бложеке, ибо был уверен: в обозримом будущем проверить её мне не получится, для этого под боком нужен "маленький заводик полупроводниковых приборов".

Но тут вдруг осенило: а чего бы мне опять не замучить К176ЛП1, этот "универсальный логический элемент", он же "набор из 6 МОП-транзисторов". Ведь это не просто 6 изолированных друг от друга транзисторов - они сидят на едином кристалле размером около 1 мм × 1 мм, бок о бок, и тогда соседский транзистор вполне способен исполнить роль моего дополнительного "кармашка" для измерения тока!




И немедленно это дело проверил. Да, так оно и есть: пропуская 10 мА со стока на исток/подложку одного закрытого транзистора, я смог снять 0,04 мА с одного вывода (стока, видимо, дальнего транзистора), по 0,06 мА с двух других (истоки дальнего и более близкого) и 0,24 мА через pn-переход между основной подложкой и n-карманом для "верхних" транзисторов. Это даёт h₂₁=1/250..1/42 - нечто такое я и хотел! Поставив другую микросхему 176ЛП1, я на месте 0,04 мА увидел 0,07 мА, на месте 0,06 мА - 0,10..0,11 мА, а на месте 0,24 мА - 0,30 мА. Да, технологический разброс чуть выше, чем я хотел, впрочем, вот это 0,24-0,30 почти вписывается в мои предположения "плюс-минус 10%".

Ещё и случайно получил тиристорный эффект - ничего пока не сжёг, но НАКОНЕЦ-ТО ПОНЯЛ, откуда он вообще берётся! И даже источник радиации не потребовался...

Под катом детские рисунки, несколько осциллограмм и бонусная Марта.


Вот рисунок кристалла из даташита на импортный аналог К176ЛП1 - CD4007:



И их схема, где по возможности указаны "паразитные" pn-переходы:



Но и это не полная картина! Ведь на деле эти pn-переходы расположены достаточно близко, чтобы из них получались приборы посложнее - биполярные транзисторы и даже тиристоры! Вот совсем схематичный рисунок от меня, как оно всё устроено:



Сам кристалл представляет собой кремний p-типа. Непосредственно в нём сделаны n-канальные транзисторы (низ рисунка), каждый состоит из двух n-карманов, а сверху, над кристаллом, между ними образован оксид кремния (буква О в КМОП), поверх которого - металл (буква М в КМОП), образующий затвор.

Для p-канальных транзисторов сделан общий n-карман, а уже внутри него - кармашки p-типа, а дальше вы знаете.

При нормальной работе все эти "паразитные" pn-переходы должны быть закрыты, и тогда можно обо всём этом не задумываться, рисовать их все по отдельности.

Но мы решили подать 10 мА от стока p-канального транзистора на исток/подложку (у этого конкретного транзистора они соединены уже на кристалле). Из-за этого в n-карман начинают поступать дырки, которые являются для него неосновными носителями заряда. В итоге этот n-карман оказывается базой для хитрого многоколлекторного биполярного транзистора. Коллекторами выступают все p-карманы, сидящие внутри кармана, а заодно - и вся подложка! Стрелочками на рисунке выше показано распространение дырок - они эмитируются из стока, "растекаются" по n-карману, большей частью ровно там рекомбинируют, но некоторая их часть достигает p-карманов и p-подложки.

Эквивалентная схема паразитных элементов при таком включении примерно такова:



Тут мы учитываем, что все затворы мы притянули к плюсу питания, в результате чего все "верхние" транзисторы (их "нормальная" МОП-часть) закрыты, а "нижние" могут и открыться, если мы подадим на подложку напряжение сильно ниже.

Проще всего объяснить, что происходит, если мы подключим амперметр к входам 1,2,11: это будет чистокровный pnp-транзистор с очень маленьким коэффициентом передачи тока, около 1/250..1/170. Ровно это нам и надо: так мы можем фактически нахаляву, поставив подходящий резистор, получить напряжение неплохого размаху, пропорциональное току через "силовые выводы".

