.
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

Электронные ключи используемые для формирования импульсов, а также в качестве ограничителей амплитуды импульса

Электронные ключи часто используют в устройствах формирования импульсов. К простейшим и наиболее распространенным устройствам формирования импульсов относят ограничители, а также линейные цепи, включаемые на выходе электронных ключей.

Ограничителем называют нелинейный четырехполюсник, выходное напряжение которого повторяет форму входного напряжения, если последнее не выходит за уровни ограничения, и почти не изменяется, если входное напряжение превышает эти уровни.

 В качестве ограничителей используют рассмотренные электронные ключи.

 Для ограничения сверху применяют последовательные или параллельные диодные ключи, а также транзисторные ключи, работающие только в режиме отсечки или только в режиме насыщения. На рисунке 17.7 показано ограничение синусоидального напряжения сверху с помощью параллельного диодного ключа (рис. 17.5в). Уровень ограничения равен уровню включения ключа. Аналогично получают ограничение снизу. Для двустороннего ограничения (рис. 17.8а) используют двойные ключи (рис. 17.8б).

Рис. 17.7

Часто в качестве ограничителей применяют устройства с кремниевыми стабилитронами, аналогичные стабилизаторам напряжения. Используя вольт амперную характеристику стабилитрона, можно построить передаточную характеристику ограничителя на стабилитроне. Этот ограничитель дает двустороннее ограничение.

 Применение ограничителей весьма разнообразно. С помощью ограничителя легко сформировать трапецеидальное напряжение из синусоидального. Если амплитуда входного напряжения значительно больше уровня ограничения, то можно получить выходное напряжение, близкое по форме к прямоугольным импульсам. Другое применение ограничителей сглаживание вершин импульсов, искаженных помехой или определяемых условиями формирования (рис. 17.9 а). Ограничители применяют также для формирования импульсов неизменной амплитуды, например в устройствах измерения временных или фазовых сдвигов между сигналами.

 


 Рис. 17.8

Обширная область применения ограничителей устройства амплитудной селекции (выделения). Амплитудным селектором называют устройство, предназначенное для выделения импульсов, амплитуда которых больше или меньше определенного уровня (уровня селекции), или импульсов, амплитуда которых находится в заданных пределах. Рисунок 17.9а поясняет применение последовательного диодного ограничителя (рис. 17.9б) для селекции импульсов, превышающих уровень .

 


 Рис. 17.9

17.2.4. Дифференцирующие и интегрирующие цепи служащие для формирования коротких импульсов

 Для формирования коротких импульсов служат дифференцирующие цепи линейные четырехполюсники, у которых выходное напряжение приблизительно пропорционально производной выходного напряжения по времени:

  Uвых = k duвх/dt. (17.5)

где  коэффициент пропорциональности.

 


Рис. 17.10

 На рисунке 17.10а,б приведены схемы простейшей дифференцирующей  цепи и диаграммы, поясняющие ее работу при воздействии прямоугольного импульса напряжения. Для уменьшения длительности выходных импульсов следует уменьшить постоянную времени цепи . Можно показать, что при этом повышается и точность дифференцирования входного напряжения.

 Интегрирующие цепи четырехполюсники, у которых выходное напряжение пропорционально интегралу по времени от входного напряжения, применяют для формирования импульсов реже, чем дифференцирующие цепи. Схема интегрирующей цепи отличается от схемы рисунок 16.10а тем, что конденсатор С и резистор R меняются местами.

 Контрольные вопросы:

1. Расскажите об особенностях импульсных и цифровых устройств.

2. Назовите параметры импульсных сигналов.

3. Перечислите общие характеристики электронных ключей.

4. Принцип работы диодных ключей.

5. Расскажите об электронных ключах используемые для формирования импульсов , а также в качестве ограничителей амплитуды импульса.

6. Приведите дифференцирующие и интегрирующие цепи, служащие для формирования коротких импульсов.

7. Приведите простейшую схему интегратора.

Схема замещения диода

 Модели диодов микросхем применяются для графического представления этих приборов совокупностью элементов электрических схем таких, как сопротивления, генераторы токов и напряжений, конденсаторов. Каждый из переходов структуры интегрального диода в зависимости от на-правления приложенного напряжения пред-ставляется схемами за-мещения, изо-бражен-ными на рисунках 2.32, а, б. Схема на рисунке 2.32, а соответствует обратно включенному переходу. Схема на рисунке 2.32, б соответствует прямо включенному переходу структуры. На рисунке 2.32, а ток генератора Iг определяется по формуле (2.93) или из формулы (2.91). Сопротивление Rш оценивается дифференцированием выражения (2.94)

1/Rш = dIg/dU,

при U = Uобр. Напряжение генератора Uo определяется как напряжение спрямления по формуле (2.91). Барьерная емкость Сб определяется суммой

Сб = ∑ (Суд.i × Si),

в которой учитываются значения частичных емкостей, различающихся значениями удельных емкостей Суд.i. Диффузионные емкость Сдиф и сопротивление Rдиф оцениваются по формулам (2.95), (2.92). Сопротивление Rэ определяется как сопротивление электродных областей диода и контактных переходов (если таковые в конструкции предусмотрены). Соединение с несущим основанием представлено только емкостью изоляции Си.

