
- •1. Основы микросхемотехники ИС
- •1.1. Основные термины и определения
- •1.2. Этапы и направления развития ИС
- •1.3. Классификация ИС
- •1.3.4. Классификация по степени интеграции
- •1.4. Последовательность разработки ИС
- •2. Основы цифровой техники
- •2.3. Основные логические операции
- •2.4. Формы представления логической функции
- •2.5. Структурное проектирование цифровых схем комбинационного типа
- •3. Основные параметры и характеристики ЦИС
- •3.1. Основные параметры ЦИС
- •3.2. Характеристики ЦИС
- •3.3. Определение измеряемых параметров по характеристикам
- •4.1. Формирование биполярных транзисторов
- •4.3. Эквивалентная модель интегрального n–p–n биполярного транзистора
- •4.4. Режимы работы биполярного транзистора
- •4.6. Статические ВАХ транзистора
- •5. Диоды в интегральных схемах
- •5.1. Модель идеального диода
- •5.2. Эквивалентная схема интегрального диода
- •5.3. Аппроксимации ВАХ диода
- •5.4. Варианты реализации интегральных диодов
- •6. Пассивные элементы ИС
- •6.1. Основные параметры резисторов
- •6.2. Реализация интегральных резисторов
- •6.4. Реализация интегральных конденсаторов
- •7. Элементная база статических ЦИС на биполярных транзисторах
- •7.1. Резисторно-транзисторная логика (РТЛ)
- •7.1.1. Характеристики РТЛ
- •7.2. Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ)
- •7.2.1. Принцип работы
- •7.2.2. Входная характеристика
- •7.2.3. Передаточная характеристика
- •7.2.4. Выходная характеристика
- •7.2.6. Многоярусные ЭСЛ (МяЭСЛ)
- •7.3. Диодно-транзисторная логика
- •7.3.1. Расчет передаточной и входной характеристик
- •7.3.2. Выходная характеристика
- •7.3.3. Влияние нагрузки на логические уровни
- •7.4. Транзисторно-транзисторная логика
- •7.4.1. ТТЛ-элемент с простым инвертором
- •7.4.2. Передаточная характеристика
- •7.4.3. Входная характеристика
- •7.4.4. Выходная характеристика
- •7.4.6. Основные параметры
- •7.4.7. Многоэмиттерный транзистор
- •7.4.8. ТТЛ-элемент со сложным выходным каскадом
- •7.4.9. Модификация логического элемента
- •7.5. Интегральная инжекционная логика
- •7.5.2. Реализация логических функций
- •8. Полевые транзисторы
- •8.1. Типы полевых транзисторов
- •8.2. Определение физических параметров
- •8.3. модель полевого транзистора
- •8.4. Режимы работы и уравнения ВАХ полевого транзистора
- •9. Элементная база на полевых транзисторах
- •9.2. Передаточная характеристика и параметры инвертора с линейной нагрузкой
- •9.3. Передаточная характеристика и параметры инвертора с нелинейной нагрузкой
- •9.4. Передаточная характеристика и параметры инвертора с квазилинейной нагрузкой
- •9.5. Передаточная характеристика и параметры инвертора с токостабилизирующей нагрузкой
- •9.6. Передаточная характеристика и параметры комплементарного инвертора
- •9.8. Логические элементы на МОП-транзисторах
- •9.9. Определение эквивалентной крутизны группы переключающих транзисторов
- •9.11. Влияние параметров транзисторов на характеристики логического элемента
- •9.12. Сопряжение ТТЛ- и КМОП-схем
Какую работу нужно написать?
СБАР от напряжения. Таким образом, справедливо, что при пря-
мом смещении перехода СДИФ >> СБАР, а при обратном смещении
СБАР >> СДИФ.
