КР / Методичка Для курсовой
.pdf
21
С ростом UС обедненный слой со стороны стока расширяется и наступает отсечка канала, как в МДП транзисторах.
U СНАС = U З − U ОТС
U ОТС |
= Vb |
− |
qNa 2 |
- напряжение отсечки |
|
2εε 0 |
|||||
|
|
|
|
Рис. 24. Выходные характеристики полевого транзистора на GaAs с затвором Шотки.
I |
|
= G |
[(U |
|
− U |
|
) + |
2 |
(V − U |
|
|
){1 − (1 − |
U З − U ОТС |
)3 / 2 |
}], |
||
СНАС |
З |
ОТС |
|
ОТС |
|
||||||||||||
|
0 |
|
|
|
3 |
b |
|
Vb − U ОТС |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
обычно выполняется условие U З − U ОТС |
<< Vb − U ОТС , тогда: |
|
|||||||||||||||
I СНАС |
= G0 |
|
(U |
З |
− U |
ОТС |
)2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Vb |
− U ОТС |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Основные параметры:
Взаимной проводимостью называется:
∂IС = g ; ∂U З m
в линейном режиме взаимная проводимость равна:
g |
|
= |
|
G0 |
|
{(U |
|
+ V − U |
|
)1/ 2 |
− (V |
|
− U |
|
)1 / 2 |
} |
|
m |
|
− U |
|
|
С |
З |
b |
З |
|||||||||
|
|
(V |
|
)1/ 2 |
|
b |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
ОТС |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в режиме насыщения
22
g mННА |
= G0 |
{1 − (1 − |
U З |
− U ОТС |
)1 / 2 } |
Vb |
|
||||
|
|
|
− U ОТС |
||
VОТС определяется экспериментально из характеристики IС НАС Время пролета:
τ= L2
μϕ
nT
Убарьера Шоттки есть только барьерная емкость [3]:
C(U ) = S |
|
qεε |
0 N |
|
. |
|
2(Vb |
-U ) |
|||||
|
|
|
|
Если UОТС<0, при UЗ=0 через структуру течет ток IС - это нормально открытый транзистор (D – типа, работающий в режиме обеднения).
Если UОТС >0, при UЗ =0, IC=0 (т.е. ток через не течет): это нормально закрытый транзистор (E – типа, работающий в режиме обогащения).
Унормально открытого транзистора IC большой, следовательно большое быстродействие и мощность.
Унормально закрытого транзистора IC малый, следовательно низкая мощность и быстродействие.
Физические параметры арсенида галлия.
Относительная диэлектрическая проницаемость εGaAs=11 (ε0=8.85×10-14 Ф/см). Ширина запрещенной зоны ϕЗ=1.40 эВ (В).
Подвижность электронов µ n=8000…11000 см2/(В×с) Собственная концентрация ni=1.5×106 см-3.
Барьер Шоттки (n-GaAs) φB=0.8 эВ (В). Постоянная Ричардсона (n-GaAs):
низкая напряженность электрического поля A*=8.2 А/(см2×К2), высокая напряженность электрического поля A*=144 А/(см2×К2).
Модели ПТШ, используемые в PSPICE.
В этих моделях зависимости тока стока от напряжений отличаются от рассмотренных выше:
Модель первого уровня (Level 1):
I d = BETA(1 + Lambda ×Vds )(Vgs -VTO) 2 tanh( Alpha ×Vds )
Модель второго уровня (Level 2):
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
23 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
KT |
|||
I d = BETA(1 + Lambda ×Vds )(Vgs |
-VTO)2 × |
|
|
|
B = 0.3 |
||||||||||||
(1 + B(Vgs |
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-VTO)) |
||||
|
|
|
× |
|
Alpha |
3 |
|
0 < Vds < |
3 |
- |
|
|
|
||||
1 - (1- Vds |
|
|
|
) |
|
, |
|
|
линейный режим |
||||||||
|
|
3 |
|
Alpha |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
KT = |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1, |
Vds |
|
» |
|
|
|
- |
режим |
насыщения |
||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Alpha |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 25. PSPICE – модель полевого транзистора на GaAs с затвором Шотки.
