.
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

Диодные ключи

 Простейший тип электронных ключей диодные ключи. В качестве активных элементов в них используют полупроводниковые или электровакуумные диоды.

На рисунке 17.4а и передаточная характеристика (рис. 17.4б) последовательного ключа с нулевым уровнем включения, а на рисунке 16.4 в дана схема и передаточные характеристики (рис. 17.4 г) последовательного диодного ключа с ненулевым уровнем включения.

Нулевой уровень включения это уровень входного напряжения, определяющий отпирание или запирание диода.

 



 Рис. 17.4

При положительном входом напряжении диод открыт и ток через него

 i = uвх/(Rпр + R), (17.1)

где Rпр прямое сопротивление диода.

 Выходное напряжение:

 Uвых = Ri = R (17.2)

 Обычно Rпр<<R, тогда uвыхuвх. При отрицательном входном напряжении обратный ток через диод:

 I = uвх/Rобр + R, (17.3)

где Rобр обратное сопротивление диода.

 При этом выходное напряжение

 Uвых = Ri = Ruвх/ Rобр + R. (17.4)

 Как правило Rобр>>R и UвыхRuвх/ Rобр << uвх. При изменении полярности включения диода график функции Uвых = f(uвх) повернется на угол   вокруг начала координат.

 Схема 17.4а соответствует нулевой уровень включения  (уровень входного напряжения, определяющий отпирание или запирание диода). Для изменения уровня включения в цепь ключа вводят источник напряжения смещения   (рис. 17.4 в). В этом случае при Uвых >  диод открыт и Uвых  uвх, а при uвх <  закрыт и Uвых =   . Если изменить полярность источника , то график функции Uвых(uвх) приобретает вид, показанный на рисунке 17.4г пунктирной линией.

 В качестве источника  часто используют резистивный делитель напряжения, подключенный к общему для электронного устройства источнику питания. Применяя переменный резистор как регулируемый делитель напряжения, можно изменить уровень включения.

  При положительном входном напряжении диод открыт (ключ замкнут), Uвых   0, а при отрицательном закрыт (ключ разомкнут), Uвых   uвх. Для изменения уровня включения в цепь ключа вводят источник напряжения смещения  , включенный последовательно с диодом (рис. 17.5 а).


 Рис. 17.5

При изменении полярности включения диода и источника  получают характеристику, показанную на рисунке 17.5б, схема и передаточная характеристика параллельного диодного ключа с нулевым уровнем включения.

 Диодные ключи не позволяют электрически разделить управляющую и управляемую цепи, что часто требуется на практике. В этих случаях используют транзисторные ключи. На рисунке 17.6 а приведена схема ключа на биполярном транзисторе. Входная (управляющая) цепь здесь отделена от выходной (управляемой) цепи. Ключ мало отличается от усилителя, выполненного по схеме с общим эмиттером. Однако транзистор работает в ключевом режиме, характеризуемом двумя состояниями. Первое состояние определяется точкой А1 на выходных характеристиках транзистора; его называют режимом отсечки.

 



 Рис. 17.6

В режиме отсечки ток базы , коллекторный ток  равен начальному коллекторному току, а коллекторное напряжение  (рис. 17.6б). Режим отсечки реализуется при отрицательных потенциалах базы.

Второе состояние определяется точкой А2 и называется режимом насыщения .он реализуется при положительных потенциалах базы. При этом ток базы определяется в основном сопротивлением резистора  и , поскольку сопротивление открытого эмиттера перехода мало. Коллекторный переход также открыт, и ток коллектора , а коллекторное напряжение .

Из режима отсечки в режим насыщения транзистор переводится воздействием положительного  входного напряжения. При этом повышению входного напряжения (потенциала базы) соответствует понижение выходного напряжения (потенциала коллектора), и наоборот. Такой ключ называют инвертирующим (инвертором). В рассмотренном транзисторном ключе уровни выходного напряжения, соответствующие режимам отсечки и насыщения, стабильны и почти не зависят от температуры.

Топологические конфигурации диодов

Топологические конфигурации диодов формируются на основе положений, ранее рассмотренных применительно к транзисторным конструкциям. Для полной структуры БПТ со схемой соединений, приведенной на рисунке 2.30, а, ток диода равен току эмиттера. Выбор, формирование топологии и оценка параметров диода не отличаются от методики проектирования и оценки параметров БПТ, за исключением отсутствия нормы на усиление тока.

