Принцип действия базовой схемы ЭСЛ

Цифровые элементы эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) основаны на переключателях тока и отличаются от других типов ИМС наибольшим быстродействием и высокой потребляемой мощностью. Большое быстродействие (или малое время цикла переключения) в ЭСЛ-элементах обусловлено тем, что биполярные транзисторы в этих схемах работают без насыщения, т.е. могут находиться либо в активном режиме, либо в режиме отсечки. Вторым важным фактором, обеспечивающим увеличение быстродействия, является использование в элементах низкоомных резисторов, обеспечивающих быстрый перезаряд паразитных емкостей за счет увеличения потребляемой энергии и снижения перепада логических сигналов, а значит и помехоустойчивости ЭСЛ-элементов. Схемным средством увеличения быстродействия является использование на выходах эмиттерных повторителей, обеспечивающих перезаряд емкостей в цепях нагрузки через малые выходные сопротивления. Одновременно улучшается и статическая разрешающая способность . Основа ЭСЛ-элемента — переключатель тока на двух транзисторах с эмиттерной связью с двумя фазоинверсными выходами и .

Билет №25 Р-n переход в равновесном состоянии. Если к р-n полупроводнику не приложено внешнее напряжение (которое создает поле в объеме полупроводника), то имеет место равновесное состояние p-n-перехода. При отсутствии внешнего напряжения движение электрических зарядов через p-n переход носит характер диффузии основных носителей заряда из одной области проводимости в другую где они становятся неосновными носителями и через определенное время рекомбинируют с основными носителями. В результате диффузии и рекомбинации носителей заряда нарушается электрическая нейтральность примыкающих к металлургическому контакту частей монокристалла полупроводника.В р-области вблизи металлургического контакта после диффузии из нее дырок остаются неподвижные отрицательно заряженные ионы акцепторов, а в n-области — неподвижные положительно заряженные ионы доноров. Принцип действия транзистора. Транзи́стор (англ. transistor), полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В общем случае транзистором называют любое устройство, которое имитирует главное свойство транзистора - изменения сигнала между двумя различными состояниями при изменении сигнала на управляющем электроде. В полевых и биполярных транзисторах управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.). В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ) (международный термин — BJT, bipolar junction transistor). Другой важнейшей отраслью электроники является цифровая техника (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), где, напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми.

p-n-p канал p-типа

n-p-n канал n-типа Биполярные Полевые

Тринистор. Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости. Тринистор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение Тринисторов — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды Тринисторов, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают Тринисторы, проводящие ток в одном направлении (например тринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы). Тринистор имеет нелинейную вольт-амперную характеристику (ВАХ) с участком отрицательного дифференциального сопротивления. По сравнению, например, с транзисторными ключами, управление Тринистором имеет некоторые особенности. Переход Тринистора из одного состояния в другое в электрической цепи происходит скачком (лавинообразно) и осуществляется внешним воздействием на прибор: либо напряжением (током), либо светом (для фотоТринистора). После перехода Тринистора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала, если протекающий через Тринистор ток превышает некоторую величину, называемую током удержания. Билет № 26 Прямое смещение p-n перехода. К p-n переходу приложено внешнее напряжение плюсом к p-области (рис 10). Такое включение называется прямым смещением p-n перехода. Прямое включение p-n перехода: а – схема подключения источника; б – энергетическая диаграмма

Обратное включение p-n перехода: а – схема; б – энергетическая диаграмма В этом случае внешнее поле Е, созданное источником U, направлено навстречу собственному, в результате чего основные носители заряда (дырки в p-области, электроны – в n – области) получают возможность приблизиться близко к контакту, скомпенсировав заряды примесей. Концентрация дырок в n-области и электронов в p-области, для которых эти носители зарядов являются неосновными, резко увеличивается (явление инжекции). Инжектированные носители диффундируют вглубь соответствующих областей, рекомбинируя с основными носителями. В результате этих процессов ширина p-n перехода и область пространственного заряда резко уменьшатся. Следовательно, сопротивление p-n перехода уменьшится и увеличится прямой ток через p-n переход. Уровень Ферми при прямом смещении оказывается разным в n- и p- областях, поэтому и осуществляется направленное перемещение носителей. Потенциальный барьер, т.е. перепад потенциала в переходе, препятствующий перемещению основных носителей заряда [11], при этом уменьшается и становится равным разности между и прямым смещением U, т.е.

