На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная
advertisement
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА Документ СМК 3 уровня УМКД Учебнометодические материалы по дисциплине «Основы электроники» УМКД УМКД 042-18-11.1.167/03-2014 Редакция № от УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ «ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ» 5В05060400 «Физика» УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Семей 2014 УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от Содержание 1. Глоссарий 2. Лекции 3. Лабораторные работы 4. Самостоятельная работа студентов 1 ГЛОССАРИЙ стр. 2 из 32 УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 3 из 32 Полупроводники Р и n типа. Донорная и акцепторная примеси. Р – n переход. Контактная разность потенциалов. Потенциальный барьер. Основные и неосновные носители зарядов. Диффузионный и дрейфовый токи. Виды полупроводниковых диодов. Выпрямительные и импульсные диоды. Стабилитроны и стабисторы. Варикапы и туннельные диоды. Барьерная и диффузионная емкость. Полупроводниковые триоды. Биполярные транзисторы. Схемы включения с ОБ, с ОЭ и с ОК. Полевые транзисторы с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком. Тиристоры. Усилители на биполярных и полевых транзисторах. Усилители постоянного тока. Операционные усилители. Логические элементы И, НЕ, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ- НЕ. Триггеры. Асинхронный RS- триггер. Суммирующий счетчик. Дешифраторы. 2 ЛЕКЦИИ Лекция 1. Полупроводники. Структура лекционного занятия 1.1 Принцип действия полупроводниковых диодов. Содержание лекционного занятия: Принцип действия полупроводниковых диодов. Электронно-дырочный переход представляет собой полупроводниковый диод. В p-n переходе носители заряда образуется при введении в кристалл акцепторной или донорной примеси. Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния. селена и других веществ. На рисунке 1 показано прямое (б) и обратное (a) подсоеденение диода. Вольт-амперная характеристика при прямом и обратном соединении показана на рисунке 1. Нелинейные свойства диода видны при рассмотрении его вольтамперной характеристики. Прямой ток в десятки миллиампер получается при прямом напряжении порядка десятых долей вольта. Поэтому прямое сопротивление имеет величину не выше десятков Ом. Для более мощных диодов прямой ток составляет сотни миллиампер и больше при таком же малом напряжении, а R соответственно снижается до единиц Ом и меньше. Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт у диодов небольшой мощности составляет лишь единицы или десятки микроампер. Это соответствует обратному сопротивлению до сотен кОм и больше. УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 4 из 32 Рис.1 Полупроводниковые диоды подразделяются по многим признакам. Прежде всего следует различать точечные, плоскостные и поликристаллические диоды. У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь p-n перехода, такого же порядка как толщина перехода, или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше толщины перехода. Точечные диоды имеют малую емкость p-n перехода и поэтому применяются на любых частотах вплоть до СВЧ. Но они могут пропускать токи не более единиц или нескольких десятков миллиампер. Плоскостные диоды в зависимости от площади перехода обладают емкостью в десятки пикофарад и более. Поэтому их применяют на частотах не более десятков килогерц. Допустимый ток в плоскостных диодах бывает от десятков миллиампер до сотен ампер и больше. Основой точечных и плоскостных диодов являются пластинки полупроводника, вырезанные из монокристалла, имеющего во всем своем объеме правильное кристаллическое строение. В качестве полупроводниковых веществ для точечных и плоскостных диодов применяют чаще всего германий и кремний, а в последнее время также и арсенид галлия и карбид кремния. Поликристаллические диоды имеют p-n переход, образованный полупроводниковыми слоями, состоящими из большого количества кристаллов малого размера, различно ориентированных друг относительно друга и поэтому не представляющих собой единого монокристалла. Эти диоды бывают селеновыми, меднозакисными (купроксными) и титановыми. УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 5 из 32 Принцип устройства точечного диода показан на рисунке 3(а). В нем тонкая заостренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью приваривается при помощи импульса тока к пластинке полупроводника с определенным типом электропроводности. При этом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси которые создают в нем область с другим типом проводимости. Это процесс называется формовкой диода. Таким образом, около иглы получается мини p-n переход полусферической формы. Следовательно, принципиальной разницы между точечными и плоскостными диодами нет. Позже появились еще так называемые микроплоскостные или микросплавные диоды, которые имеют несколько больший по плоскости p-n переход, чем точечные диоды(б). Рис. 3 Плоскостные диоды изготавливаются, главным образом, методами сплавления диффузии. Для примера на рисунке 4.