Топология диода со схемой соединений, показанной на рисунке 2.30, в, исполняется без контактной области на коллекторном слое, что позволяет уменьшить габариты диода по коллекторной области. В отсутствие прямого ограничения на величину плотности тока, величина допустимого рабочего тока для диода ограничена допустимым уровнем неравномерности плотности тока по эмиттерной области. Можно показать, что по этому критерию ток диода Id не должен превышать значения, определяемого по формуле

 Id < 3 ×Ft × √[α2×α3 / (R□me × R□a)], (2.87)

в которой обозначения переменных соответствуют обозначениям, принятым в формулах (2.48) — (2.53). Как следует из приведенного условия, величина тока диода в рассматриваемой схеме включения не зависит от размеров эмиттера, а определяется отношением длины эмиттера Lэ к ширине Bэ, которое должно удовлетворять условию

 (Lэ/ Bэ) ≈ √(R□me / R□a). (2.88)

Одно из измерений эмиттера, например длину, можно выбрать, руководствуясь технологическими ограничениями на минимальные размеры топологических форм, а ширину эмиттера привести в соответствие по отношению размеров. Если за основу принять плотность тока, равной плотности эмиттерного тока базовой структуры БПТ (Io), то длину эмиттера можно принять равной

  Lэ = √(Id / Iо) × √(R□me / R□a). (2.89)

Топологические размеры «изолированного» диода на основе коллекторно-базового перехода транзисторной структуры по схеме соединений, изображенной на рисунке 2.30, д (без эмиттерной области), определяются с учетом того, что ток диода Id является током базы дополняющего транзистора р-n-p (см. рис. 2.24), тогда как полный ток р-эмиттера существенно превышает ток диода. Для обеспечения равномерной плотности тока через эмиттерный переход длина эмиттера выбирается по формуле (2.49)

  Lэ ≤ √[3 ×α2×B×Ft/(Io× R□a)], (2.90)

в которой параметры В, Iо, R□a определяются для структуры транзистора на основе базового, коллекторного слоев и основания. Площадь эмиттера должна соответствовать току эмиттера Iэ, определяемому соотношением

Iэ = (В+1)×Id.

Снижение тока, фильтруемого на основание, может быть обеспечено уменьшением площади донной части, уменьшением коэффициента В через снижение коэффициента инжекции и повышением напряжения спрямления по донной части эмиттера.

Для диодов, исполняемых с диэлектрической изоляцией, фильтрация тока на основание (пластину) отсутствует. Выбор форм и размеров таких диодов осуществляется по формулам (2.87) — (2.89).

 

Проектные параметры диодов

Параметрами диодов ИМС [3, 4]являются:

допустимое рабочее напряжение обратного включения, Uобр;

прямое напряжение диода (напряжение спрямления), Ud;

рабочий ток прямого включения, Id;

сопротивление прямого включения, Rd;

обратный ток диода, Iобр;

барьерные емкости диода Cd и изоляции Си;

диффузионная емкость Сдиф;

время переключения диода Тd.

В дополнение к названным параметрам для диодов ИМС характерным свойством является возможная гальваническая связь их электродов с несущим основанием ИМС.

Допустимое рабочее напряжение обратного включения, Uобр для диодов ИМС определяется электрической прочностью рабочего перехода диода и его изоляцией от несущего основания исходной структуры. Влияние эффекта умножения на значение допустимого напряжения изоляции должно учитываться только для схемы включения, изображенной на рисунке 2.30, д, в которой уровень фильтрации тока на основание зависит от умножения в переходе коллектор — основание.