Прямой ток обусловлен преобладанием диффузионной составляющей тока Токи в транзисторе. Транзи́стор (англ. transistor), полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. Ток I_Кр=А_IЭ представляет собой управляемую часть коллекторного тока. Обратный ток коллектора I_КБО не зависит от тока эмиттера, поэтому его иногда называют неуправляемым током коллектора. I_Э=I_К+I_Б. I_к = α·I_э + I_ко, где α – коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общей базой. α всегда меньше 1 и обычно равно 0,95 – 0,99. Т.к. α·I_э >> I_ко, то значением Iко можно пренебречь и тогда α = . Полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом. На основании (подложке) полупроводника с электропроводностью P-типа (для транзистора с N-каналом) созданы две зоны с повышенной электропроводностью N+-типа. Все это покрывается тонким слоем диэлектрика, обычно диоксида кремния SiO2. Сквозь диэлектрический слой проходят металлические выводы от областей N+-типа, называемые стоком и истоком. Над диэлектриком находится металлический слой затвора. Иногда от подложки также идет вывод, который закорачивают с истоком.

Билет № 27 Обратное смещение р-n перехода. Смещение - эта внешнее напряжение, прикладываемое к выводам перехода Оно может быть прямым и обратным. Прямое смещение - это смещение, при котором плюс источника внешнего напряжения прикладывается к р - области, а минус - к n - области. Обратное смещение - это смещение, при котором минус источника внешнего напряжения прикладывается р- области, а плюс - к n -области. Схема обратного смещения р-n – переход Из нее видно, что в переходе действуют два электрических поля: Е_к и E_обр. Эти поля совпадают по направлению, поэтому результирующее поле и высота потенциального барьера соответственно равны:

Модуляция толщины базы w представляет собой зависимость толщины базы w от напряжения на коллекторе : Так как ширина эмиттерного перехода мала, изменения не влияют на ее значение. Коллекторный же переход из-за обратного смещения большой и сосредоточен в базе. При изменении изменяется ширина коллекторного перехода и, следовательно, толщина базы w тоже. Это приводит к: 1) зависимости коэффициента передачи тока от коллекторного напряжения . Например, если возрастает напряжение коллектора , уменьшается толщина базы w, увеличивается коэффициент переноса , то есть увеличивается число электронов, избежавших рекомбинации; 2) к барьерной емкости коллекторного перехода добавляется диффузионная емкость, так как происходит изменение заряда вблизи перехода; 3) изменению частотных свойств транзистора: если увеличивается , уменьшается толщина базы w, уменьшается время пролета электронов в базе и увеличивается граничная частота транзистора. 4) при увеличении , если постоянно, увеличвается , так как уменьшение толщины базы ведет к увеличению градиента концентраций носителей, от которого пропорционально зависит ток эмиттера. 5) при увеличении и постоянном при уменьшении толщины базы и неизменном градиенте концентраций носителей уменьшается . , ток кол.

Пленочные ИС имеют плату из диэлектрика (стекло, керамика и др.). Пассивные эл-ты, т.е. резисторы, конденсаторы, катушки и соединения м/у эл-тами, выполняются в виде различных пленок, нанесенных на подложку. Активные эл-ты (диоды, транзисторы) не делаются пленочными, т.к. не удалось добиться их хорошего качества. Таким образом пленочные ИС содержат только пассивные эл-ты и представляют собой RC-цепи или какие-либо другие схемы.Принято различать ИС тонкопленочные, у к-рых толщина пленок не более 2 мкм, и толстопленочные, у к-рых толщина пленок значительно больше. разница м/у этими ИС заключается не столько в толщине, сколько в различной технологии их нанесения.Тонкопленочные резисторы по точности и стабильности лучше толстопленочных, но производство и сложнее и дороже. У тонкопленочных резисторов удельное сопротивление может быть от 10 до 300 Ом/□ и номиналы – от от 10 до 10^6 Ом. Точность их изготовления ±5%. Температуростабильность тонкопленочных резисторов характеризуется значением ТКС примерно 0.25*10^(-4) К^(-1). В течение длительного времени эксплуатации сопротивление этих резисторов мало изменяется.Толстопленочные резисторы имеют удельное сопротивление от 5 Ом до 1 МОм на квадрат, номиналы от 0.5 до 5*10^8 Ом, точность их - ±15%, ТКС примерно 2*10^(-4) К^(-1). Их стабильность во времени хуже, чем у тонкопленочных резисторов.

