Биполярный транзистор

Работа биполярного тран­зистора обусловлена движением основных носителей заряда обоих зна­ков: отрицательных (электроны) и положительных (дырки). Транзистор имеет два р-n-перехода и три вывода: база — управляющий электрод, эмиттер — электрод, из которого вытекают основные носители заряда, и коллектор — электрод, в который втекают основные носители заря­да.

Чтобы изготовить транзистор прямой проводимости (р-п-р) берут пластину Si n-типа и методом диффузии создают на ее противополож­ных сторонах области типа р, соответствующие эмиттеру и коллекто­ру (рис. 1.12.1).

Для подключения выводов поверхности базы, эмитте­ра и коллектора металлизируют. Аналогично изготавливают транзистор обратной проводимости типа п-р-п. Структура транзисторов прямой и обратной проводимости изображена на рис. 1.12.2.

Схема включения транзистора типа р-п-р с общим эмиттером приве­дена на рис. 1.12.3. На коллектор подают отрицательный потенциал от­носительно эмиттера, р-п-переход база-эмиттер открыт, а р-п-переход база-коллектор закрыт, ток через нагрузку мал (/к = 0).

При подаче на базу отрицательного потенциала дырки из эмиттера переходят в базу, ко­торая имеет небольшую толщину и невысокую концентрацию электронов.

Н ебольшая часть дырок рекомбинирует с электронами базы, а остальные оказываются вблизи р-п-перехода база-коллектор. Сопротивление этого р-п-перехода падает, коллекторный ток растет. При периодическом из­менении потенциала базы происходят соответствующие изменения тока коллектора и напряжения на нагрузке.

Параметры цепи подбирают так, чтобы амплитуда колебаний выходного напряжения в десятки раз превы­шала амплитуду входного. Транзистор типа п-р-п работает аналогично, при его включении следует поменять полярность источников Е\ и Е2.

Вентили

Первые транзисторы были изготовлены на основе германия. В настоящее время их изготавливают в основном из кремния и арсенида галлия.

Т ранзистор состоит из трех различным образом легированных полупроводниковых зон: эмиттера Э, базы Б и коллектора К. К каждой из этих зон подведены проводящие контакты, имеющие соответствующее обозначениее: Э,К,Б.

В ся современная цифровая логика основывается на том, что транзистор может работать как очень быстрый двухпозиционный переключатель, который может находится в двух состояниях: включено – отключено. Аналогично электрической кнопке, при этом нажатием такой «кнопки» можно управлять, подавая определенное напряжение на базу транзистора.

Цифровая схема — это электронная схема, в которой различным диапазонам напряжения на электрических контактах элементов этой схемы ставятся в соответствие два логических значения.

Обычно напряжению

• от 0 до 1в ставится в соответствие значение «ложь» (или 0),

• а напряжение от 2 до 5 В — значение «истина» (или 1).

Напряжение за пределами указан­ных величин недопустимо.

На рис.1.3.а) изображен транзистор, встроенный в простую схему. Транзистор имеет три соединения с внешним миром через свои выводы коллектор, базу и эмиттер.

Если входное напряжение Vвх ниже определенного критического значения (меньше 1в), тран­зистор выключается и действует как очень большое сопротивление. Это приводит к выходному сигналу Vвых близкому к Vпит (напряжению, подаваемому извне), — для данного типа транзистора это обычно +5 В. Если Vвх превышает критическое значение (больше 2в), транзистор включается и действует как проводник, вызы­вая заземление сигнала Увых (по соглашению — это 0В).

При этом если напряжение Vвх низкое, то Увых высокое, и наоборот. Таким образом эта схема, является инвертором, превращающим логический ноль в логическую 1 и логическую 1 в логический 0.

Резистор (R) нужен для ограничения тока, проходящего через транзистор, чтобы транзистор не сго­рел. На переключение из одного состояния в другое обычно требуется несколько наносекунд.

На рис, 1.3.б) два транзистора соединены последовательно. Если и напряже­ние V1, и напряжение V2 высокое, то оба транзистора становятся проводниками и снижают Увых.

Если одно из входных напряжений низкое, то соответствующий транзистор закрывается (выключается) и напряжение на выходе становится высоким. Другими словами, напряжение Увых является низким тогда и только тогда, когда и напря­жение V1, и напряжение V2 высокое.

На рис. 1 .3в) два транзистора соединены параллельно. Если один из входных сигналов (V1, V2) высокий, включается соответствующий транзистор и снижает выход­ной сигнал. Если оба напряжения на входе низкие, то выходное напряжение ста­новится высоким.

Электронные устройства, которые позволяют получать различные логические функции от этих двузначных сигналов назы­ваются логическими вентилями. или просто вентилями.

Вентили лежат в основе аппаратного обеспечения, на котором строят­ся все цифровые компьютеры.

Э ти три схемы образуют три простейших вентиля. Они называются вентиля­ми НЕ, НЕ-И и НЕ-ИЛИ соответственно. Вентили НЕ часто называют инверторами. Мы будем использовать оба термина. Если мы примем соглашение, что высокое напряжение (Vпит  5в) - логическая 1, а низкое напряжение (земля  5в) — логический 0, то мы сможем выражать значение на выходе как функцию от входных значений.

Значки, которые используются для изображения этих трех типов вентилей, показаны на рис. 1.4., а-с. Там же показаны режимы работы функции (таблицы соответствия) для каждой схемы. На этих рисунках А и В — входные сигналы, X - выходной сигнал.

Каждая строка таблицы определяет комбинацию входных сигналов и соответствующей этой комбинации значение выходного сигнала.

Е сли выходной сигнал вентиля НЕ-И на рис. 1.5.а) подать в инвертор, мы получим другую схему, обратную НЕ-И, то есть такую, у которой выходной сигнал равен 1 тогда и только тогда, когда оба входных сигнала равны 1.

Такая схема называется вентилем И. Ее изображение, и соответствующая таблица соответствия даны на рис. 1.5.а).

Точно так же вентиль НЕ-ИЛИ может быть связан с ин­вертором. Тогда получится схема, у которой выходной сигнал равен:

• 1 в том слу­чае, если хотя бы один из входных сигналов единичный,

• 0_, если оба входных сигнала нулевые.

Изображение этой схемы, которая называется венти­лем ИЛИ, а также соответствующая таблица соответствия даны на рис. 1.5.b).

Ма­ленькие кружочки в схемах инвертора, вентиля НЕ-И и вентиля НЕ-ИЛИ назы­ваются инвертирующими выходами. Они также могут использоваться в другом контексте для указания на инвертированный сигнал.

Пять вентилей, НЕ, НЕ-И, НЕ-ИЛИ, И, ИЛИ составляют основу цифрового ло­гического уровня ЭВМ. Из схемной реализации вентилей (рис1.3) следует, что вен­тили НЕ-И и НЕ-ИЛИ требуют два транзистора каждый, а вентили И и ИЛИ — три транзистора каждый. По этой причине во многих компьютерах используются вентили НЕ-И и НЕ-ИЛИ, а не И и ИЛИ.

(На практике все вентили строятся несколько иначе, но вентили НЕ-И и НЕ-ИЛИ в любом случае проще, чем И и ИЛИ.)

В общем случае вентили могут иметь более двух входов, В прин­ципе вентиль НЕ-И, например, может иметь произвольное количество входов, но на практике больше восьми обычно не бывает.