ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 18.03.2024
Просмотров: 198
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
тока транзистора в схеме включения с общей базой α является важнейшим параметром БТ. Можно показать, что коэффициент усиления по мощности БТ с общей базой определяется выражением
Где Rн – сопротивление нагрузки, включаемое в разрыв коллекторной цепи; rэ -сопротивление открытого ЭП, обычно очень малое. Так как БТ в отношении нагрузки является источником тока (сопротивление закрытого КП очень велико), Rн может на несколько порядков превышать rэ. Поэтому, Кp может достигать многих тысяч раз. На величину коэффициента усиления влияют следующие особенности конструкции. Качество работы ЭП характеризуется коэффициентом инжекции
Качество процессов в базе характеризуется коэффициентом переноса К, который показывает, какая доля инжектированных в базу носителей избегает рекомбинации и достигает КП:
Общая база:
Входные характеристики БТ в схеме с общей базой – это зависимости Iэ(Uэб) при различных Uкб, т.е. ВАХ эмиттерного перехода.
Эти характеристики представляют интерес только при прямых входных напряжениях. Они близки к обычной для ВАХ p-n перехода экспоненте. Положение входной характеристики несколько зависит от выходного напряжения Uкб. При увеличении этого напряжения увеличивается толщина обедненного слоя КП. Следовательно, уменьшается эффективная толщина базы w и возрастает градиент инжектированных в неё свободных электронов dn/dw. Поэтому с ростом Uкб
возрастает и диффузионный входной ток (эффект Эрли).
Выходные характеристики БТ в схеме с общей базой – это зависимости Iк(Uкб) при различных токах эмиттера, т.е. ВАХ коллекторного перехода.
По форме они такие же, как обратная ветвь ВАХ p-n перехода, но смещены от нуля на значение тока, созданного за счет инжектированных из эмиттера в базу электронов. В отличие от ВАХ p-n перехода, их принято помещать в первом квадранте, т.е. в перевёрнутом виде. Выходные характеристики обычно изображают в виде семейства характеристик. Это позволяет графически отразить не только зависимость Iк(Uкб), но и зависимость Iк(Iэ). По отношению к ВАХ p-n перехода выходные характеристики частично смещены в область прямых напряжений. Следовательно, Iк остаётся большим в отсутствие напряжения на КП и даже при небольших прямых напряжениях. Это объясняется тем, что экстракция неосновных
носителей из базы осуществляется собственным полем КП. И только при небольших прямых напряжениях, близких к к0, ток в нём исчезает из-за встречного диффузионного тока КП.
Входные характеристики.
Входное напряжение в схеме с общим эмиттером UбЭ –это напряжение на ЭП. Входной ток–это почти неизменная часть тока ЭП: Iб ≈ Iэ/β.Поэтому входные характеристики Рис.39 в схеме с общим эмиттером отличаются только обратным проявлением эффекта Эрли, т.е. влиянием выходного напряжения Uкэ на входной ток Iб. Когда с ростом Uкэ КП расширяется, а база сужается, Iб уменьшается из-за уменьшения
рекомбинации. Входные характеристики смещаются вправо, а не влево, как в схеме с общей базой.
Выходные характеристики схемы общим эмиттером.
Выходной ток Iк, как и в схеме с общей базой – это ток КП. Выходное напряжение Uкэ — это напряжение на КП плюс напряжение на ЭП: Uкэ=Uкб+Uбэ. Поэтому выходные характеристики на величину Uбэ смещены вправо и целиком находятся в первом квадранте. Из-за того, что выходное напряжение частично приложено и к ЭП, выходные характеристики имеют также более значительный наклон.
В некоторых отношениях биполярные транзисторы превосходят МДП-транзисторы. Кроме того, сначала в ИС использовались именно БТ. Поэтому, а также в силу инерции производства и рынка, ИС на основе БТ иногда ещё применяются (ИС на интегральных БТ).
На рис. 10 изображён фрагмент подложки ИС с интегральным БТ наиболее распространённой структуры n- p-n. Очевидно, что изготовление такого транзистора потребует намного большего числа технологических операций (сравните с рис. 9).