Билет №28 Вольтамперная характеристика р-n перехода. ВАХ называется зависимость тока (I), протекающего через p-n переход от приложенного к нему напряжения (U). В некоторых случаях уравнение ВАХ удобно представлять в виде уравнения относительно тока. Полученная зависимость ВАХ показана на рисунке 1.15а. Как видно на рисунке, при неизменном масштабе тока и напряжения, зависимость проходит близко к оси тока при прямом включении (1-квандрант) и к оси напряжения при обратном включении. Это говорит о том, что при прямом включении переход обладает хорошей проводимостью, а при обратном – высоким сопротивлением. Если приложенное прямое напряжение заметно превышает величину температурного потенциала, то прямая ветвь ВАХ аппроксимируется чистой экспонентой. Если обратное напряжение достаточно большое, (U/fi)<<1/ При этом I = I0. Следовательно обратная ветвь аппроксимируется прямолинейной зависимостью с постоянным уровнем тока. Теоретическая ВАХ называется идеальной. Реальная характеристика несколько отличается идеальной в силу ряда причин не уточненных в теоретической ВАХ. Например, причина отклонения может служить конечное значение сопротивления слоя высокоомной части перехода. Причинами отклонения прямой ветви ВАХ от идеальной могут служить также изменение температуры, высокий уровень инжекции и ряд других причин. Обратная ветвь реальной ВАХ также имеет ряд отклонений от теоретической.1.Наличие токов утечек. 2.Влияние термогенерации. С увеличением температуры в обедненной свободными носителями области p-n перехода образуются дополнительные электронно-дырочные пары. Они увеличивают обратный ток.3.Лавинный пробой.

Схема включения транзистора с общей базой, параметры. Вход ЭБ; Выход КБ; Схема не обеспечивает усиления по току, но усиливает напряжение. Входное сопротивление малое. I_вх -I_э; I_вых -I_к;U_вх -U_эб; U_вых -U_кб Зависимость коэффициента передачи тока от частоты в схеме с общей базой [α(ω)]. При анализе временных процессов в биполярном транзисторе необходимо решать уравнение нестационарное уравнение непрерывности, описывающее изменение концентрации носителей заряда со временем. В сделанных нами допущениях это уравнение сведется к диффузионному: При этом граничные условия так же будут зависеть от времени для u(t)<<U(t): Зависимость коэффициента передачи тока от частоты в схеме с общим эмиттером. Рассчитаем как зависит от частоты коэффициент передачи по току в транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. При этом используем рассчитанную зависимость α(ω) Пример частотных зависимостей коэффициентов передачи тока в ОБ и ОЭ приведен на рис. 66. Следует обратить внимание на то, что несмотря на то, что коэффициент передачи тока в ОЭ спадает быстрее, чем в ОБ, тем не менее во всем частотном диапазоне он имеет более высокие значения.
Частотная зависимость модуля коэффициентов передачи по току в схеме ОБ - α и ОЭ - β.

Билет №29 Общая емкость p-n-перехода измеряется между выводами кристалла при заданных постоянном напряжении (смещении) и частоте гармонического напряжения, прикладываемых к переходу. Она складывается из барьерной, диффузионной емкостей и емкости корпуса кристалла:

С = Сбар + Сдиф + Скорп Диффузионная емкость обусловлена изменением величины объемного заряда, вызванного изменением прямого напряжения и инжекцией неосновных носителей в рассматриваемый слой. В результате в n-базе возникает объемный заряд дырок, который практически мгновенно (за несколько наносекунд) компенсируется зарядом собственных подошедших к дыркам электронов. Диффузионную емкость часто выражают как линейную функцию тока, учитывая экспоненциальный характер ВАХ. При этом где - время жизни носителей для толстой базы или среднее время пролета для тонкой базы.

Диффузионная емкость составляет сотни – тысячи пикофарад. Диодно-транзисторная логика (ДТЛ), англ. Diode–transistor logic (DTL) — технология построения цифровых схем на основе биполярных транзисторов, диодов и резисторов. Своё название технология получила благодаря реализации логических функций (например, 2И) с помощью диодных цепей, а усиления и инверсии сигнала — с помощью транзистора (для сравнения см. резисторно-транзисторная логика и транзисторно-транзисторная логика).