а) показан принцип устройства сплавного германиевого диода. В пластинку германия n-типа вплавляют при температуре около 500 градусов каплю индия, которая сплавляясь с германием, образует слой германия p-типа. Область с электропроводностью p-типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка сравнительно УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 6 из 32 высокоомного германия, и поэтому является эмитером. К основной пластинке германия и к индию припаиваются выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходный материал взят высокоомный германий p-типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмитерная область n-типа. Следует отметить, что сплавным методом получают так называемые резкие или ступенчатые p-n переходы, в которых толщина области изменения концентраци примесей значительно меньше толщины области объёмных зарядов, существующих в переход Вопросы для самоконтроля: 1.Что представляют собой полупроводники Р-типа? 2. Что представляют собой полупроводники n-типа? 3. Что представляют собой Р-n переход? 4.Что такое потенциальный барьер? 7.1.1 Лавреньев Б.Ф., Схемотехника электронных устройств. Учебное пособие. Изд.Академия, 2010г.,308с. 7.1.2 Под ред,Розанова Ю.К., Электрические и электронные аппараты.,М:Инфориэлектро, 2008г., 420с. Лекция 2. Основные типы диодов. Точечные и плоскостные диоды. Выпрямительные диоды, стабилитроны, туннельные диоды, варикапы Структура лекционного занятия 2.1Выпрямительные диоды малой мощности. 2.2 Выпрямительные диоды средней мощности. 2.3 Мощные (силовые) диоды. Содержание лекционного занятия 2.1 По назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные диоды малой, средней и большой мощности, импульсные диоды и полупроводниковые стабилитроны. Выпрямительные диоды малой мощности. К ним относятся диоды, поставляемые промышленностью на прямой ток до 300мА. Справочным параметром выпрямительных диодов малой мощности является допустимый выпрямительный ток (допустимой среднее значение прямого тока), который определяет в заданном диапазоне температур допустимое среднее за период значение длительно протекающих через диод импульсов прямого тока синусоидальной формы при паузах в 180 (полупериод) и частоте 50 Гц. Максимальное обратное напряжения этих диодов лежит в диапазоне от десятков до 1200В. УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 7 из 32 Выпрямительные диоды средней мощности. К этому типу относятся диоды, допустимое среднее значение прямого тока которых лежит в пределах 300мА-10мА. Большой прямой ток этих по сравнению с маломощными диодами достигается увеличением размеров кристалла, в частности рабочей площади p-n перехода. Диоды средней мощности выпускаются преимущественно кремниевыми. В связи с этим обратный ток этих диодов при сравнительно большой плоскости p-n перехода достаточно мал(несколько десятков микроампер). Теплота, выделяемая в кристалле от протекания прямого и обратного токов в диодах средней мощности, уже не может быть рассеяна корпусом прибора. Мощные (силовые) диоды. К данному типа относятся диоды на токи от 10А и выше. Промышленность выпускает силовые диоды на токи 100 - 100 000 А и обратные напряжения до 6000 В. Силовые диоды имеют градацию по частоте охватывают частотный диапазон до десятков килогерц. Мощные диоды изготовляют преимущественно из кремния. Кремниевая пластинка с p-n переходом, создаваемым диффузным методом, для таких диодов представляет собой диск диаметром 10-100мм и толщиной 0,3-0,6 мм. УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 8 из 32 Вопросы для самоконтроля 1. Для чего применяются полупроводниковые диоды? 2. Что представляют собой точечный диод? 3. Что представляют собой плоскостной диод? 4.Какой диод точечный или плоскостной работает на более высоких частотах? 5.Какой диод германиевый или кремниевый работает при более высоких температурах? 6.Что представляют собой туннельный диод? 7.Что представляют собой импульсный диод? 8. Что представляют собой варикап? Рекомендуемая литература. 7.1.1 Лавреньев Б.Ф., Схемотехника электронных устройств. Учебное пособие. Изд.Академия, 2010г.,308с. 7.1.2 Под ред,Розанова Ю.К., Электрические и электронные аппараты.,М:Инфориэлектро, 2008г., 420с. Лекция 3. Биполярный транзистор Структура лекционного занятия 3.1 Принцип действия биполярного транзистора. 3.2Структурная схема биполярного транзистора. 3.3 Энергетические диаграммы. 3.4 Основные уравнения между токами транзистора. 