Рис. 10
Самый глубокий слой в таком БТ – это так называемый скрытый n+-слой, т.е. слой с высокой концентрацией примеси. Его нельзя создать диффузией примеси сверху. Поэтому изготовление БТ начинается с эпитаксии на поверхности подложки сплошного n+-слоя. Затем на него наращивается будущий коллекторный n-слой. Эти два слоя потребуется разделить на отдельные островки со структурой n+- n, в каждом из которых будет сформирован БТ. Для разделения островков понадобится первая фотолитография
и так называемая разделительная диффузия акцепторной примеси, которая превратит промежутки между островками в кремний р-типа.
Для создания базы (р-слой) и эмиттера (n+-слой) потребуются ещё две фотолитографии и диффузии. Завершается изготовление напылением сплошного металлического слоя, ещё одной фотолитографией и травлением «лишнего» металла.
АИС – аналоговые интегральные схемы, использование аналоговых сигналов, описывающихся непрерывными функциями.
Специфика АИС предопределила применение только нескольких типов хорошо зарекомендовавших себя узлов:
Стабилизация напряжения сравнительно просто осуществляется при использовании электрического пробоя p-n перехода (стабилитрон). В таком состоянии напряжение на переходе остаётся практически неизменным даже при больших изменениях тока.
Более сложной задачей является стабилизация тока. Если стабильное напряжение обеспечивается элементами с вертикальной ВАХ (участок пробоя), то для стабилизации тока нужны элементы с горизонтальными ВАХ. Протяженными, почти горизонтальными участками ВАХ обладают выходные характеристики биполярного и МДП транзистора, рис. 37.
Рис. 37
Поэтому основным типом генератора стабильного тока (ГСТ) является БТ или МДП транзисторы, включённые последовательно с цепью, в которой нужно стабилизировать ток (стабилизиремая цепь, СЦ на рис. 38 а,б,в). Величина стабилизируемого тока I0 определяется режимом транзистора ГСТ, который задаётся входным током I
б0 в схеме с БТ или входным напряжением Uзи0 в схеме с МДП транзистором. На рис. 38, представлена простейшая схема задания режима ГСТ. Здесь R1, R2, R3 определяют входной ток БТ, а диод D компенсирует температурные изменения режима.
Рис. 38, а,б,в
В АИС нередко возникает задача создания одинаковых или пропорциональных друг другу токов сразу в нескольких стабилизируемых цепях СЦ, рис. 39. Её решением является применение схемы «токовое зеркало».
Рис. 39
В такой схеме необходимое значение I0 задается сопротивлением R. При этом у Т1 установится некоторое напряжение Uбэ0. Так как все транзисторы схемы соединены участками база-эмиттер параллельно, такое же напряжение Uбэ0 установится у всех транзисторов схемы. Если транзисторы одинаковые, что легко обеспечивается при интегральной технологии изготовления, одинаковые режимы одинаковых транзисторов приведут к равенству токов всех СЦ требуемой величине I0. Таким образом, режимы «ведомых» транзисторов Т2, Т3, Т4… повторяют, «отражают» режим ведущего транзистора Т1. С этим и связано происхождение названия схемы.
Если необходимо неединичное отношение n токов ведущего и ведомого транзисторов, их изготавливают неодинаковыми. При этом изменяют только площадь эмиттерного перехода БТ, что не приводит к усложнению изготовления ИС. Поскольку ток инжекции и выходной ток БТ пропорциональны площади эмиттерного перехода Sэ, у любого ведомого БТ, например у Тn, можно получить ток nI0, где n = Sэn / Sэ1.
Аналогичные схемы применяются в МДП ИС.
