В настоящий момент к харвестерам энергии проявляется повышенный интерес, так как они являются чрезвычайно перспективными для питания приложений Интернета Вещей (IoT). В качестве примера можно привести гибкую ткань, способную преобразовывать тепло человеческого тела в электрическую энергию. Исследователи из Китая и Австралии утверждают, что при воздействии разности температур этот материал генерирует напряжение в диапазоне милливольт. Результаты своего исследования они подробно описали в статье «Thermoelectric Fabrics: Toward Power Generating Clothing» в журнале Scientific Reports.
Однако в шумихе, которую поднимают вокруг подобных исследований, обычно забывают о проблемах, возникающих при работе со столь низкими напряжениями и малыми объемами собираемой энергии. Трудность работы с харвестерами энергии, такими как упомянутая выше ткань, заключается в том, что генерируемые напряжения близки к пороговому напряжению обычных транзисторов. Достаточно сложно управлять собранной энергией при таких низких напряжениях.
Следовательно, существует потребность в полупроводниковых устройствах, способных работать со сверхнизкими напряжениями и малыми уровнями энергии. Одним из решений данной задачи могут стать сборки P-канальных MOSFET с нулевым пороговым напряжением. Например, микросхемы ALD310700A/ ALD310700 предназначены для работы с низковольтными сигналами (Рис. 1). Основными приложениями для этих сборок становятся проекты, в которых рабочие напряжения оказываются меньше, чем 0.5 В. Ключевыми преимуществами ALD310700A/ ALD310700 являются: минимальное рабочее напряжение менее 0.2 В, минимальный рабочий ток менее 1 нА, а также согласованные и предсказуемые температурные характеристики.
 |
|
| Рис. 1. | Прецизионные P-канальные MOSFET-сборки ALD310700A/ ALD310700 имеют четыре транзистора в одном корпусе. |
MOSFET с нулевым пороговым напряжением являются представителями семейства электрически программируемых аналоговых MOSFET EPAD (Electrically Programmable Analog Device). Использование технологии EPAD позволяет не только выполнять переключения при низких напряжениях, но и сохранять высокое быстродействие и низкие токи утечки на уровне обычных MOSFET.
В новых транзисторах даже при нулевом напряжении затвор-исток VGS = 0.0 В ток стока составляет IDS = 1 мкА при напряжении сток-исток VDS = 0.1 В. С технической точки зрения MOSFET с нулевым пороговым напряжением отличаются улучшенными характеристиками при работе с напряжениями вблизи 0.0 В и токами более 1 мкА. Однако их также можно использовать как обычные МОП-транзисторы, так как они проводят ток и ведут себя как постоянный резистор, даже когда напряжение затвора составляет 0.0 В. Управляющее напряжение на затворе способно регулировать ток стока даже в отрицательном диапазоне, вплоть до –0.4 В, после чего транзистор полностью выключается.
MOSFET с нулевым пороговым напряжением снимают необходимость в использовании схем сдвига уровня, в цепях управления, в которых сигнал формируется относительно земли или напряжения питания V+. Это позволяет значительно снизить смещение выходных сигналов относительно входных и расширить их диапазон, что особенно важно в условиях работы с низкими напряжениями (Рис. 2). При использовании транзисторов с нулевым пороговым напряжением удается создавать многокаскадные аналоговые схемы с чрезвычайно низким напряжением питания.
 |
|
| Рис. 2. | Вид стоко-затворных характеристик ALD310700A/ ALD310700 поясняет, как новые транзисторы могут помочь в создании низковольтных схем, использующих источники питания с напряжениями менее +0.5 В. |
Технология EPAD, которая используется в MOSFET с нулевым пороговым напряжением, позволяет создавать транзисторы с прецизионными значениями порогового напряжения и сопротивления канала в открытом состоянии. Этого удается достичь с помощью электрического программирования. После программирования заданные параметры сохраняются даже при выключении питания.
