Принцип работы асинхронного двигателя Проектирование интегральных микросхем Электронные усилители Принципы построения генераторов Транзисторы с контактными переходами Шоттки Проектирование полевых структур


Практические возможности интегральной технологии

Физика полупроводников - область фундаментальной и прикладной науки и техники, включающая экспериментальные и теоретические исследования физических свойств полупроводниковых материалов и композитных структур на их основе (включая гетероструктуры, МОП структуры и барьеры Шоттки), а также происходящих в них физических явлений, разработку и исследование технологических процессов получения полупроводниковых материалов и композитных структур на их основе, создание оригинальных полупроводниковых приборов и интегральных устройств.

Мультивибраторы и одновибраторы

Мультивибраторы

  Для получения прямоугольных импульсов широко используют устройства, называемые релаксационными генераторами (релаксаторами). Релаксаторы, как и триггеры, относятся к классу спусковых устройств и основаны на применении усилителей с положительной обратной связью или электронных приборов с отрицательным сопротивлением, например, туннельных диодов или транзисторов.

 В отличие от триггеров, обладающих двумя состояниями устойчивого равновесия, релаксаторы имеют не более одного состояния. Кроме того, они имеют состояния квазиравновесия, характеризуемые сравнительно медленными изменениями токов и напряжений, приводящими к некоторому критическому состоянию, при котором создаются условия для скачкообразного перехода релаксатора из одного состояния в другое.

 Релаксаторы могут быть в одном из трех режимов:

автоколебаний;

ждущем;

синхронизации.

На практике чаще применяют устройства, основанные на использовании первых двух режимов.

  В режиме автоколебаний в релаксаторе нет состояния устойчивого равновесия, имеется только два состояния квазиравновесия. Релаксатор переходит из одного состояния квазиравновесия в другое без внешних воздействий, генерируя импульсы, параметры которых зависят от параметров релаксатора. Такой релаксатор называется мультивибратором.

  В ждущем режиме релаксатор имеет состояние устойчивого равновесия и состояние квазиравновесия. Переход из первого состояния во второе происходит под воздействием внешнего запускающего импульса, а обратный переход самопроизвольно по истечении некоторого времени, определяемого параметрами устройства. Таким образом, в ждущем режиме релаксатор генерирует один импульс с определенными параметрами при воздействии запускающего импульса. Отсюда и название устройства одновибратор.

 В режиме синхронизации частота повторения импульсов релаксатора определяется частотой внешнего синхронизирующего напряжения. Релаксатор имеет два чередующихся состояния квазиравновесия, а время пребывания в этих состояниях зависит не только от параметров релаксатора, но также от периода синхронизирующего напряжения. Если синхронизирующее напряжение снять, устанавливается режим автоколебаний.

 Схемы мультивибраторов разнообразны и по элементной базе и по способам построения. Рассмотрим мультивибраторы на операционных усилителях. На рисунке 26.1а приведена схема мультивибратора, выполненного на  основе инвертирующего тригера Шмитта, в котором

отрицательная обратная связь осуществляется через фильтр нижних частот в виде цепи.

 


 Рис. 26.1

Допустим, что выходное напряжение мультивибратора равно . Тогда напряжение на инвертирующем входе (равное напряжению  на конденсаторе) отрицательно, а на прямом входе положительно и равно

  (26.1)

Напряжение на конденсаторе  возрастает, так как конденсатор начинает перезаряжаться через резистор R, и стремится к  (рис. 26.1б). Когда  достигает уровня  выключения триггера Шмитта, напряжение  скачком изменяется до . Так как , то конденсатор  начинает перезаряжаться  до   и обратное переключение происходит при , Затем процесс периодически повторяется.

Можно показать, что длительность импульса мультивибратора

 , (26.2)

а период

 . (26.3)

При  

 .

Одновибратор

 Схема одновибратора, приведенная на рисунке 26.2а, отличается от схемы мультивибратора наличием прямого входа через конденсатор  и диода , включенного параллельно конденсатору С. Допустим, что выходное напряжение одновибратора равно  (рис. 26.2б). Тогда на инверсном входе (на конденсаторе С) напряжение  равно прямому напряжению открытого диода Д и близко к нулю. На прямом входе напряжение отрицательно и равно

 


Рис. 26.2

 . (26.4)

Если на прямой вход поступает короткий входной положительный импульс напряжения, амплитуда которого не менее  то триггер Шмитта скачком переходит в противоположное состояние и . Тогда u+ =  и конденсатор С начинает заряжаться через резистор , при этом напряжение на нем, равное , стремится к  по экспоненте. При  происходит обратное переключение триггрера Шмитта, а конденсатор С начинает перезаряжаться от uвыкл до . Однако, когда напряжение на конденсаторе   становится примерно равным нулю, открывается диод  и дальнейшего изменения  не происходит. Таким образом, одновибратор возвращается в исходное состояние после появления на выходе одиночного прямоугольного импульса uвых(t) (рис. 26.2б).