Напряжение спрямления, Ud зависит от контактной разности p-n-перехода, которая, в свою очередь, определяется шириной запрещенной зоны материала и степенью легирования анодной и катодной областей перехода. Напряжение спрямления диода для приближенной оценки значения можно представить в следующем виде

 Ud = m×Ft×Ln[0,1×Id/(Io×Sd)]. (2.91)

В выражении (2.91) приняты обозначения:

2 > m > 1 — коэффициент учета не идеальности расчетной модели;

Id — рабочий ток диода;

Io×Sd = q×ni2[Ln/(τn×Na) +Lp/(τp×Nd)]×Sd — ток насыщения рабочего перехода;

q, ni, Ln,, Lр, τn, τp, Na, Nd, Sd — заряд электрона, собственная концентрация носителей в материале, усредненные диффузионные длины неосновных электронов и дырок, времена жизни неосновных электронов и дырок в областях перехода, концентрации акцепторных и донорных примесей, площадь диодного перехода соответственно.

Рабочий ток прямого включения, Id — проектный параметр по функциональному назначению, равный максимально допустимому току применения, а для конструктивного исполнения — это параметр, определяющий выбор форм и размеров диода.

Сопротивление прямого включения, Rd — проектный параметр, по функциональному значению равный сумме сопротивления электродных областей и диффузионного диода Rдиф. Сопротивление электродных областей определяется формой и размерами диода и оценивается по моделям, рассмотренным в подразделе 2.13, применительно к оценке межэлектродных сопротивлений БПТ. Диффузионное сопротивление диода определяется по формуле

 Rдиф = k×T/[q × (Id + Io ×Sd)] (2.92)

и косвенно зависит от толщины электродов диода через зависимость тока насыщения Io ×Sd, от толщины электродных областей Wn и Wp по формуле

 Io×Sd = q×ni2[Dn/(Wn×Na) +Dp/(Wp×Nd)]×Sd (2.93)

при выполнении условий Wn < Ln, Wp < Lp.

 Обратный ток диода, Iобр для полупроводниковых материалов с шириной запрещенной зоны более одного электрон-вольта представляется суммой тока насыщения, равного Sd×Io, и генерационной составляющей, оцениваемой по формуле

 g = q × n i× Wpn × Sd / τ, (2.94)

где Wpn — ширина p-n-перехода при обратном включении диода.

Барьерные емкости диода Cd и изоляции Си определяются удельными емкостями соответствующих переходов диодной структуры и площадями этих переходов. Усредненные значения емкостей (или их значения с учетом функциональной зависимости от напряжений) включаются в расчетные схемы замещения диода.

Диффузионная емкость, Сдиф определяется накоплением неосновных носителей заряда в электродных областях диода при прямом включении. Диффузионная емкость зависит от величины прямого тока, усредненного времени жизни неосновных носителей заряда τ ≈ τn ≈ τp в электродных областях диода и толщины этих областей. Количественно емкость оценивается по выражению

 Сдиф ≈ (q× τ/2×k×T)× (Id + Io ×Sd). (2.95)

Неявная зависимость диффузионной емкости от протяженности электродов проявляется через зависимость тока насыщения Io ×Sd от толщины электродных областей Wn и Wp по формуле (2.93).

Время переключения диода Тd характеризует длительность процессов перезаряда диффузионной и барьерной емкостей при переключениях из обратного на прямое включение и, наоборот, из прямого на обратное включение. Перезаряд может осуществляться от источников сигнала со свойствами генератора напряжения, тока или с некоторыми промежуточными свойствами. Сложность явлений обуславливает несовершенство моделей представления полупроводниковых диодов для описания во временной области. На переключениях в области обратных смещений удовлетворительные результаты позволяет получить учет барьерной емкости, обратных токов и сопротивлений электродов и эквивалентных резистивных шунтов обратно смещенного перехода. На переключениях из прямых смещений на обратные, при повышенных прямых токах, существенный вклад в процесс вносят диффузионные емкость и сопротивление. Произведение СдифRдиф сравнимо с усредненным временем жизни неосновных носителей заряда в базовом и эмиттерном слоях структуры (τ). При переключении диода из прямого на обратное включение p-n-переход некоторое время остается открытым вследствие избыточной концентрации накопленных неосновных носителей и через диод в обратном направлении протекает ток, снижающийся до величины статического обратного тока. Время, за которое обратный ток диода достигает нормированного к статическому обратному току значения, принято называть временем восстановления обратного сопротивления. Это время зависит и от диффузионной, и от барьерной емкости с тем отличием, что при увеличении обратного напряжения вклад диффузионного накопления снижается, а вклад влияния барьерной емкости повышается.


На главную