Уравнения ВАХ для транзистора из схемы Эберса - Молла по закону Кирхгофа записываются следующим образом:
ìIЭ = IЭД - aI I |
КД |
|
|
|
||||||
ï |
|
|
|
|
- aN )+ IКД (1- aI )- aП I IПД |
|
||||
ï IБ = IЭД (1 |
|
|||||||||
í |
|
|
|
|
(1 - aП )- IПД (1 - aП I )+ aN IЭД |
|
||||
ï IК = - IКД |
|
|||||||||
ïI |
П |
= - I |
ПД |
+ a |
П |
I |
КД |
. |
|
|
î |
|
|
|
|
|
. |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.4)
Для уменьшения паразитного влияния подложечный переход все-
гда включается в обратном смещении. Тогда IПД » 0 (пренебре-
гаем тепловым током, т.е. IПД = IПД 0 » 0 ). В табл.4.1 приведены параметры модели n–p–n-транзистора.
Таблица 4.1
Параметры биполярного n–p–n-транзистора
I |
ЭД0 |
, |
I |
КД0 |
, |
βN |
βI |
r , |
r , |
r |
, |
С |
, |
С |
, |
С |
, |
τ |
N |
, |
τ |
I |
, |
|
|
|
|
|
|
Э |
Б |
К |
|
БЭ0 |
|
БК0 |
|
КП0 |
|
|
|
|
|
||||
фА |
фА |
|
|
Ом |
Ом |
Ом |
фФ |
|
фФ |
|
фФ |
|
нс |
|
нс |
||||||||
9,5 |
|
30,3 |
250 |
2 |
3 |
600 |
75 |
40 |
|
40 |
|
75 |
|
20 |
|
200 |
4.4. Режимы работы биполярного транзистора
Поскольку транзистор имеет два полезных p–n-перехода, то возможны четыре режима работы: режим отсечки (РО), нормальный активный режим (НАР), режим насыщения (РН) и инверсный режим (ИР) (табл.4.2).
60
Таблица 4.2
Режимы работы биполярного транзистора
Режим |
Смещение |
Смеще- |
Примечание |
|
|
|
работы |
UБЭ |
ние UБК |
|
|
|
|
РО |
Обратное |
Обратное |
IЭ = IК = IБ = 0 |
|
|
|
НАР |
Прямое |
Обратное |
0 < UБЭ < UБЭГР |
IЭ = |
||
|
|
|
IК = IБ = 0 |
|
|
|
|
|
|
UБЭГР < UБЭ < UБЭН |
|
||
|
|
|
IK = αN IЭ |
IБ = (1− αN )IЭ |
||
|
|
|
IK = βN IБ IЭ = (βN +1)IБ |
|||
|
|
|
(4.5) |
|
|
|
РН |
Прямое |
Прямое |
0 < UБК < UБКГР |
по (4.5) |
||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
UБКГР <UБК <UБКН |
|||
|
|
|
по (4.4) |
|
|
|
ИР |
Обратное |
Прямое |
IЭ = βI IБ |
IК = (βI |
+1)IБ |
Примечание: UБЭН, UБКН - напряжение насыщения соответствую-
щего перехода; UБЭГР , UБКГР - граничное напряжение на соответствующем переходе, при котором можно пренебречь током.
4.5.Эквивалентные схемы р–n–р-транзисторов
Винтегральном производстве р–n–р-транзисторы создаются в одном технологическом маршруте с n–р–n-транзисторами. Возможны две реализации транзисторов.
1. Вертикальный (паразитный) транзистор (рис.4.11). Из эквивалентной схемы можно записать уравнения для токов:
ìïIЭ íIБ ïîIК
=IЭД - aI IКД;
=IЭД (1 - aN )+ IКД (1 - aI );
=- IКД + aN IЭД .
61

|
IБ |
IК |
|
|
IБ |
Б |
|
|
|
|
|
|
|
rБ |
|
|
|
|
|
IЭ |
Э |
rЭ |
IЭД |
IКД |
rК |
К |
|
|
|
|
|
||||
|
а |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
IЭ |
αIIКД |
αNIЭД |
IК |
|
|
Э |
Б |
К |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
p |
p |
|
|
CБЭ |
CБК |
|
|
|
n |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
n+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
в |
|
|
Рис.4.11. Биполярный вертикальный p–n–p-транзистор: а - условное обозначение; б - структура; в - эквивалентная схема 2. Горизонтальный (латеральный) транзистор (рис.4.12).