То же самое произойдёт, если мы заземлим основную подложку - на неё ответвится порядка 1/42 всего тока. Если взамен мы заземлим вход 8 (сток нижнего транзистора), то поначалу туда пойдёт тот же ток из подложки через паразитный pn-переход, но в итоге основная подложка получит нулевой потенциал, откроется МОП-транзистор и зашунтирует этот pn-переход.

Подобная история с выводом 12 - частично туда идёт ток через сток верхнего транзистора (поскольку этот сток - также p-карман внутри n-кармана), но львиная доля тока всё-таки приходит из основной подложки. А стоит только основной подложке приобрести низкий, околонулевой потенциал, откроется МОП-транзистор, поэтому выводы 9 и 12 соединятся между собой.

Самое весёлое происходит при попытке "заземлить" выводы 4 или 5. На первый взгляд, через них должны были бы пойти те же 240 мкА, что просто через подложку (вывод 7) или через выводы 9, 12. Но нет, ток подскакивает до 20..30 мА! Вот здесь уже получается ТИРИСТОР: у нас появляется ещё один открытый pn-переход, между основной подложкой и выводом 4/5 (т.е стоком/истоком транзистора). В результате в основную подложку поступают электроны, и они довольно хорошо захватываются n-карманом для "верхних" транзисторов, выступив в качестве коллектора. Мало того: выводы 4 и 5 оказываются соединены между собой открытым каналом МОП-транзистора, так что эмиссия электронов идёт и с одного, и с другого, да чуть ли и не с n-канала самого! Тут не могу сказать с уверенностью, но похоже, что у этого паразистора коэффициент передачи тока существенно выше, чем у всего остального, что мы здесь увидели, поскольку его оказывается достаточно, чтобы вызвать что-то вроде положительной обратной связи между двумя транзисторами и заставить ток возрасти эдак в сотню раз!

Обычно о тиристорном эффекте говорят в контексте тяжёлых заряженных частиц: совершенно нормальный КМОП-выход, словив её, может перейти в это самое ненормированное состояние, где плюс и минус питания "закорачиваются" между собой, и это самоподдерживающийся процесс - частица уже всё, но ток продолжает идти и может всё спалить, если только мы не обнаружим бросок тока и не отключим питание. При повторной подаче питания уже всё будет нормально.

Мы же, в результате своих "противоестественных действий" над этой несчастной микросхемой, добились тиристорного эффекта и без тяжёлой частицы. Я не понимаю до конца, почему подключение амперметра к выводам 9 или 12 не приводит к тому же самому, но сильно изучать этот вопрос пока не хочу - это немного отвлечение от основной идеи. (UPD. позже узнал: у меня выводы 8 и 9 "слиплись" между собой соплёй припоя, что не давало возникнуть тиристорному эффекту - все "нижние" pn-переходы закорачивались открытыми каналами)

Следующий опыт - запараллелить два верхних транзистора. Мы же "моделируем" (используя доступное железо) мощный транзистор, к которому мы прикрутили слаботочный выход измерения тока. Кстати, мощные МОП транзисторы на самом деле больше похожи на толпу мелких транзисториков, собранных на одном кристалле. Перефразируя капитана Кирка: я и не знал, что ДВА транзистора - это толпа. Но что делать...

Вот новая схема:



Нижние транзисторы и основную подложку (7) вообще трогать не будем, пусть она, приняв некоторое количество дырок с кармана, приобретёт потенциал даже выше, чем в n-кармане - так все наши МОП-транзисторы будут закрыты.

Коэффициент передачи ещё снизился - на этой конкретной микросхемке у меня было 70 мкА через сток и 100 мкА через исток при токе 10 мА, а теперь она же даёт 30 мкА через сток и 50 мкА через сток. Видимо, этот "измерительный" транзистор оказался с краю кристалла, поэтому от одного из двух транзисторов носители заряда до него ещё доходят, а от второго - практически нет. Увеличение тока вдвое, до 20 мА, увеличивает эти токи тоже вдвое, насколько хватает точности амперметра.