АИС, как правило, имеют многокаскадную структуру. Включение усилительных каскадов один за другим позволяет получить любой желаемый коэффициент усиления:
Ku = Ku1 ∙ Ku2 ∙ Ku3 …. (11)
Где Rн – сопротивление нагрузки, включаемое в разрыв коллекторной цепи; rэ -сопротивление открытого ЭП, обычно очень малое. Так как БТ в отношении нагрузки является источником тока (сопротивление закрытого КП очень велико), Rн может на несколько порядков превышать rэ. Поэтому, Кp может достигать многих тысяч раз. На величину коэффициента усиления влияют следующие особенности конструкции. Качество работы ЭП характеризуется коэффициентом инжекции
Качество процессов в базе характеризуется коэффициентом переноса К, который показывает, какая доля инжектированных в базу носителей избегает рекомбинации и достигает КП:
Статические характеристики:
Общая база:
Входные характеристики БТ в схеме с общей базой – это зависимости Iэ(Uэб) при различных Uкб, т.е. ВАХ эмиттерного перехода.Эти характеристики представляют интерес только при прямых входных напряжениях. Они близки к обычной для ВАХ p-n перехода экспоненте. Положение входной характеристики несколько зависит от выходного напряжения Uкб. При увеличении этого напряжения увеличивается толщина обедненного слоя КП. Следовательно, уменьшается эффективная толщина базы w и возрастает градиент инжектированных в неё свободных электронов dn/dw. Поэтому с ростом Uкб
возрастает и диффузионный входной ток (эффект Эрли).
Выходные характеристики БТ в схеме с общей базой – это зависимости Iк(Uкб) при различных токах эмиттера, т.е. ВАХ коллекторного перехода.
По форме они такие же, как обратная ветвь ВАХ p-n перехода, но смещены от нуля на значение тока, созданного за счет инжектированных из эмиттера в базу электронов. В отличие от ВАХ p-n перехода, их принято помещать в первом квадранте, т.е. в перевёрнутом виде. Выходные характеристики обычно изображают в виде семейства характеристик. Это позволяет графически отразить не только зависимость Iк(Uкб), но и зависимость Iк(Iэ). По отношению к ВАХ p-n перехода выходные характеристики частично смещены в область прямых напряжений. Следовательно, Iк остаётся большим в отсутствие напряжения на КП и даже при небольших прямых напряжениях. Это объясняется тем, что экстракция неосновных
носителей из базы осуществляется собственным полем КП. И только при небольших прямых напряжениях, близких к к0, ток в нём исчезает из-за встречного диффузионного тока КП.
Общий эмиттер:
Входные характеристики.
Входное напряжение в схеме с общим эмиттером UбЭ –это напряжение на ЭП. Входной ток–это почти неизменная часть тока ЭП: Iб ≈ Iэ/β.Поэтому входные характеристики Рис.39 в схеме с общим эмиттером отличаются только обратным проявлением эффекта Эрли, т.е. влиянием выходного напряжения Uкэ на входной ток Iб. Когда с ростом Uкэ КП расширяется, а база сужается, Iб уменьшается из-за уменьшения
рекомбинации. Входные характеристики смещаются вправо, а не влево, как в схеме с общей базой.
Выходные характеристики схемы общим эмиттером.Выходной ток Iк, как и в схеме с общей базой – это ток КП. Выходное напряжение Uкэ — это напряжение на КП плюс напряжение на ЭП: Uкэ=Uкб+Uбэ. Поэтому выходные характеристики на величину Uбэ смещены вправо и целиком находятся в первом квадранте. Из-за того, что выходное напряжение частично приложено и к ЭП, выходные характеристики имеют также более значительный наклон.
36. Устройство и изготовление интегрального биполярного транзистора.
В некоторых отношениях биполярные транзисторы превосходят МДП-транзисторы. Кроме того, сначала в ИС использовались именно БТ. Поэтому, а также в силу инерции производства и рынка, ИС на основе БТ иногда ещё применяются (ИС на интегральных БТ).
На рис. 10 изображён фрагмент подложки ИС с интегральным БТ наиболее распространённой структуры n- p-n. Очевидно, что изготовление такого транзистора потребует намного большего числа технологических операций (сравните с рис. 9).