3.5 Три схемы включения биполярного транзистора УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 9 из 32 Содержание лекции: 3.1 Принцип действия биполярного транзистора. Биполярный транзистор - трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя, расположенными на близком расстоянии параллельными pn - переходами. Конструкции биполярного транзистора схематически показаны на рис. 50, там же приведены соответствующие обозначения. Как видно из рис. 50, транзистор состоит из трех основных областей: эмиттерной, базовой и коллекторной. К каждой из областей имеется омический контакт. Для того, чтобы транзистор обладал усилительными свойствами, толщина базовой области должна быть меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда, т.е. большая часть носителей, инжектированных эмиттером, не должна рекомбинировать по дороге к коллектору. Рис. 4 3.2Структура и обозначения p-n-p и n-p-n биполярных транзисторов. На границах между p и n областями возникает область пространственного заряда, причем электрические поля в эмиттерном и коллекторном переходах направлены так, что для pnp транзистора базовая область создает энергетический барьер для дырок, стремящихся перейти из эмиттера в коллектор, для npn транзистора базовая область создает аналогичный барьер для электронов эмиттерной области. При отсутствии внешнего смещения на переходах потоки носителей заряда через переходы скомпенсированы и токи через электроды транзистора отсутствуют. УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 10 из 32 Рис. 5 3.3Диаграммы, поясняющие работу биполярных транзисторов: (а) смещение на переходах отсутствует; (б) эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный в обратном. Для того, чтобы транзистор работал в режиме усиления входного сигнала, эмиттерный переход смещают в прямом направлении, коллекторный в обратном, соответствующие диаграммы показаны на рис. 51. Приложенное к эмиттерному переходу смещение уменьшает потенциальный барьер, и из эмиттера в базу инжектируются дырки (в p-n-p транзисторе) или электроны (в npn транзисторе), инжектированные носители проходят и достигают коллектора. Между базой и коллектором барьера нет, поэтому все дошедшие до коллектора носители заряда переходят через коллекторный переход и создают коллекторный ток. Поскольку коллекторный переход расположен близко от эмиттерного, основная часть инжектированных эмиттером носителей достигает коллектора, таким образом инжекционный ток эмиттера примерно равен току коллектора. В то же время мощность, затраченная во входной эмиттерной цепи на создание тока, меньше мощности, которая выделяется в выходной коллекторной цепи, т.е. имеет УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 11 из 32 место усиление мощности. Таким образом, входной сигнал, изменяя высоту потенциального барьера, модулирует поток неосновных носителей, создающий коллекторный ток и, соответственно, усиленный за счет энергии коллекторной батареи выходной сигнал. 3.3 Энергетическая диаграмма На рис. 6 показаны энергетические диаграммы для pnp и npn транзисторов, соответствующие диаграммам, приведенным на рис. 51б. Рис. 7 Энергетические диаграммы pnp (а) и npn (б) транзисторов в активном режиме: эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный в обратном. 3.4 Основные уравнения межлу токами транзистора. На рис. 8 показаны потоки носителей, дающие основной вклад в токи через электроды транзистора. Как видно из рисунка, при прямом смещении эмиттерного перехода, помимо потока 1 носителей, инжектированных из эмиттера, возможна также инжекция из базы в эмиттер носителей другого знака, поток 2. Этот инжекционный ток не проходит через коллекторную цепь и, соответственно, не способствует усилению сигнала, поэтому его стремятся сделать как можно меньше. Это достигается тем, что степень легирования эмиттера задается значительно УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 12 из 32 выше, чем степень легирования базы, тогда, соответственно, и инжекционный ток эмиттера выше инжекционного тока базы. Поскольку коллектор смещен в обратном направлении, высота энергетического барьера для основных носителей в базе и коллекторе велика, и их инжекция через коллекторный переход отсутствует. Через коллекторный переход могут проходить только потоки неосновных носителей заряда, перемещению которых не препятствует поле ОПЗ: это, прежде всего, обеспечивающий усиление сигнала поток прошедших через базу носителей, инжектированных эмиттером, и поток неосновных носителей, генерируемых в базе, создающих дырочную составляющую тока утечки коллекторного перехода. Перенос зарядов через следующими уравнениями. транзистор можно охарактеризовать Для pnp транзистора: Коэффициент инжекции эмиттерного перехода γ показывает, какая часть эмиттерного тока состоит из заряда, инжектированного в базу. Поскольку только инжектированные носители создают эффект усиления, желательно, чтобы коэффициент инжекции был как можно выше (обычно α > 0,99). Не все инжектированные эмиттером носители коллектора, некоторая их часть рекомбинирует: доходят до Коэффициент переноса показывает, какая часть инжектированных носителей дошла до коллектора, не прорекомбинировав. Коэффициент переноса зависит от времени жизни неосновных носителей в базе и ее длины. Именно необходимость обеспечить