Достоинства и недостатки полевых транзисторов Главные преимущества полевых транзисторов Благодаря очень высокому входному сопротивлению, цепь полевых транзисторов расходует крайне мало энергии, так как практически не потребляет входного тока. Усиление по току у полевых транзисторов намного выше, чем у биполярных. Значительно выше помехоустойчивость и надежность работы, поскольку из-за отсутствия тока через затвор транзистора, управляющая цепь со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока. - У полевых транзисторов на порядок выше скорость перехода между состояниями проводимости и непроводимости тока. Поэтому они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные. Главные недостатки полевых транзисторов Структура полевых транзисторов начинает разрушаться при меньшей температуре (150С), чем структура биполярных транзисторов (200С). Несмотря на то, что полевые транзисторы потребляют намного меньше энергии, по сравнению с биполярными транзисторами, при работе на высоких частотах ситуация кардинально меняется. На частотах выше, примерно, чем 1.5 GHz, потребление энергии у МОП-транзисторов начинает возрастать по экспоненте. Поэтому скорость процессоров перестала так стремительно расти, и их производители перешли на стратегию «многоядерности». - При изготовлении мощных МОП-транзисторов, в их структуре возникает «паразитный» биполярный транзистор. Для того, чтобы нейтрализовать его влияние, подложку закорачивают с истоком. Это эквивалентно закорачиванию базы и эмиттера паразитного транзистора. В результате напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора никогда на достигнет необходимого, чтобы он открылся (около 0.6В необходимо, чтобы PN-переход внутри прибора начал проводить). Билет №30 Р-n переход в равновесном состоянии. Если к р-n полупроводнику не приложено внешнее напряжение (которое создает поле в объеме полупроводника), то имеет место равновесное состояние p-n-перехода. При отсутствии внешнего напряжения движение электрических зарядов через p-n переход носит характер диффузии основных носителей заряда из одной области проводимости в другую где они становятся неосновными носителями и через определенное время рекомбинируют с основными носителями. В результате диффузии и рекомбинации носителей заряда нарушается электрическая нейтральность примыкающих к металлургическому контакту частей монокристалла полупроводника.В р-области вблизи металлургического контакта после диффузии из нее дырок остаются неподвижные отрицательно заряженные ионы акцепторов, а в n-области — неподвижные положительно заряженные ионы доноров.

Схема включения транзистора с общей базой используется преимущественно в каскадах усилителей высоких частот. Усиление каскада с ОБ обеспечивает усиление только по напряжению. Данное включение транзистора позволяет более полно использовать частотные характеристики транзистора при минимальном уровне шумов. Что такое частотная характеристика транзистора? Это - способность транзистора усиливать высокие частоты, близкие к граничной частоте усиления, Эта величина зависит от типа транзистора. Более высокочастотный транзистор способен усиливать и более высокие частоты. С повышением рабочей частоты, коэффициент усиления транзистора понижается. Если для построения усилителя использовать, например, схему с общим эмиттером, то при некоторой (граничной) частоте каскад перестает усиливать входной сигнал. Использование этого - же транзистора, но включенного по схеме с общей базой, позволяет значительно повысить граничную частоту усиления. Каскад, собранный по схеме с общей базой, обладает низким входным и невысоким выходным сопротивлениями (эти параметры очень хорошо согласуются при работе в антенных усилителях с использованием так называемых "коаксиальных" несимметричных высокочастотных кабелей, волновое сопротивление которых как правило не превышает 100 ом). Если сравнивать величины сопротивлений для каскада с ОЭ и ОБ, то входное сопротивление каскада с ОБ в (1+Н21э) раз меньше, чем с ОЭ, а выходное в (1+Н21э) раз больше. Каскад с ОБ не изменяет фазы входного сигнала. Достоинствами схемы являются стабильные температурные и частотные свойства, то есть параметры схемы(коэффициент усиления напряжения, тока и входное сопротивление) остаются неизменными при изменении температуры окружающей среды. Недостатками схемы являются малое входное сопротивление и отсутствие усиления по току.

Динистор. Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости. Динистор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение Динисторов — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды Динисторов, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают Динисторы, проводящие ток в одном направлении (например Динистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы). Динистор имеет нелинейную вольт-амперную характеристику (ВАХ) с участком отрицательного дифференциального сопротивления. По сравнению, например, с транзисторными ключами, управление Динистором имеет некоторые особенности. Переход Динистора из одного состояния в другое в электрической цепи происходит скачком (лавинообразно) и осуществляется внешним воздействием на прибор: либо напряжением (током), либо светом (для фото Динистора). После перехода Динистора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала, если протекающий через Динистор ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

Билет № 31