29_kospect_electro (555831), страница 13
Текст из файла (страница 13)
11.2. Структура дискретногобиполярного транзистораn-p-n – типаконтактных выводов (вследствие вертикальной игоризонтальной структур транзисторов). В интегральномтранзисторе выделяются два высокоомных участка слоя n-типа коллекторной области, поэтому сопротивлениеколлекторной области интегрального транзистора R К приблизительно в два раза больше сопротивленияколлекторной области дискретного транзистора. В связи с этим в структуру интегрального транзистора вводитсяскрытый n+-слой, который обеспечивает уменьшение сопротивление R К . При использовании транзистора вкачестве элемента цифровой схемы (рис. 12.4) наличие скрытого n+-слоя приводит к изменению его вольтмперной характеристики (рис.
12.5).1 – транзистор без n+-слоя (сопротивлениеRK –большое), 2 - транзистор с n+-слоемРис. 12.5. Вольтамперная характеристика интегральноготранзистора:UПRНРис. 12.4. Схемавключения биполярноготранзистора в цифровойИМСU ′′ U ′НАСНАСI Б′Рис. 12.6. Эквивалентная схема интегрального биполярноготранзистора.Точки пересечений линий нагрузки и характеристики IК(Uкэ) определяют Uвых открытого ключа. Чем Rк,тем круче идут характеристики в режиме насыщения, тем ближе близкие точки пересечения к «0» и меньше Uк нас– оси Uкэ в режиме насыщения. n+-слой предназначен для уменьшения остаточного Uкэ в режиме насыщенияUнас=U0 – направление логического нуля, Un=U1 – направление логической единицы.Чем меньше U0, тем выше запас статической помехоустойчивости относительно интегральных помех.
U0выше у интегрального транзистора, помехоустойчивость ниже 0. Введение n+-слоя позволяет повыситьнагрузочную способность.Ещё одна особенность интегрального транзистора обусловлена изолирующими областями(нежелательными связями).Если транзистор изолирован p-n переходом, или комбинированными связями, тообразуется паразитный транзистор. Рабочий интегральный транзистор n-p-n связан в структуре с паразитнымтранзистором p-n-p. Последний неизбежно связан с 4-х-слойной структурой, есть p-слой (подложка).Если паразитный транзистор закрыт, то n-p-n транзистор работает в активном режиме.
Если паразитныйтранзистор открыт, то режим насыщения основного транзистора (паразитный находится в режиме насыщения).Коллекторный ток Iк рабочего n-p-n транзистора уменьшается на величину тока, уходящего в подложку.Ухудшаются свойства рабочего транзистора.Во всех микросхемах на подложке p-типа самый низкий потенциал схемы. Если напряжение источниканамагничивается положительно, то подложку заземляют.
Поэтому изолирующий переход всегда смещен вобратном направлении и через него проходит малый ток утечки.Рис. 11.7 Активный режим работы интегрального транзистора.Для уменьшения тока утечки следует уменьшатьα pnp I ;коэффициент передачи тока в паразитномтранзисторе α pnp можно оценить по формуле:21 W α ≈1− ,2 L (12.1)здесь W – толщина базы, L – диффузионная длина. Улучшение характеристик интегрального биполярноготранзистора достигается при увеличении W или уменьшении L.Если увеличивать W – толщину эмиттерного слоя ухудшаются параметры, уменьшить L = Dτ , где D –коэффициент диффузии малого умножения, следовательно необходимо уменьшать время жизни носителей τ.Легирование структуры золотом для уменьшения τ, ухудшение ключевых свойств рабочего транзисторане происходит. Наиболее опасно при высокой температуре и облучении – это появление тока утечки.Рис.
12.8. Влияние ёмкости изолирующеё области на частотныесвойства интегрального биполярного транзистораИзолирующий переход влияет на импульсного свойства. Cкп – паразитная емкость, включена параллельно цепиК-Э. Постоянная времениτ = CКП RК(12.2)зависит от глубины эпитаксиального слоя, площади «кармана», в котором размещается транзистор, изоляции идр. Расчеты показывают, что из-за наличия подложки предельная частота интегрального n-p-n транзистора непревышает 500 МГц.Рассмотрим модель интегрального биполярного транзистора (модель Эберса-Молла).
Эта модель позволяетрассчитать входные и выходные характеристики транзистора при учете влияния на них подложки иизолирующего p-n –перехода (рис.12.9).На рис. 12.9 введеныобозначения: α N - прямойкоэффициент усиления по токув схеме с общей базой, α I инверсныйкоэффициентусиленияпотоку.Коллекторный,базовыйиэмиттерный токи авражаютсяследующими соотношениями:α ПI I 3α I I2α N I1I К = α N I N I1(11.3)>>I Б = (1 − α N ) I N + (1 − α I ) I I(11.4)IЭ = −I N + α I IIα П I2(11.5)Для интегрального биполярноготранзистора величинаUЭI1 = I Э 0 (e kT − 1)(11.6)учитывает ток инжекции (илиэкстракции) через эмиттерныйпереход.Рис.
