.
Импульсные и цифровые устройства. Логические элементы Дешифраторы и шифраторы Мультивибраторы Проектные параметры резисторов Элементы инжекционной логики Конструкции МДП-транзисторов Проектирование топологии ИС

Физика решение задач

Мультивибратор

Мультивибратор (рис. 16.15) состоит из двух усилителей, причем выходное напряжение левого усилителя снимается с коллектора транзистора VTl и передается на вход правого усилителя, а выходное напряжение этого усилителя снимается с коллектора VТ2 и подается на вход левого усилителя (на участок базаэмиттер транзистора VTl). Обычно RM имеет величину ~1 кОм, R6 порядка десятков кОм, Сl и С2 десятых долей микрофарады. При усилении транзистором VTl набег фаз гармонического сигнала равен , при усилении этого сигнала транзистором VТ2 набег фазы также равен . В диапазоне от единиц до сотен кГц сопротивлением емкостей можно пренебречь. Тогда общий набег фазы в замкнутой цепи из двух усилителей равен , т. е. в системе существует широкополосная положительная обратная связь и условия генерации   выполняются сразу на многих не кратных частотах. Наличие активных нелинейных элементов транзисторов и отсутствие фильтрующих цепей приводит к генерации негармонических периодических колебаний.

Рассмотрим процессы, происходящие в мультивибраторе (рис. 16.15), который содержит два транзистора прп типа. Для транзистора такого типа положительное напряжение  открывает транзистор. Пусть в начальный момент времени через оба транзистора текут токи покоя базы  и коллектора . При этом напряжение покоя на базе , а на коллекторе  порядка нескольких вольт (рис. 16.16а,б). Конденсаторы С1 и С2 заряжены, и напряжение на них равно 

 Рис. 16.15 Рис. 16.16

Предположим теперь, что ток коллектора первого транзистора VTl вырос. Это приводит к увеличению падения напряжения на  и уменьшению  до примерно 1В, при этом и оба перехода в транзисторе открываются (режим насыщения) (рис. 16.16а). Потенциал правой пластины конденсатора   уменьшается, и это приводит к появлению разрядного тока , протекающего через сопротивление . Поскольку потенциал точки В равен Е, протекание дополнительного тока приводит к понижению потенциала точки А,   (рис. 16.16г.) и, в силу этого, к закрыванию транзистора VТ2. Напряжение на коллекторе VТ2 достигает Еп (рис. 16.16в), в силу этого возрастает до Еп потенциал правой пластины , через базу  протекает большой ток, потенциал точки С возрастает, в силу этого ток  транзистора VTl, растет (рис. 16.16б), а напряжение на его коллекторе  падает. Длительность процессов определяется постоянной времени . Уменьшение   приводит к дальнейшему уменьшению . Когда  упадет до нуля, за счет тока, протекающего через , начнет повышаться потенциал правой пластины , в силу этого откроется транзистор VТ2 и закроется транзистор VTl. Таким образом, напряжения на конденсаторах  и  меняют знак.

Мультивибратор используется как генератор прямоугольных импульсов необходимой частоты. Если ,  ,  то мультивибратор называется симметричным. Период Т колебаний такого мультивибратора в два раза больше длительности импульсов , скважность импульсов равна 2.

Широко используются также несимметричные мультивибраторы, в которых ,  , .

Мультивибратор можно собрать также на основе микросхемы, например, операционного усилителя КР 140 УД1Б (см. рис. 16.17). В этой схеме имеются 2 цепи обратной связи. Положительная обратная связь подается

 Рис. 16.17

на неинвертирующий вход с делителя напряжения . Отрицательная обратная связь подается на инвертирующий вход через резистор .

16.5.3. Блокинггенератор

Блокинггенератор используется в качестве генератора коротких импульсов. Это релаксационный автогенератор, в котором широкополосная положительная обратная связь создается с помощью импульсного трансформатора, способного пропускать импульсы, содержащие большое количество гармоник: Блокинггенератор, как и мультивибратор, может работать в режиме автоколебаний и ждущем режиме, когда он начинает работать при подаче внешнего запускающего импульса.

Рассмотрим работу простейшего блокинггенератора в режиме автоколебаний. Схема простейшего блокинггенератора на транзисторе

прп типа приведена на рис. 16.18а. Напряжение  равно в соответствии со вторым законом Кирхгофа . Напряжение  связано коэффициентом трансформации К с напряжением   на первичной обмотке трансформатора . Напряжение  определяется скоростью

 


 Рис. 16.18

изменения тока : , отсюда . Напряжение на коллекторе равно . Пусть в начальный момент времени напряжение на конденсаторе ис=0.