перенос инжектированных носителей через базу транзистора выдвигает требование, чтобы диффузионная длина была больше толщины базы транзистора Lp>>W. Выполнение этого условия позволяет обеспечить высокие значения коэффициента переноса (обычно α > 0,98). Коллекторный ток состоит из тока носителей заряда, инжектированных эмиттером, и тока утечки коллекторного перехода Iкоб УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 13 из 32 (индекс б означает, что рассматриваемая схема является схемой с общей базой - ОБ), поэтому, учитывая (4_1) и (4_2), запишем: Чем выше коэффициент передачи эмиттерного тока в коллекторную цепь, тем выше усиление транзистора по мощности, поэтому иногда этот коэффициент называют коэффициентом усиления транзистора в схеме с общей базой (рис. 51б, 52), однако этот коэффициент всегда несколько меньше единицы, если не происходит лавинного умножения носителей в коллекторном переходе. Последний эффект может иметь место при сравнительно высоких напряжениях и иногда используется в специально сконструированных транзисторах, в этом случае: α = γκM M = Iк/Ipк - коэффициент, характеризующий умножение неосновных носителей, дошедших до коллектора. Коэффициенты γ и κ характеризуют вклад инжекционных и рекомбинационных процессов в коллекторный ток, т.е. в работу транзистора и его характеристики. Для n-p-n транзистора можно написать соотношения, аналогичные , при этом изменяются только индексы, обозначающие тип носителей заряда. Запишем основные уравнения, характеризующие соотношения между токами транзистора: Iэ = Iк + Iб, Iк = Iэ + Iкб. Для тока Iб можно написать: Iб = Iэ - Iк = Iэ - αIэ = Iэ(1 - α) - Iкб. Постоянное смещение на эмиттерном и коллекторном переходах задает некоторые значения токов и напряжений на эмиттерном и коллекторном переходах: Iэ0, Uэ0, Iк0, Uк0, которые характеризуют некоторую статическую рабочую точку на входных и выходных характеристиках. Обычно для характеристики рабочей точки УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 14 из 32 используют значения тока в выходной цепи, это будут: Iк0, Uк0. 3.5Три схемы включения биполярного транзистора. В усилительном каскаде для задания смещения на эмиттерный и коллекторный переходы не обязательно использовать две батареи. Для задания смещения на эмиттерный переход, как правило, используется резистивный делитель, как это показано на рис. 54, который иллюстрирует три возможных способа задания входного сигнала относительно выходного и соответствующие эквивалентные схемы каскадов по переменному сигналу: схема с общим для входной и выходной цепей базовым электродом - ОБ, эмиттерным электродом - ОЭ и коллекторным - ОК (при составлении эквивалентных схем по переменному току сопротивление батарей принимается равным нулю). Рис. 8 Три схемы включения источника сигнала и нагрузки в усилительном каскаде и соответствующие схемы замещения каскадов по переменному току. Сигнал от внешнего источника может сопровождаться изменением токов через электроды транзистора и напряжений на его электродах: Iэ(t) = Iэ0 + ΔIэ(t), Uэ(t) = Uэ0 + ΔUэ(t); Iб(t) = Iб0 + ΔIб(t), Uб(t) = Uб0 + ΔUб(t); Iк(t) = Iк0 + ΔIк(t), Uк(t) = Uк0 + ΔUк(t). Будем использовать для обозначения сигналов вместо приращений УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 15 из 32 прописные буквы, тогда для коэффициентов передачи по току из (3.5), (3.6) для схем ОБ. ОЭ. ОК получим: Kiб = iк/iэ = α, Kiэ = iк/iб = α./(1- α.), Kiк = iэ/iк = 1/(1-α) Часто для коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером используют значок β = Kiэ = α./(1- α.). Тогда Kiк = 1/(1-α)= β+1. Коэффициент α < 1 и, как правило, составляет 0,98 - 0,99, при этом, соответственно, коэффициент β >> 1 и составляет 49 - 99. Таким образом, для схем ОЭ и ОК имеет место усиление тока. Вопросы для самоконтроля 1.Носители каких знаков имеются в биполярном транзисторе? 2.Сколько Р-п имеет биполярный транзистор? 3. Для чего предназначены биполярные транзисторы? 4.В каких режимах работает биполярный транзистор? 5.Какую полярность имеет эмиттерный переход? 6. Какую полярность имеет коллекторный переход? 7.Что служит для стабилизации режима покоя усилительного каскада на биполярном транзисторе при изменении температуры? 8.Какие схемы включения биполярного транзистора существуют? Рекомендуемая литература. 7.1.1 Лавреньев Б.Ф., Схемотехника электронных устройств. Учебное пособие. Изд.Академия, 2010г.,308с. 7.1.2 Под ред,Розанова Ю.К., Электрические и электронные аппараты.,М:Инфориэлектро, 2008г., 420с. Лекция 4. Полевые транзисторы Структура лекционного занятия: 4.1.1Определение полевого транзистора. Принцип действия. 4.1.2Полевые транзисторы с управляемым р-n переходом. 4.1.3Полевые транзисторы с изолированным затвором. 4.1.4 Полевые транзисторы с индуцированным каналом 4.1.5 Основные схемы включения полевого транзистора. 4.1.6 Простейший усилительный каскад на полевых транзисторах Содержание лекции. 