12.9. Модель интегрального биполярного транзистора на основемодели Эберса - Молла.UКВеличина I 2 = I К 0 (e kT − 1) ,учитывает ток инжекции (или экстракции) через коллекторный переход.(11.7)U КПВеличина I 3 = I КП 0 (e kT − 1) ,учитывает ток инжекции (ил экстракции) через изолирующий переход. α N IЭ0 = α I I К 0 α I = α I ПI КП 0 П К0α I I 2 - учитывает влияния коллекторного тока на ток эмиттера.α N I1 - учитывает влияния тока инжекции (и экстракции) на I 2 .α ПI I 3 - учитывает влияния I 3 на I К .α П I 2 - учитывает влияния тока в коллекторе на ток в подложке.(11.8)(11.9)Статические параметры модели:• нормальные и инверсные коэффициенты передачи основного и паразитного транзистора:α N , α I , α П , α ПI ;•тепловые обратные токи переходов:I Э 0 , I К 0 , I КП 0 ;• RБ , RК , RП- всего 10 параметров.Статические параметры не являются независимыми.Рассмотрим динамические параметры интегрального биполярного транзистора.Параметры, учитывающие накопление и рассеивание основных носителей:• Барьерная ёмкость перехода не основных носителей• Диффузионная ёмкость за пределами перехода.CЭБбар (UЭБ) – эмиттер переходаCКБбар (UКБ) – коллектор переходаCКПбар (UКП) – изолирующиеCбар =Cбар 0 U1 − ϕ n; n = 0,33...0,5(11.10)mCдиф I = Сдиф 0 , I0 (11.11)m≈1 проявляется при прямом токе, когда I1, I2, I3 – токи инжекции.Динамические параметры:Cбар0, n, ϕ, Cдиф0, m, I0 – всего 18 параметров.Основной вывод, вытекающий из сравнения интегральных и дискретных транзисторов состоит в том, чтобиполярные транзисторы в интегральных схемах уступают аналогичным дискретным транзисторам поважнейшим электрическим параметрам.
Это обусловлено влиянием изолирующих областей и иногорасположения коллекторного контакта (вследствие планарной конструкции).Применение модели Эберса-Молла для интегрального биполярного транзистора, как и для дискретного,позволяет определить его входные (рис. 11.10(а)) и выходные (рис. 11.10(б)) характеристики.Рис. 12.10. Статические выходные (а) и входные (б) характеристики транзистора привключении с общей базой (ОБ).Лекция 13.
Интегральные биполярные транзисторы (продолжение)Варианты диодного включения биполярных транзисторов. Статические и динамические параметрыинтегральных диодов. Обоснование выбора варианта диодного включения. Разновидностиинтегральных биполярных транзисторов.Важным вопросом в конструировании ИМС является использование диодного включения биполярныхтранзисторов. Диоды выполняют логические и ряд других функций (форсирование включения и выключения,фиксация уровня напряжения, задание смещения и т.д.).Диоды изготавливаются в едином технологическом цикле с остальными элементами. В качестве диодовможно использовать любой из двух p-n – переходов, расположенных в изолирующем кармане: эмиттерный иколлекторный, либо использование их комбинаций.
Возможно 5 вариантов диодного включения интегральныхбиполярных транзисторов (рис.13.1).Рис.13.1. Диодное включение биполярных транзисторовВыбор варианта диодного включения производится на основе требуемых значений статическихи динамических параметров интегральных диодов.Пробивное напряжение Uпроб, зависит от используемого перехода, меньше в вариантах, в которыхиспользуется эмиттерный переход.(БЭ-К, Б-К если коллекторный переход, большое сопротивление слоев,высокое Uпроб).Обратные токи Iобр (без учета токов утечки) – это токи термогенерации в переходах, обратные токи, еслииспользуемый эмиттерный переход( имеющий наименьшую площадь, уже переход, т.к. болееконцентрированный).Емкость диода Cд, зависит, как включены оба перехода последовательно или параллельно, т.е.
от площадииспользуемых переходов. Максимально Cд для варианта Б-КЭ. Если используется один переход Cд меньше (БКЭ).Паразитная емкость на подложке C0 – шунтирует на «землю» анод или катод диода, подложка заземлена,C0=Cкп, у варианта (Б-Э) Cкп и Cк включены последовательно.Время восстановления обратного тока tв – т.е., время переключения диода из открытого состояния взакрытое.
Минимальное tв для варианта БК-Э, т.к. в этом случае заряд накапливается только в базовом слое(коллекторный переход закорочен). Для других вариантов заряд накапливается в базе и коллекторе.Прямое напряжение Uпр, мало отличается, минимально для БК-Э.Наиболее пригодно включение БК-Э(чаще) и Б-Э (малое прямое напряжение, малое время восстановленияобратного тока).Пробивное напряжение меньше в тех вариантах, в которых используется где используется эмиттер.Обратные токи (без токов утечки) – это токи термогенерации в переходах, зависят от объема перехода и,следовательно, меньше у тех вариантов у которых используются только эмиттерный переход, имеющийнаименьшую площадь.Емкость диода (между анодом и катодом) зависит от площади используемых переходов, поэтому онамаксимально при параллельном соединении (вариант Б-ЭК).Паразитная емкость на подложку (заземлена) шунтирует на «землю» анод и катод диода C0=Cкп (n-p-nтранзистор).В варианте Б-Э емкости Cкп и C0 включены последовательно, следовательно C0 – минимальна.Таблица.
Типичные параметры интегральных диодов.ПараметрUпр, ВIобр, нАCд, пФC0, пФtв, нсВариант включенияБ-ЭБК-Э7…87…80,5…10,5…10,50,51,235010Б-К40…5015…300,7350БЭ-К40…5015…300,7350Б-ЭК7…820…401,23100Время восстановления обратного тока tв (т.е. время переключения диода из открытого состояния взакрытое) минимально из варианта БК-Э. В этом варианте, заряд накапливается только в базовом слое (т.к.коллекторный переход закорочен). У других вариантов заряд накапливается не только в базе, но и в коллекторе,так что для рассасывания заряда требуется большее время.tвост <tвост <tвост <tвост <tвост( БК − Э) ( Б − Э ) ( БЭ − К ) ( Б − К ) ( Б − КЭ)Оптимальные варианты: БК-Э и Б-Э; малые пробивные напряжения этих вариантов не играютсущественные роли в низковольтных ИМС.Многоэмиттерный транзистор составляет основу транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