Транзистор при этом закрыт. Через сопротивление R протекает ток, и конденсатор заряжается, ис растет (рис. 16.19а). Поскольку ток  через транзистор не протекает (), uL1 =0, uL2 = 0, и вместе с ростом ис растет ибэ. Наступает момент, когда транзистор открывается и  возрастает

(рис. 16.19г), напряжение ик падает (рис. 16.19б),

 Рис. 16.19

ибэ увеличивается (рис. 16.19в). Это приводит к дальнейшему увеличению   и появлению тока базы , который перезаряжает конденсатор, и потенциал точки  становится отрицательным, а полярность ик запирающей для транзистора. С течением времени   достигает насыщения и перестает расти, следовательно, , , и это напряжение запирает транзистор. Затем конденсатор С разряжается, отрицательное напряжение мс падает по модулю, С перезаряжается, ис становится положительным, транзистор вновь открывается, и все процессы повторяются. Зависимость напряжения на коллекторе от времени имеет форму, близкую к прямоугольной. В течение времени, когда ток коллектора падает,  и напряжение ик на коллекторе становится больше Еп, что может привести к пробою коллекторного перехода. Чтобы избежать этого, первичную обмотку L1 шунтируют последовательно включенными и диодом VD1, и резистором . При  диод открывается, и напряжение ик не превышает Еп. В реальных схемах блокинггенераторов для ограничения iK последовательно с Ll включается ограничивающий резистор . Полная схема блокинггенератора приведена на рис. 16.19б).

Блокинггенераторы широко используются в генераторах развертки в телевизионных приемниках.

Толщина коллекторного слоя структур определяется спецификой реализации диэлектрической изоляции с применением метода травления и составляет не менее (5–8) мкм. Не менее этого значения составляют расстояния между изолированными карманами. Распределение примесей в слоях структуры может отличаться от структуры с ЭПСК только квазиравномерным распределением примеси в скрытом слое.

Несмотря на различия вариантов изоляции карманов диэлектриками, конечным результатом является конструкция ИМС с диэлектрической подложкой, в которую погружены или на поверхности которой сформированы монокристаллические карманы с элементами ИМС. Технология производства конструкций кристаллов с полной диэлектрической изоляцией достаточно сложна, так как представлена совокупностью плохо совместимых процессов травления, механической обработки, нанесения инородных материалов после применения к формированию элементов диффузии, эпитаксиального наращивания, ионной имплантации. Отсюда следуют повышенный производственный брак, значительные потери площади кристалла и повышенные расходы.


В определенной степени ослабить недостатки производства конструкций БПТ с полной диэлектрической изоляцией позволяют конструкции с комбинированной изоляцией. Примеры таких конструкций — структуры БПТ с боковой диэлектрической изоляцией «толстым» диэлектриком (а) и V-каналами (б) изображены на рисунке 2.15.

  В этих структурах донные поверхности коллекторной области изолированы от подложки р-n-переходом, а боковые — диэлектриком, что позволяет существенно уменьшить емкости всех p-n-переходов структуры БПТ.

Транзисторы со структурой, представленной на рисунке 2.15, а, изготовляют по изопланарной (формирование слоев структуры и изоляции со стороны одной поверхности кристалла) технологии. Боковую изоляцию формируют путем локального окисления кремния. Для сокращения длительности локального окисления используют тонкие эпитаксиальные пленки. При формировании базовой области и частично эмиттера диффузия производится в «колодец», образуемый стенками «толстого» окисла. Это позволяет получить малые размеры интегрального транзистора, снизить боковые составляющие емкостей коллекторного и, частично, эмиттерного переходов и существенно ослабить требования к точности совмещения при выполнении фотолитографических процессов. Распределения примеси в структуре аналогичны распределениям для БПТ с ЭПСБ.

Структура с комбинированной изоляцией, в которой «толстый» разделительный диэлектрик заменен V-каналом (образующимся в результате анизотропного травления кремниевой подложки, поверхность которой ориентирована по кристаллографической плоскости (100)), показана на рисунке 2.15, б. Глубина V- канала (d) c шириной окна в маске (L) связана соотношением d=L/√2.

С целью повышения быстродействия (расширения частотного диапазона ИМС) реализованы структуры на кристаллических диэлектрических подложках (КНД — кремний на диэлектрике). Распространенный вариант такой структуры показан на рисунке 2.16, где в качестве коллекторного слоя используются островки-карманы 1 эпитаксиальной пленки кремния на диэлектрической подложке (сапфире) 2 (КНС-структура).

Недостатками структуры КНС являются:

высокая плотность дефектов в эпитаксиальной пленке и, как следствие, низкий процент выхода годных кристаллов;

технологические дефекты в соединениях приборов из-за перепада высот рельефа поверхности структуры;

ухудшение отвода тепла через диэлектрик (как в структурах КВД).

Совершенствование технологии и оборудования формирования полупроводниковых, проводящих, изоляционных, маскирующих и защитных пленок и слоев позволило для рассмотренных структур уменьшить размеры и предложить их более совершенные структурные модификации.


На главную