4.1.1 Полевой транзистор - это электропреобразовательный прибор, в котором ток, протекающий через канал, управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний. УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 16 из 32 К классу полевых относят транзисторы, принцип действия которых основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. Вследствие этого транзисторы называют полевыми. По способу создания канала различают полевые транзисторы с затвором в виде управляющего р-n- перехода и с изолированным затвором (МДП - или МОП - транзисторы): встроенным каналом и индуцированным каналом. В зависимости от проводимости канала полевые транзисторы делятся на: полевые транзисторы с каналом р- типа и n- типа. Канал ртипа обладает дырочной проводимостью, а n- типа 4.1.2Полевой транзистор с управляющим р-n- переходом – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала р-n-переходом, смещенным в обратном направлении. Рисунок 1 – Устройство полевого транзистора с управляющим р-nпереходом (каналом n- типа) УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 17 из 32 Рисунок 2 – Условное обозначение полевого транзистора с р-n-переходом и каналом n- типа (а), каналом р- типа (б) Каналом полевого транзистора называют область в полупроводнике, в которой ток основных носителей заряда регулируется изменением ее поперечного сечения. Электрод (вывод), через который в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала за счет управляющего напряжения, называют затвором. Как правило, выпускаются кремниевые полевые транзисторы. Кремний применяется потому, что ток затвора, т.е. обратный ток р-nперехода, получается во много раз меньше, чем у германия. Условные обозначения полевых транзисторов с каналом n- и ртипов приведены на рис. 2. Полярность внешних напряжений, подводимых к транзистору, показана на рис. 1. Управляющее (входное) напряжение подается между затвором и истоком. Напряжение Uзи является обратным для обоих р-nпереходов. Ширина р-n- переходов, а, следовательно, эффективная площадь поперечного сечения канала, его сопротивление и ток в канале зависят от этого напряжения. С его ростом расширяются р-n- переходы, уменьшается площадь сечения токопроводящего канала, увеличивается его сопротивление, а, следовательно, уменьшается ток в канале. Следовательно, если между истоком и стоком включить источник напряжения Uси, то силой тока стока Iс, протекающего через канал, можно управлять путем изменения сопротивления (сечения) канала с помощью напряжения, подаваемого на затвор. На этом принципе и основана работа полевого транзистора с управляющим р-n- переходом. При напряжении Uзи = 0 сечение канала наибольшее, его сопротивление наименьшее и ток Iс получается наибольшим. Ток стока Iс нач при Uзи = 0 называют начальным током стока. Напряжение Uзи, при котором канал полностью перекрывается, а ток стока Iс становится весьма малым (десятые доли микроампер), называют напряжением отсечки Uзи отс. o максимальный ток стока Iс max (при Uзи = 0); УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 o o o Ред. № от стр. 18 из 32 максимальное напряжение сток-исток Uси max; напряжение отсечки Uзи отс; внутреннее (выходное) сопротивление ri − представляет собой сопротивление транзистора между стоком и истоком (сопротивление канала) для переменного тока: при Uзи = const; o крутизна стоко-затворной характеристики: при Uси = const, отображает влияние напряжение затвора на выходной ток транзистора; входное сопротивление при Uси = const транзистора определяется сопротивлением р-nпереходов, смещенных в обратном направлении. Входное сопротивление полевых транзисторов с р-n- переходом довольно велико (достигает единиц и десятков мегаом), что выгодно отличает их от биполярных транзисторов. o 4.1.2 Полевые транзисторы с изолированным затвором. Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП транзистор) – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. МДП - транзисторы (структура: металл-диэлектрикполупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO2. отсюда другое название этих транзисторов – МОП - транзисторы (структура: металл-окиселполупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (1012 … 1014Ом). Принцип действия МДП - транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП - транзисторы выполняют двух типов – со встроенным и с индуцированным каналом. УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 19 из 32 Рассмотрим особенности МДП-транзисторов со встроенным каналом. Конструкция такого транзистора с каналом n-типа показана на рис. 4, а. В исходной пластинке кремния р- типа с относительно высоким удельным сопротивлением, которую называют подложкой, с помощью диффузионной технологии созданы две сильнолегированные области с противоположным типом электропроводности – n. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Между истоком и стоком имеется тонкий приповерхностный канал с электропроводностью n- типа. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод – затвор. Наличие слоя диэлектрика позволяет в таком полевом транзисторе подавать на затвор управляющее напряжение обеих полярностей. УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 20 из 32 o Рисунок 4 – Конструкция МДП - транзистора со встроенным каналом n- типа (а); семейство его стоковых характеристик (б); стоко-затворная характеристика (в) При подаче на затвор положительного напряжения, электрическим полем, которое при этом создается, дырки из канала будут выталкиваться в подложку, а электроны вытягиваться из подложки в канал. Канал обогащается основными носителями заряда – электронами, его проводимость увеличивается и ток стока возрастает. Этот режим называют режимом обогащения. При подаче на затвор напряжения, отрицательного относительно истока, в канале создается электрическое поле, под влиянием которого электроны выталкиваются из канала в подложку, а дырки втягиваются из подложки в канал. Канал обедняется основными носителями заряда, его проводимость уменьшается и ток стока уменьшается. Такой режим транзистора называют режимом обеднения. В таких транзисторах при Uзи = 0, если приложить напряжение между стоком и истоком (Uси > 0), протекает ток стока Iс нач, называемый начальным и, представляющий собой поток электронов. 4.1.3 Полевые транзисторы с индуцированным каналом. Конструкция МДП - транзистора с индуцированным каналом n- типа показана на рис. 5, а УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 21 из 32 УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 22 из 32 Рисунок 5 – Конструкция МДП - транзистора с индуцированным каналом n-типа (а); семейство его стоковых характеристик (б); стокозатворная характеристика (в) Канал проводимости тока здесь специально не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины (подложки) в случае приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока. При отсутствии этого напряжения канала нет, между истоком и стоком n-типа расположен только кристалл р- типа и на одном из р-n- переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии сопротивление между истоком и стоком очень велико, т.е. транзистор заперт. Но если подать на затвор положительное напряжение, то под влиянием поля затвора электроны будут перемещаться из областей истока и стока и из р- области (подложки) по направлению к затвору. Когда напряжение затвора превысит некоторое отпирающее, или пороговое, значение Uзи пор, то в приповерхностном слое концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и в этом слое произойдет инверсия типа электропроводности, т.е. индуцируется токопроводящий канал n-типа, соединяющий области истока и стока, и транзистор начинает проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока. Таким образом, транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения. Условное обозначения МДП - транзисторов приведены на рис. 6. УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 23 из 32 Рисунок 6 – Условное обозначение МДП - транзисторов: а − со встроенным каналом n- типа; б − со встроенным каналом р- типа; в − с выводом от подложки; г − с индуцированным каналом n- типа; д − с индуцированным каналом р- типа; е − с выводом от подложки Стоковые (выходное) характеристики полевого транзистора со встроенным каналом n- типа Ic = f(Uси) показаны на рис. 4, б. При Uзи = 0 через прибор протекает ток, определяемый исходной проводимостью канала. В случае приложения к затвору напряжения Uзи < 0 поле затвора оказывает отталкивающее действие на электроны – носители заряда в канале, что приводит к уменьшению их концентрации в канале и проводимости канала. Вследствие этого стоковые характеристики при Uзи < 0 располагаются ниже кривой, соответствующей Uзи = 0. При подаче на затвор напряжения Uзи > 0 поле затвора притягивает электроны в канал из полупроводниковой пластины (подложки) р- типа. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, проводимость канала возрастает, ток стока Iс увеличивается. Стоковые характеристики при Uзи > 0 располагаются выше исходной кривой при Uзи = 0. Стоко-затворная характеристика транзистора со встроенным каналом nтипа Ic = f(Uзи) приведена на рис. 4, б. Стоковые (выходные) характеристики Ic=f(Uси) и стоко-затворная характеристика Ic = f(Uзи) полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа приведены на рис. 5, б; в. Отличие стоковых характеристик заключается в том, что управление током транзистора осуществляется напряжением одной полярности, совпадающей с полярностью напряжения Uси. Ток Ic = 0 при Uси = 0, в то время как в транзисторе со встроенным каналом для этого необходимо изменить полярность напряжения на затворе относительно истока. УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 24 из 32 Параметры МДП - транзисторов аналогичны параметрам полевых транзисторов с р-n- переходом. Что касается входного сопротивления то МДП - транзисторы имеют лучшие показатели, чем транзисторы с р-n- переходом. Входное