 Длительность импульса одновибратора

  . (26.5)

и не зависит от длительности входного импульса, если она меньше .

  Время восстановления одновибратора

 . (26.6)

Через время  одновибратор готов к приему следующего импульс. Мультивибраторы и одновибраторы могут быть выполнены на логических элементах.

 


 Рис. 26.3 Рис. 26.4

  На рисунке 26.3 приведена схема одновибратора на элементах ИЛИ НЕ. Вход элемента соединен через резистор  с источником э.д.с. , несколько превышающем по уровню логическую «1». Таким образом, при uвх = 0 на выходе элемента  действует сигнал «0» . Следовательно, на обоих входах элемента  «0» и на его выходе «1».

Если  примерно равно уровню «1», то конденсатор разряжен (). При воздействии на вход элемента  импульса с амплитудой, превышающей уровень «1», на выходе элемента напряжение изменяется до уровня «0». Этот перепад напряжения через конденсатор  (на котором напряжение не может изменяться скачком) передается на вход элемента  и на его выходе появляется «1».

В этом состоянии одновибратор остается до тех пор, пока конденсатор   не зарядится до напряжения, соответствующего уровню «1», от источника  через резистор  и малое выходное сопротивление элемента . Тогда одновибратор вернется в исходное состояние. Длительность импульса одновибратора

 tu =  , (26.7)

где  уровень логической единицы; Uпор пороговый уровень логического элемента. По окончании выходного импульса конденсатор   разряжается через резистор . Для уменьшения времени восстановления включен диод , который открывается на время разрядки конденсатора .

  На рисунке 26.4 приведена схема мультивибратора на логических элементах ИЛИНЕ  или ИНЕ с объединенными входами. Схема отличается от схемы (рис. 26.3) включением конденсатора С в цепь обратной связи с выхода элемента   на вход элемента  и добавлением цепи на входе элемента . Состояние квазиравновесия («1» на выходе одного элемента  и «0» на выходе другого) удерживается в течение времени, требуемого для перезарядки конденсатора  (или) до уровня, соответствующего порогу срабатывания элемента  (или). После этого состояния логических элементов изменяются на противоположные и процессы повторяются. На выходах 1 и 2 мультивибратор генерирует прямоугольные импульсы противоположных полярностей.

  Если , , то импульсы симметричны и мультивибратор называют симметричным. Частота повторения импульсов:

 . (26.8)

 Мультивибраторы и одновибраторы на логических элементах позволяют получить импульсы с малой длительностью фронта и среза. Однако температурная стабильность и диапазон регулирования длительности импульсов у них ниже, чем в схемах на операционных усилителях.

 Как отмечалось, мультивибраторы применяют в качестве генераторов импульсов прямоугольной формы. Одновибраторы используют для различных целей. Одна из типовых функций одновибратора расширение импульсов реализуется благодаря тому, что длительность импульса одновибратора определяется параметрами схемы и не зависит от длительности запускающего импульса. Другая важная функция одновибратора задержка сигнала на заданное время. На этом принципе реализуют реле времени устройство, предназначенное для выдачи сигнала спустя заданное время после входной команды.

 Контрольные вопросы:

Какую функцию выполняют релаксационные генераторы ?

Объясните режим работы релаксационных генераторов.

Объясните принцип работы мультивибраторов, основанных на логических элементах

Объясните работу мультивибратора, основанных на операционных усилителях

Объясните схему мультивибратора

Остановитесь на особенностях одновибратора, основанных на логических элементах.

7. Объясните принцип работы одновибратора, основанного на логических элементах ИЛИНЕ.

Цифро – аналоговые и аналого – цифровые преобразователи Обычно датчики температуры, давления и других физических величин создают напряжение в аналоговой форме, пропорциональное физической величине или отклонениям физической величины от некоторого установленного уровня.

Компараторы и триггеры Шмитта

 Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления сигналов, медленно изменяющихся во времени, т.е. сигналов, эквивалентная частота которых приближается к нулю. Поэтому УПТ должны обладать амплитудночастотной характеристикой.

К проектированию конструкции требования на свойства транзистора как переключателя тока могут быть заданы в виде нормы сопротивления или остаточного напряжения при заданном токе. Если требования сформулированы, то по результату проектирования топологии следует производить расчет сопротивления и, с учетом значения Usce, выполнять проверку удовлетворения требований. Если транзистор, спроектированный по заданному току, не удовлетворяет требованиям по межэлектродному сопротивлению, то должны быть приняты технические решения по снижению сопротивления. Способами снижения сопротивления являются:

корректировка топологии;

корректировка структуры.

Первый способ предпочтителен, если его применение в результате обеспечит получение необходимого решения. Корректировка топологии предварительно осуществляется путем увеличения ширины эмиттера и связанных с ним размеров. Если приемлемое увеличение ширины не позволяет удовлетворить требования, то корректируют состав и форму электродов топологии. Многоэлектродные конструкции позволяют образовать параллельные каналы для протекания токов и тем самым эффективно снизить межэлектродные сопротивления.