Таким образом, EPAD MOSFET – это высокоточный и высокостабильный MOSFET, который характеризуется особым видом вольт-амперных характеристик. Изначально, EPAD-устройства в сочетании с внешним фиксированным резистором применялись в качестве альтернативы для подстроечных резисторов, однако сейчас для них появилось много других приложений.
Так как сборки транзисторов EPAD MOSFET выполняются по технологии КМОП, они имеют некоторые общие ограничения, характерные для всех КМОП-микросхем. Например, максимальный уровень напряжения для них составляет 10 В. Они также чувствительны к электростатическим разрядам.
Основные особенности при работе с низкими напряжениями
Низковольтные системы, которые работают с напряжениями питания менее 5 В, как правило, требуют MOSFET с пороговыми напряжениями 1 В или даже ниже. Пороговое напряжение или напряжение включения MOSFET – это напряжение, ниже которого проводящий канал транзистора быстро отключается. Для аналоговых схем пороговое напряжение напрямую влияет на диапазон рабочих сигналов и уровни токов смещения.
Пороговое напряжение затвора VGS(th) у транзисторов, входящих в сборки ALD310700A/ ALD310700 устанавливается на уровне 0.00 ±0.02 В и имеет напряжение смещения всего лишь ±0.001 В (1 мВ). Поскольку транзисторы в данной сборке находятся на одной и той же подложке, то они демонстрируют превосходное согласование температурных характеристик.
При напряжениях равных или меньших, чем пороговое напряжение, уровень рабочего тока экспоненциально зависит от напряжения смещения на затворе. Таким образом, MOSFET с нулевым пороговым напряжением способны работать в предпороговой области с токами смещения в диапазоне наноампер и мощностью потерь в диапазоне нановатт. Эти качества делают их отличным выбором для широкого спектра прецизионных аналоговых приложений, таких, например, как токовые зеркала и дифференциальные усилители (Рис. 3).
 |
|
| Рис. 3. | Приложения для MOSFET-транзисторов с нулевым пороговым напряжением. |
При напряжениях меньше порогового проводящий канал в EPAD MOSFET быстро отключается. Однако это происходит не скачком. Снижение тока идет в соответствии со снижением напряжения на затворе с фиксированной скоростью приблизительно 116 мВ на декаду. Таким образом, если пороговое напряжение равно +0.20 В, а ток стока составлял 1 мкА при VGS = +0.20 В, то при снижении напряжения затвор-сток до VGS = +0.09 В ток стока уменьшится до 0.1 мкА. Экстраполируя эти данные, получим, что ток стока достигнет 0.01 мкА (10 нА) при VGS = –0.03 В, 1 нА при VGS = –0.14 В и т. д. Эта предпороговая характеристика распространяется вплоть до токов менее 1 нА и заканчивается при достижении уровня токов утечки. Задаваясь «нулевым током», пользователь может оценить соответствующее значение напряжения затвор-сток. Обратите внимание, что, используя приведенный выше пример, с пороговым напряжением VGS(th) = +0.20 В, ток стока будет равен примерно 20 нА даже тогда, когда напряжение на затворе станет равным 0 В.
Как известно, мощность, рассеиваемая на нагрузочном резисторе, уменьшается пропорционально квадрату напряжения питания. Поэтому снижение напряжения питания является одним из основных способов сокращения энергопотребления. Однако расплатой за уменьшение напряжения питания и снижение потребления становится ухудшение частотных характеристик, сужение полосы пропускания и увеличение негативного влияния шумов и помех. Поэтому разработчики вынуждены искать компромиссные решения при создании электронных схем.
Еще одно важное преимущество сборок EPAD MOSFET заключается в высокой согласованности их температурных характеристик. В общем случае в паре транзисторов EPAD MOSFET температурные изменения характеристик одного транзистора (например, тока утечки, тока стока и т.д.) частично компенсируют аналогичные изменения во втором транзисторе. Температурная стабильность может быть дополнительно улучшена за счет смещения транзисторов в точку с нулевым температурным дрейфом, однако это потребует дополнительных усилий при построении схемы и приведет к повышенному уровню потребления.
Посмотреть технические характеристики EPAD MOSFET-транзисторов