Рис. 10
Самый глубокий слой в таком БТ – это так называемый скрытый n+-слой, т.е. слой с высокой концентрацией примеси. Его нельзя создать диффузией примеси сверху. Поэтому изготовление БТ начинается с эпитаксии на поверхности подложки сплошного n+-слоя. Затем на него наращивается будущий коллекторный n-слой. Эти два слоя потребуется разделить на отдельные островки со структурой n+- n, в каждом из которых будет сформирован БТ. Для разделения островков понадобится первая фотолитография
и так называемая разделительная диффузия акцепторной примеси, которая превратит промежутки между островками в кремний р-типа.
Для создания базы (р-слой) и эмиттера (n+-слой) потребуются ещё две фотолитографии и диффузии. Завершается изготовление напылением сплошного металлического слоя, ещё одной фотолитографией и травлением «лишнего» металла.
-
Генератор стабильного тока, токовое зеркало, цепь сдвига уровня.
АИС – аналоговые интегральные схемы, использование аналоговых сигналов, описывающихся непрерывными функциями.
Специфика АИС предопределила применение только нескольких типов хорошо зарекомендовавших себя узлов:
-
Генератор стабильного тока; -
Токовое зеркало; -
Цепь сдвига уровня; -
Дифференциальный усилительный каскад.
Генератор стабильного тока:
Стабилизация напряжения сравнительно просто осуществляется при использовании электрического пробоя p-n перехода (стабилитрон). В таком состоянии напряжение на переходе остаётся практически неизменным даже при больших изменениях тока.
Более сложной задачей является стабилизация тока. Если стабильное напряжение обеспечивается элементами с вертикальной ВАХ (участок пробоя), то для стабилизации тока нужны элементы с горизонтальными ВАХ. Протяженными, почти горизонтальными участками ВАХ обладают выходные характеристики биполярного и МДП транзистора, рис. 37.
Рис. 37
Поэтому основным типом генератора стабильного тока (ГСТ) является БТ или МДП транзисторы, включённые последовательно с цепью, в которой нужно стабилизировать ток (стабилизиремая цепь, СЦ на рис. 38 а,б,в). Величина стабилизируемого тока I0 определяется режимом транзистора ГСТ, который задаётся входным током I
б0 в схеме с БТ или входным напряжением Uзи0 в схеме с МДП транзистором. На рис. 38, представлена простейшая схема задания режима ГСТ. Здесь R1, R2, R3 определяют входной ток БТ, а диод D компенсирует температурные изменения режима.
Рис. 38, а,б,в
Токовое зеркало:
В АИС нередко возникает задача создания одинаковых или пропорциональных друг другу токов сразу в нескольких стабилизируемых цепях СЦ, рис. 39. Её решением является применение схемы «токовое зеркало».
Рис. 39
В такой схеме необходимое значение I0 задается сопротивлением R. При этом у Т1 установится некоторое напряжение Uбэ0. Так как все транзисторы схемы соединены участками база-эмиттер параллельно, такое же напряжение Uбэ0 установится у всех транзисторов схемы. Если транзисторы одинаковые, что легко обеспечивается при интегральной технологии изготовления, одинаковые режимы одинаковых транзисторов приведут к равенству токов всех СЦ требуемой величине I0. Таким образом, режимы «ведомых» транзисторов Т2, Т3, Т4… повторяют, «отражают» режим ведущего транзистора Т1. С этим и связано происхождение названия схемы.
Если необходимо неединичное отношение n токов ведущего и ведомого транзисторов, их изготавливают неодинаковыми. При этом изменяют только площадь эмиттерного перехода БТ, что не приводит к усложнению изготовления ИС. Поскольку ток инжекции и выходной ток БТ пропорциональны площади эмиттерного перехода Sэ, у любого ведомого БТ, например у Тn, можно получить ток nI0, где n = Sэn / Sэ1.
Аналогичные схемы применяются в МДП ИС.
Цепь сдвига уровня:
АИС, как правило, имеют многокаскадную структуру. Включение усилительных каскадов один за другим позволяет получить любой желаемый коэффициент усиления:
Ku = Ku1 ∙ Ku2 ∙ Ku3 …. (11)