|
|
|
|
|
Б |
|
|
|
|
Э rЭ |
IЭДIБ |
rБ IКД |
rК К |
|
|
|
|
|
||
Э |
Б |
К |
IЭ |
αIIКД |
αNIЭД |
IК |
p |
|
p |
SiO2 |
αПIЭIПД |
αПIКIПД |
|
|
n |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n+ |
CБЭ |
CБК |
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
αПКIКД |
|
αПЭIЭД |
|
|
а |
|
CБК |
IПД |
||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
rП |
IП |
|
|
|
|
|
П |
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
Рис.4.12. Биполярный горизонтальный p–n–p-транзистор: а - структура; б - эквивалентная схема
62

Из эквивалентной схемы можно записать уравнения для
токов:
ìIЭ = IЭД - a I IКД - aП I К IП Д ; |
|
ï |
+ aП I К IП Д + a N IЭД ; |
ïIК = - IКД |
|
í |
- a N - aПЭ ) + IКД (1 - a I - aПК ) + IП Д (1 - aП I Э - aП I |
ïIБ = IЭД (1 |
|
ï |
+ aПЭ IЭД + aПК IК Д . |
îIП = - IПД |
Параметры горизонтального транзистора приведены в табл.4.3.
Таблица 4.3
Параметры биполярного горизонтального р–n–р- транзистора
IЭД0, |
IКД0, |
βN |
βI |
rЭ, |
rБ, |
rК, |
СБЭ0 |
СБК0, |
τN , |
τI , |
фА |
фА |
|
|
Ом |
Ом |
Ом |
, |
фФ |
нс |
нс |
|
|
|
|
|
|
|
фФ |
|
|
|
43 |
17 |
80 |
30 |
13 |
265 |
200 |
36, |
86 |
12 |
84 |
|
|
|
|
|
0 |
0 |
5 |
|
|
|
4.6.Статические ВАХ транзистора
Всхемотехнике успешно используются три включения транзистора: включение n–р–n-транзистора с общей базой (ОБ) (рис.4.13).
UВХ |
|
|
IЭ |
|
|
|
|
|
|
IК |
|
НАР |
IЭ6 |
|
|
|||||
UВЫХ |
|
|
|
|
|
|
РН |
|
|
IЭ5 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IЭ4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IЭ2Э3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
UБЭ |
|
|
IЭ1 |
РО |
UБК |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
UБЭГР UБЭ Н |
|
-UБКН |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
а |
|
|
|
|
б |
|
|
в |
|
|
|
Рис.4.13. Включение n–p–n-транзистора с ОБ: а - схема; б - входная ВАХ; в - выходная ВАХ
63

Входной ток определяется эмиттерным как |
|
|
||
æ |
UБЭ |
ö |
|
|
ç |
÷ |
|
||
IЭ = IЭД 0 çexp |
|
-1÷ |
; |
|
jТ |
||||
è |
ø |
|
1)включение n–р–n-транзистора с общим эмиттером
(ОЭ) (рис.4.14).
|
IБ |
IК |
НАР |
IБ6 |
|
UВЫХ |
|
РН |
IБ5 |
|
|
IБ4 |
||
UВХ |
|
|
I |
|
|
|
Б3 |
||
|
UБЭ |
|
IБ1IБ2 |
РО UКЭ |
|
|
|
Uпробоя |
|
|
UБЭГР UБЭН |
|
UКЭН |
|
|
|
|
||
а |
б |
|
в |
|
Рис.4.14. Включение n–p–n-транзистора с ОЭ: а - схема; б - входная ВАХ; в - выходная ВАХ
Выходным током является коллекторный ток, который зависит от режима работы транзистора. В этом включении входной ток определяется базовым как
æ |
UБЭ |
ö |
|
ç |
÷ |
||
IБ = (1 - aN )× IЭД0 çexp |
|
-1÷ . |
|
m ×jТ |
|||
è |
ø |
Наклон выходной характеристики в НАР объясняется не идеальностью транзистора, а именно эффектом модуляции ширины базы;
2)включение n–р–n-транзистора с общим коллектором
(ОК) (рис.4.15).
UИП
Uвх Uвых
Рис.4.15. Схема включения n–p–n-транзистора с ОК
64
Такая схема включения транзистора называется эмиттерным повторителем, поскольку UВЫХ = UВХ – UБЭН.
65