сопротивление у них составляет rвх = 1012 … 1014 Ом. Полевые транзисторы применяются в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением, ключевых и логических устройствах, при изготовлении интегральных схем и др. 4.1.4Основные схемы включения полевых транзисторов Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ) (рис. 7). УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 25 из 32 Рисунок 7 – Схемы включения полевого транзистора: а) ОИ; б) ОЗ; в) ОС На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком дает очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не дает усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением. Вопросы для самоконтроля: Что представляют собой полевые транзисторы? Как называются электроды у полевого транзистора? Какой электрод называется истоком? Какой электрод называется стоком? Какой электрод называется истоком? Какой электрод называется затвором? Какие схемы включения бывают у полевых транзисторов? 8. Что представляют собой полевые транзистры с управляемым р-n переходом? 9. Что представляют собой полевые транзистры с изолированным р-n переходом? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 10.Что представляют собой индуцированным каналом? полевые транзистры 7.1.1 Лавреньев Б.Ф., Схемотехника электронных устройств. Учебное пособие. Изд.Академия, 2010г.,308с. 7.1.2 Под ред,Розанова Ю.К., Электрические и электронные аппараты.,М:Инфориэлектро, 2008г., 420с Лекция 5.1 Триггеры. Вопросы лекции 1.Определение триггера. 2. RS-триггеры 3.D-триггеры 4.Т-триггеры 5. JK-триггер Содержание лекционного занятия: 5.1.1Определение триггера. с УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 26 из 32 Триггер - это устройство, имеющее два устойчивых состояния и способное под действием управляющих сигналов скачкообразно переходить из одного состояния в другое. Можно выделить две основные области их применения: формирование импульсов и работу в качестве элементарных автоматов цифровых устройств. Как формирователи, триггеры позволяют получать стандартные по амплитуде прямоугольные импульсы с малой длительностью фронта и среза, практически не зависящей от скорости изменения управляющего сигнала. В роли цифровых автоматов с двумя внутренними состояниями различные типы триггеров выполняют функции ячеек памяти, каскадов задержки, пересеченных ячеек и т. д. Триггер, как элементарный конечный автомат, характеризуется следующими свойствами: число внутренних состояний – два (единица и нуль), что соответствует одной внутренней переменной, обозначаемой для триггеров буквой Q; число выходных переменных y – одно, значение переменной y совпадает со значением Q; число входных переменных x зависит от типа триггера. Наряду с выходом Q, называемым прямым, триггер имеет и инверсный выход . Состояние триггера определяется значением его прямого выхода. Все известные на сегодняшний день триггеры по функциональному признаку можно разделить на четыре основных типа: RS-триггеры – триггеры с двумя установочными входами; D-триггеры – триггеры задержки с одним входом; Т-триггеры с одним счетным входом; универсальные триггеры с несколькими входами. Как и любые цифровые автоматы, триггеры могут быть асинхронными и синхронными. Различают также триггеры со статическими и динамическими входами. Входы, управляемые потенциальными (уровнями напряжений), называются статическими (включая и сигнал синхронизации). УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 27 из 32 Причем, если триггер переключается сигналами логической единицы, то его называют триггером с прямым управлением, в противном случае – триггером с инверсным управлением. Входы же управляемые перепадами потенциалов называют динамическими. 5.1.2 RS-триггер Асинхронный RS-триггер В простейшем исполнении триггер это симметричная структура из двух логических элементов ИЛИ–НЕ либо И–НЕ, охваченных перекрестной положительной обратной связью. Схема триггера на элементах ИЛИ–НЕ и его условное обозначение приведены на рис. 1 Рис. 1 Рис. 1 Асинхронный RS-триггер на элементах ИЛИ–НЕ: а – логическая структура; б – условное обозначение Этот триггер (бистабильная ячейка) обладает двумя устойчивыми состояниями, которые обеспечиваются за счет связи выхода каждого элемента с одним из входов другого. Свободные входы служат для управления и называются информацион-ными или логическими. Одному УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 28 из 32 из выходов присвоено наименование прямого, его обозначают буквой Q, а другому – наименование инверсного и обозначают . Вход, по которому триггер устанавливается в единичное состояние (Q = 1, = 0), называют входом S (от английского Set – установка), а в нулевое (Q = 0, = 1) – входом R (reset – возврат). Работа триггера характеризуется таблицей переходов состояний (табл. 6), из которой следует, что на двух наборах переменных его состояние не определено. Карта Карно для нахождения логической функции переходов RS-триггера приведена