Описание ПТШ в PSPICE:
bxxx <drain node> <gate node> <source node> <model name>
.model <model name> gasfet(…)
Параметры GaAs ПТШ SPICE:
Level=1,2
VTO= напряжение отсечки, -2,5 В
BETA – крутизна, |
A |
|
B 2 |
||
|
Lambda – коэффициент наклона в пологой части, 1/В Tau – время пролета, сек
Alpha – параметр напряжения насыщения, 1/В RG, RD, RS – сопротивления, Ом
CGD, CGS, CDS – емкости затвор – сток, затвор – исток, сток – исток, Ф.
Параметры рассчитываются по следующим формулам:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
24 |
|
|
BETA = |
2Wμnε GaAsε 0 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
3aL |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
VTO = U |
|
= V − |
qNa 2 |
|
|
|
|
|
||||||
|
2εε 0 |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
ОТС |
|
b |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
V = |
1 |
[Ф − (E |
|
− E |
|
)], E = ϕ 2 , E = ϕ ln |
N |
|
||||||
|
c |
F |
. |
|||||||||||
b |
|
|
b |
|
|
|
|
C |
З |
F T |
||||
|
q |
|
|
|
|
|
|
|
|
ni |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ALPHA = 2ε GaAsε 0
qNa 2
LAMBDA ≈ 0.1
CGD = CGS |
= |
C(0) |
= |
S |
|
qε GaAsε 0 N |
2 |
2 |
|
2Vb |
|||
|
|
|
|
- на сток и исток приходится по половине емкости диода Шотки, S – площадь металлического затвора.
CDS = εGaAsε0Wa
L
- это – емкость плоского конденсатора, обкладками которого являются высоколегированные области стока и истока, а диэлектриком – низколегированная область канала.
tau = |
L2 |
- время пролета. |
|
μ ϕ |
|||
|
|||
|
n T |
|
25
2.Логические схемы
2.1.Общие сведения
Логические схемы на входе и выходе должны иметь два устойчивых состояния: логического нуля и логической единицы.
Примеры логических функций, выполняемых схемами: |
|
|
|
|||
|
И-НЕ |
|
|
|
ИЛИ-НЕ |
|
X1 |
X2 |
Y |
|
X1 |
X2 |
Y |
0 |
0 |
1 |
|
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
|
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
|
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
1 |
1 |
0 |
Классификация логических схем
По способу кодирования информации:
1.Потенциальный: нулю и единице соответствуют 2 крайних значения напряжения, как правило: низкое – нулю, высокое – единице.
2.Импульсный: – наличие импульса – 1, отсутствие – 0.
3.Импульсно – потенциальный: – смешанные варианты кодирования.
В зависимости от наличия внутренних состояний:
1.Комбинационные – значения на выходе зависит только от значения на входе.
2.Последовательностные (многотактные) - схемы с памятью: значение на выходе за-
висит не только от значений на входе, но и от предыдущего состояния.
Схемы также делятся на синхронные и асинхронные:
1.Синхронные – переключение происходит только после воздействия тактовых или синхронизирующих сигналов.
2.Асинхронные – тактовые сигналы отсутствуют.
Наиболее распространены – потенциальные синхронные структуры, но рассматриваемые нами логические ячейки – потенциальные асинхронные.
Основные параметры и характеристики логических элементов
Рассмотрим потенциальные элементы: логическое состояние определяется значениями электрического потенциала на входе и выходе.
Параметры элементов:
Потенциалы логического 0 и логической 1: U0, U1; порог переключения VП; число входов (коэффициент объединения по входам ) M; входные токи I0вх, при Uвх=U0, I1вх при Uвх=U1; коэффициент разветвления по выходу N (нагрузочная способность); помехоустойчивость к помехам - положительным и отрицательным: U+п , U-п ; мощность Pэ или ток, который питания Iпит , задержки переключения: t01з из состояния 0 на выходе в состояние 1, t10з из 1 на выходе в 0.
Основная статическая характеристика логических элементов – передаточная:
= f(Uвх) – зависимость потенциала на выходе от потенциалов на одном из входов, при постоянном значении на других входах. К входам и выходам логических схем подключаются такие же схемы. Передаточные характеристики бывают инвертирующие и неинвертирующие.