Алгоритм проектирования диодов

Проектирование диодов ИМС рекомендуется выполнить в следующем порядке:

формулировка исходных требований на параметры прибора (если они не определены техническим заданием);

подготовка исходных сведений по параметрам технологической структуры в части электрической прочности переходов, параметров слоев, включая удельные взаимные емкости;

подготовка исходных ограничений технологии формирования размерных фрагментов (линейные погрешности, погрешности совмещения, минимально-допустимые размеры);

проверка на соответствие структуры предъявленным требованиям по электрической прочности p-n-переходов;

первичный выбор и оформление простейшей топологии прибора с однополосковыми электродными областями;

оценка технологических и конструктивных промежутков между границами областей для топологии прибора;

оценка рационального значения плотности тока во вложенном электроде диода или допустимой величины тока по формуле (2.87);

оценка по рабочему току предельных значений размеров вложенной области диода и принятие решения о корректировке его формы и размеров по формулам (2.88) — (2.90);

оценка размеров контактов, разделительных областей между смежными электродами диодной структуры;

оценка межэлектродных сопротивлений, сопоставление с требованиями и корректировка форм и размеров топологии диода;

оценка площадей электродов, емкостей, сопротивлений, генераторов тока и напряжения для схем замещения (см. рис. 2.32).

В результате выполнения предложенной последовательности формируется база выходных параметров конструкции прибора (параметры функционального назначения диода, эскиз его структуры и топологии с размерами областей, схема замещения и параметры ее элементов). В свою очередь, после соответствующего накопления и обработки, сведения по конкретным топологическим конфигурациям диодов могут быть помещены в библиотеку элементов системы автоматизированного проектирования интегральных конструкций в качестве базовых конструкций.

Диоды Шоттки в структурах БПТ

Односторонняя проводимость контакта между металлом и полупроводником хронологически была обнаружена еще в конце 19-го века. Однако в отсутствие технологических методов формирования контактов с воспроизводимыми свойствами исследование и практическое применение таких контактов было возоб

новлено в конце 50-х начале 60-х годов 20-го столетия. Несмотря на значительные успехи, достигнутые в производстве как дискретных, так и интегрированных в конструкции микросхем приборов с барьером Шоттки, расчетные модели для проектирования этих приборов во многом достаточно схематичны. На рисунках 2.33, а, б изображены две модификации перехода Шоттки на кремнии n-типа проводимости. Модификация перехода, изображенная на рисунке 2.33, а, имеет недостатком пониженное обратное напряжение вследствие сильного искривления силовых линий по краю контакта анодной металлизации с полупроводниковым слоем n-типа. В модификации перехода, изображенной на рисунке 2.33, б, анодная область перехода Шоттки окружена кольцом легированной р-области и соответственно классическим шунтирующим p-n-переходом. Допустимое обратное напряжение в этой модификации исполнения перехода определяется по соотношению, применяемому для резких несимметричных переходов с концентрацией примеси, соответствующей легированию базы. Шунтирующий p-n-переход защитного кольца в области прямых смещений перехода Шоттки оказывает незначительное влияние на деформацию прямой ветви его ВАХ из-за различия напряжений спрямления на величину порядка 0,2 В, но может существенно ухудшать динамические свойства перехода Шоттки. Ухудшение динамических свойств связано с увеличением барьерной емкости и влияния, хотя и слабой, инжекции неосновных носителей шунтирующим p-n-переходом. Вольт-амперная характеристика перехода Шоттки в первом приближении представляется выражением [4, 8]

 I = S×Ioш×[exp (U/φT) –1], (2.96)

где приняты следующие обозначения:

Ioш = A×T2 ×exp (–φмn/φТ) — плотность тока насыщения перехода Шоттки, см2;

S — площадь перехода Шоттки, см2;

А= 4×π×m*×q×k2/h3— постоянная Ричардсона, А = 120 [А/(см2×°К2)];

Т — абсолютная температура, К;

φмn — разность работ выхода материалов перехода Шоттки (металла и полупроводника или, иначе, потенциальный барьер для основных носителей заряда полупроводника базы), эВ;

φТ = k×T/q — термический потенциал, В;

m* — эффективная масса электрона полупроводника, кг;

k — физическая константа Больцмана, Дж/К;

h — физическая константа Планка, Дж×сек;

U— внешнее напряжение на переходе Шоттки, В.

Примечание. Постоянная Ричардсона (А), определяемая по приведенному выше выражению, от свойств материала базы зависит исключительно через эффективную массу носителей заряда. Eе значение для кремния n-типа равно

А = 120×0,55 =66 [А/(см2×°К2)],

а для кремния р-типа

А = 120×0,33 =39,6 [А/(см2×°К2)].

Пользуясь выражением (2.96), несложно получить напряжение спрямления для перехода Шоттки. Так как потенциальный барьер в контактах Шоттки снижается в сравнении с переходами классического типа на однородном полупроводнике примерно в два раза, то плотность тока насыщения Ioш в контактах Шоттки на (3—5) порядков превышает аналогичный параметр классических p-n-переходов. Поэтому напряжение спрямления переходов Шоттки примерно в два раза ниже, чем у классических переходов, что расширило спектр схемотехнических решений для микрозлектронных устройств.

Условием образования выпрямляющего перехода Шоттки является образование обеднённой носителями заряда области в зоне контакта металла с полупроводниковой основой (базой). Это условие выполняется для полупроводника n-типа в качестве базы при заданной температуре, если разность (Емs) работ выхода электронов из металла Ем и полупроводника Еп больше нуля. Для полупроводника р-типа в качестве базы разность Емп работ выхода электронов должна быть меньше нуля.


На главную