на рис. 29. Таблица 1 Такт tn Такт tn+1 Rn Sn Qn Qn+1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 – 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 – Доопределив ее единицами на запрещенных наборах и применив правила минимизации получим Возможны следующие состояния триггера, в зависимости от комбинации входных сигналов: УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 29 из 32 Rn, Rn = 0, сигнал на выходе может быть Qn+1 = 1 или Qn+1 = 0, что соответствует нейтральному состоянию (режим хранения информации); Sn = 1, Rn = 0, Qn+1 = 1 – установка триггера в единичное состояние; Sn = 0, Rn = 1, Qn+1 = 0 – установка в нулевое состояние; Sn = 1, Rn = 1 – состояние не определено. Если затем входная комбинация станет Sn = 0, Rn = 0, то триггер с равной вероятностью может установиться или в нулевое, или в единичное состояние, поэтому входная комбинация Sn = 1, Rn = 1 недопустима. Минимизированная таблица состояний RS-триггера и его временная диаграмма имеют вид (рис.1): При синтезе устройств на триггерах возникает задача определения требуемых входных комбинаций для перехода триггера из одного (заданного) состояния Qn в другое (требуемое) Qn+1. Эту задачу удобно решать с помощью таблицы, называемой матрицей переходов. Рассмотрим функцию переходов для всех возможных изменений выхода триггера Qn Qn+1: 0 0; 0 1; 1 0; 1 1. С учетом этого, получим систему уравнений . Результаты анализа этих уравнений позволяют составить матрицу переходов RS-триггера (табл. 7), показывающую сочетания входных УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 30 из 32 сигналов, которые обеспечивают требуемое состояние триггера при его переходе из такта n в такт (n + 1). Если RS-триггер выполнить на элементах И–НЕ, то получим схему, приведенную на рис. 2 Такой вариант триггера называют инверсным управлением. -триггером или RS-триггером с Синхронный RS-триггер. Известно, что из-за задержек переключения логических элементов могут возникнуть ложные состояния. Устранить это помогает временное стробирование. Временное стробирование обеспечивается синхронизирующими (тактовыми) импульсами, поэтому синхронный RS-триггер кроме информационных входов R и S имеется вход C, на который подается синхронизирующий сигнал (рис. 32). Такой триггер функционирует как RS-триггер только при условии наличия синхронизирующих импульсов. В противном случае, т.е. при отсутствии синхронизирующих импульсов, состояние его сохраняется неизменным Qn+1 = Qn , какие бы сигналы ни подавались на информационные входы, причем возможна подача сочетания R = S = 1 (или R = S = 0 для триггера с инверсными входами). УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 31 из 32 Рис.3 Синхронный RS-триггер с прямыми статическими входами на элементах И-НЕ и его условное обозначение Специфика синхронных триггеров со статическим управлением по входу синхронизации такова, что в течение времени действия тактового импульса смена сигналов на информационных входах вызывает новые срабатывания. Следовательно, синхронные триггеры со статическим управлением при активном состоянии тактового входа ведут себя подобно асинхронным. Во многих случаях это свойство является недостатком, так как может оказаться причиной сбоев в цифровых устройствах. От этого свободны триггеры с динамическим и двух ступенчатым управлением. Триггеры с динамическим управлением в зависимости от схемы исполнения реагируют на перепад напряжения от нуля к единице, либо от единицы к нулю. Таким образом, сигналы, поступающие на динамический вход, воспринимаются только в те моменты времени, когда их состояние изменяется определенным образом. На рис. 33. приведено условное обозначение синхронных RSтриггеров с динамическими входами синхронизации. Двухступенчатые триггеры содержат первую ступень для промежуточной записи входной информации и вторую – для последующего запоминания и хранения. У двухступенчатых триггеров формирование нового состояния происходит за два такта, поэтому их иногда называют двухтактными. Функциональные свойства всей триггерной системы определяются первой ступенью, вторая ступень обычно представляет собой синхронный RS-триггер со статическим управление. Вопросы для самоконтроля: Вопросы для самоконтроля 5.2.1 Для чего предназначен триггер? 5.2.2Сколько устойчивых состояний имеет триггер? 5.2.3Какими свойствами обладает триггер? 5.2.4Каких типов бывают триггеры? 5.2.5Что представляет собой триггер со статическими входами? 5.2.6Что представляет собой триггер с динамическими входам 5.2.7Что представляет собой асинхронный RS-триггер 5.2.8Что представляет собой синхронный RS-триггер. УМКД 042-18-11.1.166/03-2014 Ред. № от стр. 32 из 32 1. 5.2.9Что представляет собой D триггер? 5.2.10.Что представляет собой JK-триггер? 7.1.1 Лавреньев Б.Ф., Схемотехника электронных устройств. Учебное пособие. Изд.Академия, 2010г.,308с. 7.1.2 Под ред,Розанова Ю.К., Электрические и электронные аппараты.,М:Инфориэлектро, 2008г., 420с.