Корректировка структуры предполагает изменение толщины слоев и концентраций примесей в них. Для коллекторного слоя в планарно-эпитаксиальных структурах БПТ применяют «скрытый» легированный слой с пониженным поверхностным сопротивлением (см. рис. 2.13 — 2.15). Суммарное поверхностное сопротивление коллекторного слоя для участков 3, 4, 7 (см. рис. 2.25) определяется параллельным соединением поверхностных сопротивлений «скрытого» и собственно коллекторного слоя. Изменение структуры позволяет не только снизить сопротивление слоя, но изменяет электрическую прочность, удельную емкость изоляции и связанные с ними параметры, что следует учитывать при корректировке структуры.

 Своеобразной платой за уменьшение сопротивлений является увеличение габаритов БПТ, паразитных емкостей, снижение быстродействия и, возможно, коэффициента передачи.

 

Зависимость коэффициента передачи от топологии

Полный ток эмиттера транзистора определяется по формуле:

 Ie=Io×Se1+ Io×Se2,  (2.73)

где Se1, Se2 — соответственно площади донной и боковой поверхности эмиттера, определяемые по формулам

 Se1 = (Le–2×Xeb)×(Be–2×Xeb), (2.74)

 Se2 = π×Xeb×(Le+Be – 2×Xeb). (2.75)

Размеры и форма эмиттера выбираются таким образом, чтобы обеспечить постоянство плотности Io тока по донной площади эмиттера. Для структуры БПТ с эпитаксиальным слоем базы плотность тока и коэффициент инжекции γ полагается постоянным и по боковой поверхности эмиттера. В этом исполнении допустимо полагать, что потери носителей по инжекции не зависят от формы и размеров эмиттера и определяются изменениями коэффициента переноса носителей в базе. Для носителей, инжектированных через донную поверхность эмиттера, область рекомбинации минимальна. Носители, инжектированные через боковую поверхность эмиттера, попадают в расширенную область базы (см. рис. 2.26), причем ширина этой области зависит от профиля боковой поверхности и эмиттера, и базы. Потери переноса в базе будут состоять из потерь по основанию и потерь по боковой поверхности. Суммарный ток потерь на рекомбинацию носителей в базе Ir оценивается по выражению

  Ir = Ir p + Ir s, (2.76)

где

 Ir p =Io× Se1× (Wbn)2 / [2 × Lnb2] — (2.77)


ток рекомбинации под донной областью эмиттера и

 Ir s = Io×Se2× (Wbns)2 / [2 × Lnb2] — (2.78)

ток рекомбинации со стороны боковой поверхности эмиттера. Усредненная ширина базовой области Wbns может быть оценена по выражению вида

 Wbns ≈ (0.5×Xeb+Wbn)×√2. (2.79)

 Для структуры БПТ с диффузионным слоем базы плотность тока Io по донной поверхности эмиттера выше, чем по боковой, по причине меньшей концентрации примесей в глубине слоя и, как следствие, более низкого контактного барьера. В этом исполнении доля вносимых потерь переноса носителей по боковой поверхности сокращается в сравнении с оцениваемой по соотношению (2.76). Для оценки влияния топологии на коэффициент передачи здесь в формулах (2.73) — (2.76) следует площадь Se2 заменить на эффективное значение, определяемое по формуле

 Se2 = 0.5×π×Xeb×(Le+Be – 3.8×Xeb), (2.80)

а Wbns определять по формуле

 Wbns ≈ (0.3×Xeb+Wbn)×√2. (2.81)

Коэффициент передачи тока эмиттера α с учетом соотношений (2.73) — (2.81), (2.39) определяется по выражению

α ≈ (1– ∆γ– Ir/Ie)

и по формуле (2.42) — коэффициент передачи тока базы В.

Представленные соотношения характеризуют одноэмиттерную топологию, однако распространяются и на многоэмиттерные конфигурации. Результаты анализа влияния топологии на коэффициент передачи тока в БПТ иллюстрируют в целом очевидное снижение коэффициента передачи. Для ослабления негативного влияния топологии необходимо уменьшать удельный вес площади боковой поверхности в общей площади эмиттера. Основными способами достижения этого результата являются уменьшение толщины слоя эмиттера и уменьшение периметра при неизменной площади донной части. Снижению влияния топологии способствует повышение степени легирования поверхностных слоев базы, однако этот вариант ослабления влияния связан со снижением рабочих напряжений, увеличением барьерных емкостей пассивных областей эмиттерно-базового и коллекторно-базового переходов и не может быть рекомендован.

В составе многоэтапной теоретической подготовки специа-листов важное место отводится конструкторской подготовке, опирающейся на знания микросхемотехники проектируемых ИМС и возможности технологических процессов их производст-ва. Конструктор ИМС должен решать совокупность задач проектирования в пространстве ограничений: "параметры назначения микроэлектронных приборов и ИМС в целом - ограничения технологии - ограничения условий эксплуатации".
Полевые элементы устройств хранения информации