Твердотельная електроника / Tverdotila_elektronika

У інтегральних біполярних транзисторів, як правило, відсутнє джерело зміщення бази. Отже, для них режим відсічки – це активний режим при малих струмах

( IK < IK min , рис. 7.12).

Рисунок 7.12 – Прохідні характеристики інтегральних біполярних транзисторів

Багатоемітерні транзистори

Чотирьохемітерні біполярні транзистори з об'єднаними колекторами і базами – це сукупність чотирьох незалежних транзисторних структур (оскільки взаємодія електродів через електрично нейтральну базу практично відсутня). До кожного емітера багатоемітерного транзистора E1 , E2 , E3 ,

E4 (рис. 7.13) може бути ввімкнене своє джерело відпираю-

чої напруги. До інших джерел такий імпульс напруги не потрапляє, оскільки емітерні переходи, що не працюють у цей момент, перебувають під зворотною напругою.

Кількість емітерів у такому транзисторі обмежена максимально допустимою відстанню між ними l ≤ 10 мкм і становить, як правило, 4 - 8.

Окрім багатоемітерних, у напівпровідникових ІС поширені і багатоколекторні транзистори. Структура їх ідентична до багатоемітерних транзисторів, просто емітери стають колекторами, а колектор – емітером.

249

Діод Шотткі побудований на основі контакту «металнапівпровідник» і має випрямні властивості. У цій конструкції діод Шотткі створюється у місці контакту металу з високоомною колекторною областю. У режимі відсічки і активному режимі потенціал колектора більший за потенціал бази ( K Á ), діод Шотткі закритий, і

транзистор із бар'єром Шотткі працює як звичайний біполярний транзистор. У режимі насичення K Á діод

Шотткі відкривається, основна частина базового струму протікає у колектор через відкритий діод. Тому надлишковий заряд у базі не накопичується, і через це при вимкненні транзистора (при переході з режиму насичення до режиму відсічки або активного режиму) буде відсутньою стадія розсмоктування надлишкового заряду у базі.

7.3.4 МОН (МДН)- транзистори

Інтегральні МДН - структури найчастіше виготовляються з індукованим каналом. З цією метою за планарно-дифузійною технологією створюються n+ – «кишені» витоку і стоку. На переходах між «кишенями» і підкладкою підтримується зворотна напруга, тобто здійснюється ізоляція (рис. 7.15).

Рисунок 7.15 – Інтегральний МДН транзистор

У деяких ІС застосовують пари МОН (МДН)- транзисторів з каналами n - і p - типу на одному кристалі.

Такі пари називаються комплементарними транзисторами

251

(КМОН, КМДН). Вони відрізняються надзвичайно малим споживанням струму (рис. 7.16).

Рисунок 7.16 – Інтегральна КМДН-структура

7.3.5 Діоди

Замість діодів застосовуються біполярні транзистори у діодному вмиканні. Існує п'ять варіантів такого вмикання.

Рисунок 7.17 – Інтегральні діоди

У цих варіантах різною є пробійна напруга. У варіантах 1, 3 і 4 Uï ðî á (5 7) В. У варіантах 2 і 5 Uï ðî á (20 50) В. У варіантах 1 і 4 зворотні струми малі, бо площа емітерного переходу менша за площу колекторного. Найбільший зворотний струм у схемі 3 за рахунок паралельного вмикання переходів.

Найбільшу швидкодію виявляє варіант 1 (час перемикання – одиниці наносекунд). У варіанті 4, де також застосовується тільки емітерний перехід, час перемикання в кілька разів вищий. Обидва варіанти мають мінімальну ємність (частки пФ). Варіанти 1 і 4 застосовуються у

252

швидкодійних низьковольтних схемах. Варіант 3 має максимальний час перемикання (до 100 нс) і дещо більшу ємність.

Найчастіше застосовуються варіанти 1, 4. Варіант 1 у прямому вмиканні використовується як стабілізатор для стабілізації 0,7 В (або як напруги, кратної 0,7 В, при послідовному з'єднанні таких діодів).

7.3.6 Резистори

Так звані дифузійні резистори одержують з бази інтегрального біполярного транзистора (рис. 7.18). Опір таких резисторів залежить від концентрації домішок напівпровідника і геометричних розмірів ділянки кристала.

Рисунок 7.18 – Напівпровідниковий інтегральний резистор

Номінал опору перебуває в межах десятків Ом – десятків кОм, розсіювана потужність становить 0,1 Вт, допуск номіналу – 15 - 20%. На відміну від звичайних активних опорів дифузійні резистори є частотозалежними з причини впливу бар'єрної ємності ізолюючого p-n –

переходу.

У напівпровідникових ІС застосовуються і т. зв.

квазілінійні резистори на МДН – транзисторах з індукованим каналом (рис. 7.19). У них використовується ділянка вихідної (стокової) характеристики до настання перекриття каналу. Змінюючи величину напруги U ç , ми

253

перестроюємо квазілінійний резистор. Опір таких елементів набуває значень від сотень Ом до десятків кОм.

Можуть застосовуватися також т.зв. пінч-резистори, в яких реалізується структура польового транзистора з керувальним p-n – переходом.

Рисунок 7.19 – Квазілінійні МДН резистори

7.3.7 Конденсатори

Найчастіше застосовуються дифузійні конденсатори, в яких основним параметром є бар'єрна ємність p-n –

переходу, що, як відомо, залежить від площі переходу, діелектричної проникності ε напівпровідника, концентрації домішок і прикладеної зворотної напруги (рис. 7.20)

Ємність цих елементів набуває значень від 500 до 1500пФ з допуском ±20%. Номінал ємності визначає фіксована зворотна напруга. Дифузійні конденсатори можуть працювати і як конденсатори змінної ємності: змінюючи зворотну напругу від 1 до 10 В, змінюють ємність у 2-2,5 раза.

Рисунок 7.20 - Дифузійний конденсатор

254

У напівпровідникових ІС застосовують МОН– конденсатори (т. зв. металооксидні конденсатори) (рис. 7.21).

Рисунок 7.21 - МОН конденсатор

Однією обкладкою є дифузійний шар n+, на якому створюється плівка SiO2. Поверх цього шару наноситься алюмінієва плівка, яка відіграє роль другої обкладки. Ємність С ≤ 500 пФ, допуск ±25%. У таких конденсаторах, на відміну від дифузійних, немає необхідності строго дотримуватися полярності вмикання. Крім того, в них відсутня нелінійна залежність ємності від напруги.

7.4 Інтегральні схеми з інжекційним живленням

Традиційними недоліками біполярних ІС є:

мала щільність упакування;

висока розсіювана потужність.

Ці недоліки подолані в ІС з інжекційним живленням.

Ці схеми – насамперед логічні елементи, побудовані відповідно до принципу інжекційного живлення. Вони називаються інтегральною інжекційною логікою (ІІЛ або І²Л). застосовуються в ВІС, зокрема у мікропроцесорах

(серії К 582, К584).

І²Л - елементи не мають аналогів у дискретних транзисторних схемах. За щільністю упакування вони перевищують навіть МОН-структури, а за рівнем розсіюваної потужності наближається до КМОН - структур.

255

При цьому зберігається висока швидкодія, властива біполярним ІС.

Основою І²Л елемента є схема рис.7. 22.

Рисунок 7.22 - Елемент І²Л

Елемент являє собою структуру, що складається з двох фізично об'єднаних транзисторів: горизонтального p-n-p і вертикального n-p-n. Емітерна область p-n-p транзистора називається інжектором і підкладається до позитивного полюса джерела живлення (+Е). Від одного інжектора можуть живитися декілька схем. Вертикальний n-p-n транзистор має кілька колекторів, які служать вихідними виводами логічного елемента. Особливості конструкції: спільна область n – типу є водночас базою p-n-p транзистора та емітером n-p-n транзистора і підключається до корпуса; спільна область p – типу служить колектором p-n-p транзистора і базою n-p-n транзистора. За такої фізичної структури не потрібна ізоляція між окремими елементами І²Л, оскільки вони мають спільну n – область. Через це досягається висока щільність упакування (10000 елементів на кристалі). Весь елемент займає площу, що дорівнює площі одного багатоемітерного транзистора. Зображений на рис. 7.22 типовий елемент І²Л – це логічний елемент НІ (ключ – інвертор).

Його електричну схему можна подати у вигляді пари комплементарних біполярних транзисторів: V2 – багатоколекторний транзистор n-p-n, основа ключа; V1 - p-n-p –

256

транзистор, постійно відкритий, який служить у схемах І²Л джерелом струму I Ã . Цей струм створюється інжекцією

дірок через ЕП p-n-p – транзистора V1. Тому емітер, який виконує функцію джерела струму, вважається інжектором,

а самі елементи – логічними елементами з інжекційним живленням.

Величина Е = 1,0 - 1,5 В. Через це логічні рівні схеми малі і становлять: U1 0, 75 В; U 0 0, 05 В. І²Л-елемент працює у позитивній логіці. Якщо Uâõ U1 0,75 В, то багатоколекторний транзистор V2 відкритий, струм IÃ IÊ 1 тече в його базу, насичуючи прилад. При цьому на всіх колекторах V2 буде низький потенціал: Uâèõ U 0 0,05 В.

Якщо ж Uâõ U 0 0,05 В, то транзистор V2 закривається, і струм IÃ IÊ 1 потече у вхідне коло. На виході І²Л-

інвертора буде Uâèõ U1 0,75 В – високий потенціал.

Описаний І²Л-елемент є будівельною «цеглиною» більш складних логічних елементів.

257

258