26
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 26. Неинвертирующая передаточная характеристика |
|
|
||||||||
|
I – |
зона логического нуля по выходу, |
|
|
|||||||
|
II – зона логической единицы по выходу, |
|
|
||||||||
|
|
III – зона неопределенности. |
|
|
|
|
|
|
|
||
UЛ=U1-U0 – логический перепад; |
|
|
|
|
|
|
|
||||
VП= V1П - V0П – ширина зоны неопределенности; |
|
|
|
|
|
|
|
||||
U+П= V0П - U0; U-П =U1 - V1П |
- помехоустойчивость по положительной и отрицательной |
||||||||||
|
|
помехам, соответственно; |
|
|
|
|
|
|
|
||
U+П + U-П = UЛ - VП; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1 |
|
|
dUВЫХ |
|
|
|
|
= 1, т.е. в точках |
||
|
|
|
|
|
|||||||
Пороги переключения V П , V П определяются из условия: |
dUВХ |
|
U ВХ =VП0,1 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
V0П , V1П передаточная характеристика наклонена под углом 450. |
|
|
|||||||||
Т.к. VП<<UЛ, то V0П≈V1П≈VП |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
UЛ=EПИТ U+П +U-П≤EПИТ. |
|
U 1 + U 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Следует использовать такие схемы, у которых Vп ≈ |
|
, тогда |
|
|
|||||||
|
|
|
|||||||||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
27
U п+ » U п− » U п = U л - DVп
2
Помехоустойчивость следует рассчитывать для наихудшего случая:
U+П= V0П MIN - U0MAX; U -П= U1 MIN – V 1П МAX
Рис. 27. Инвертирующая передаточная характеристика. I – зона логического нуля по выходу,
II– зона логической единицы по выходу, III – зона неопределенности.
Входная характеристика:
Iвх = f(Uвх) определяет входные токи
I0вх ³ 0 вытекающего из схемы при Uвх=U0, I1вх £ 0 втекающего в схему при Uвх=U1,
Выходные характеристики:
U0вых=f(I0н), U1вых = f(I1н)
|
|
|
28 |
||
I н0 = nI вх0 , I н1 = nI вх1 , Rвых0 = |
dU вых0 |
, Rвых1 |
= |
dU вых1 |
|
dI 0 |
dI 1 |
||||
|
|
|
|||
|
н |
|
|
н |
|
По этим характеристикам определяются максимально допустимые токи.
= f (In0max ) , Uвых1 min = f (In1 max ) = Vn0min − Un+
= Vn1max + Un−
Vn0min , Vn1max - известны; U n+ , U n− - заданы.
Рис. 28. Выходная характеристика.
Если нагрузкой служат идентичные логические схемы, то
N0 = Iн0max , N1 = Iн1 max
Iвх0 Iвх1
N = min( N0 , N1 ) - коэффициент разветвления на выходе. С ростом помехоустойчивости N -
уменьшается. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мощность схемы: |
|
|
|
|
+ I − |
|
|
|
|
|
|
|||
Статическая: |
P = |
E |
пит |
(I 0 |
) |
= E |
|
I |
|
|
||||
|
пит |
пит |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
пит |
пит |
|||||||
|
|
э |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Динамическая мощность: |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
P ≈ С |
П |
E 2 |
|
f |
П |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Д |
|
ПИТ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
CП – |
паразитная емкость схемы |
|
|
|
||||||||||
f П |
- частота переключения |
|
|
|
|
|||||||||
Для определения задержек t1,0 |
, t |
0,1 |
используется схема рис. 29. Она состоит из трех |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
з |
|
з |
|
|
логических схем одной серии: схемы, на выходе которой формируется входной сигнал для исследуемой схемы, самой исследуемой схемы и схемы, которая является нагрузкой для исследуемой. Такое подключение близко к реальным условиям работы логических схем.
Время задержки определяется как среднее арифметическое времени задержки переключения с логического нуля на логическую единицу и времени задержки переключения с логической единицы на логический нуль.
29
t з |
= |
tз01 + t10з |
|
||
|
2 |
|
Рис. 29. Схема для определения задержек
30
Рис. 30. Определение задержек по переходной характеристике.
Длительность фронтов определяется по уровням 0.1 – 0.9, см. рис. 30:
Рис. 31. Определение длительностей фронтов по переходной характеристике.
Рис. 32. Зависимость задержки и энергии переключения от потребляемой мощности.
В настоящее время AП достигает 0,01× 10 −12 Дж , Теоретический предел
10−15 − 10 −18 Дж .
Классификация элементов по быстродействию: сверх быстродействующие: t3 < 0,1нс
быстродействующие: t3 = 1 − 10 нс среднего быстродействия: t3 = 10 − 100 нс