Цифровая электроника и её основные характеристики
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
чтобы транзисторы были способны коммутировать возможно большие токи при возможно меньших управляющих напряжениях.
Количественно это свойство транзистора как переключателя-усилителя определяется параметром, называемым крутизной и преобразования:
Видами физических процессов определяются также такие важные характеристики переключателя как сопротивления между токопроводящими электродами в открытом Дот и закрытом Дзак состояниях.
Рис. 5 Классификационная диаграмма транзисторов как переключателей
Физические процессы определяют также сколько энергии необходимо затратить на отпирание и запирание переключателя и за какое время это можно осуществить. Скоростные качества транзисторов определяются характерными рабочими частотами. По принципу действия транзисторы подразделяются на два класса биполярные и униполярные.
В биполярных транзисторах под воздействием входных сигналов протекают процессы инжекции неосновных носителей заряда, их рекомбинация с основными носителями в процессе дрейфа и диффузии, коллектирование носителей заряда. Эти процессы обуславливает перемещение и накопление электронов и дырок в структуре биполярного транзистора, токи и потенциалы на внешних токопроводящих электродах транзисторов в зависимости от внешнего воздействия на управляющем электроде. Особенностями биполярного транзистора как переключателя, вытекающими из его принципа действия, являются высокая величина крутизны преобразования, малые величины сопротивления в открытом состоянии и высокие значения сопротивления в закрытом состоянии. Крутизна преобразования определяется следующим выражением:
где /к - ток коллектора, С/БЭ - напряжение между базой и эмиттером. Высокая величина крутизны преобразования обусловлена процессом инжекции неосновных зарядов, их дрейфом и диффузией, обуславливают их близкие к единице значения коэффициента передачи тока и экспоненциальной зависимостью тока от входного напряжения. Малые величины сопротивления между токопроводящих- ми электродами эмиттера и коллектора в открытом состоянии обусловлены, так называемым, режимом насыщения. В этом режиме сопротивление идеального биполярного транзистора равно нулю. В реальном же транзисторе это сопротивление определяется паразитным сопротивлением области коллектора. Поэтому открытый биполярный транзистор способен пропускать между электродами эмиттера и коллектора токи больших величин без существенного падения напряжения между ними. Такова позитивная сторона режима насыщения, специфического режима работы биполярного транзистора. Негативная сторона режима насыщения заключается в том, что в этом режиме происходит накопление избыточного заряда неосновных носителей. Этот избыточный заряд увеличивает время закрывания транзистора на величину времени его рассасывания. Другими факторами, определяющими быстродействие биполярных транзисторов являются паразитные емкости. В униполярных транзисторах, в отличие от биполярных, принцип действия базируется на управлении входным воздействием (полем) потоком носителей одного знака или электронов, или дырок. Униполярные транзисторы называются полевыми, причем последнее название используется чаще.
Ток в полевых транзисторах, поскольку они являются униполярными, переносится только основными носителями и паразитный эффект накопления неосновных носителей в них отсутствует. За исключением полевых транзисторов с управляющим р-п переходом. Это первая особенность полевых транзисторов как переключателей, вытекающая из физического принципа действия. Быстродействие полевых транзисторов определяется сопротивлением канала, прямо пропорциональным его длине и паразитными емкостями. От длины канала зависит также и величина крутизны преобразования, которая в данном случае определяется выражением:
- ток стока, ток между токопроводящими электродами стока и истока, - напряжение на управляющем электроде (затворе).
Вторым классификационным признаком можно принять структуру транзистора. По данному принципу биполярные транзисторы подразделяются на гомо и гетеро структурные. Особенностью биполярных транзисторов, вытекающей из физической структуры, является необходимость их изоляции друг от друга при использовании в составе интегральной схемы. Средства изоляции (обратносмещенный р-п переход, диэлектрические области и комбинации р-п переходов и диэлектриков) являются вспомогательными элементами конструкции, которые не определяют выполнение функций ключа, но требуют дополнительных затрат площади и вносят паразитные емкости, от которых зависит их быстродействие. Известны и широко используются в интегральных схемах цифровых устройств три типа изоляции: изоляция обратносмещенным р-п переходом, полная диэлектрическая и комбинированная (часть структуры изолируется диэлектриком, другая - р-п переходом). Полевые транзисторы реализуются в трех структурных типах. Наиболее широко распространенным типом является транзистор со структурой металлокисел полупроводник (МОП-транзистор). МОП-транзистор имеет две структурные разновидности: со встроенным каналом и индуцированным каналом.
Особенностью полевых транзисторов данного типа и обоих структурных разновидностей является их самоизоляции от подложки и, следовательно, друг от друга при использовании в составе интегральных схем цифровых устройств. Это