Ещё интересное наблюдение - я попробовал соединить между собой сток с истоком "измерительного" транзистора, думал, что 30 мкА и 50 мкА сложатся, дав суммарно 80 мкА. Ничего подобного - так 50 мкА и осталось. Т.е в сторону этого транзистора приходит 50 мкА неосновных носителей заряда - и больше просто не собрать, и неважно, будешь их грести одной горстью или двумя.

Но разве ж это исследование, одним только тестером? Надо осциллограф расчехлить! Свой любимый "генератор развёртки" (трансформатор 220-11 вольт с делителем из 3 резисторов по 1 кОм) подключил через резистор 1 кОм между стоками и истоками двух транзисторов, назначенных "силовыми". Сток и исток "измерительного" транзистора запаял между собой и через резистор 100 кОм подсоединил к минусу питания. Сюда же подсоединил вход Y осциллографа. Вот что вышло:



Как и положено, на 0,6 вольтах наш переход открывается, ток примерно равен (U_вх-0,6 В)/1 кОм, т.е линейно растёт с ростом входного напряжения. А мы снимаем напряжение с "измерительного выхода", притом "выделенное" на резисторе 100 кОм. И при напряжении 3,6 вольт (токе 3 мА) мы получаем 1 вольт.

Немного добавим тока, параллельно резистору 1 кОм поставив ещё один:



При 2,8 вольтах ток примерно (2,8 В - 0,6 В) / 500 Ом = 4,4 мА, что даёт на выходе напряжение 1,5 вольта. Да, похоже на правду.

Линейность вполне себе обеспечивается - она зачастую нарушается в транзисторах с большим h_21э, но здесь, когда коэффициент сильно меньше единицы - он должен держаться как вкопанный, и пока мы наблюдаем ровно это.

А что там с разбросом? Вытащил из панельки одну ЛП1 и поставил другую:






Всё плохо: разброс где-то вдвое. Возможно, если удачно выбрать, какие 2 из 3 транзисторов использовать в качестве "силовых", разброс будет и поменьше. Ну и в целом, если всё-таки будет когда-то делаться специализированный транзистор, где этот "паразитный" h_21э - "контролируемый параметр" - наверняка разброс можно существенно уменьшить.

И ещё давайте попробуем то же самое проверить для "нижних" транзисторов: через два из них пропускаем ток, миллиамперы, а к третьему подключаем резистор 100 кОм и пытаемся на нём выделить напряжение, пропорциональное току:









Да, тоже работает, но коэффициент передачи ещё ниже раза в два. Очередное подтверждение, что n-канальные и p-канальные транзисторы не могут быть полностью комплиментарными, это "схемотехнический миф"! Ну разные штуки электроны и дырки, поэтому по какому-то одному параметру можно эти транзисторы "выровнять", но тогда по другим они обязательно "расползутся". Но это также не страшно, более низкий коэффициент передачи тока, который тут, для "силовых приложений" даже предпочтительнее.

Предварительные итоги по этой теме: работает примерно так, как я и ожидал, т.е базовая идея верна. Такие транзисторы зачастую и специально делать не надо - не заизолируешь силовой транзистор от остального кристалла - оно "само собой получится"!

Теперь надо будет попробовать на этой основе сделать "игрушечный преобразователь" (на миллиамперы-десятки миллиампер тока), где по показаниям этих "датчиков обратного тока" будет регулироваться ток и подбираться скважность синхронного выпрямителя. И получить прототип "трёхвыводного преобразователя". Но это не сейчас - у меня "долги" накопились, нужно много чего доделывать.

А пока бонусная Марта.

Увидела мотылька. Один раз очень ловко его поймала. На фото - наблюдает.

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив