Сопротивления коллекторного

Решение. Для нахождения оптимального числа витков wm opt составляем уравнение по второму закону Кирхгофа в потокосцеплениях, а также выражения для полного импульса поля Q3 и сопротивления коллекторной цепи

Использование данного способа функциональной интеграции (особенно при построении маломощных ИМС) дает значительную экономию площади кристалла, позволяет в широких пределах варьировать мощность, потребляемую схемой, путем изменения толщины и удельного сопротивления коллекторной области. Для увеличения сопротивления эпитакси-альных коллекторных слоев используют «пережатие» эпитаксиальной области, где размещается резистор, с помощью скрытых или диффузионных поверхностных слоев, тип электропроводности которых противоположен типу электропроводности эпитаксиальной пленки. На 3.22 показана структура элемента, содержащего такие области (области 1). Такую структуру применяют для создания схем на ЭПЛ. На 3.23 показана топология триггерной схемы, выполненной в одном изолированном кармане /г-типа электропроводности на тг-р-п-транзисторах. Создание такой структуры стало возможным благодаря использованию в качестве резистивных слоев участков эпитаксиальной пленки «пережатых» скрытым р+ -слоем и поверхностным диффузионным слоем.

Современные транзисторы изготовляют методами планарно-эпитак-сиальной технологии (см. § 8). На кремниевой пластине 1 л+-типа ( 43) с эпитаксиально выращенным на ней тонким (несколько микрометров) слоем 2 n-типа локальным диффузионным легированием с применением фотолитографии последовательно изготовляют области базы 4 р-типа и области эмиттера 5 /7+-типа. Для уменьшения емкости и повышения пробивного напряжения коллекторного р-п-перехода его изготовляют в слабо легированном слое 2 Сильное легирование пластин / необходимо для уменьшения сопротивления коллекторной области. Далее фотолитографией изготовляют контактные окна к областям эмиттера и базы в слое диоксида кремния 3, осаждают слой металлизации и фотолитографией получают рисунок металлизации, формируя электроды эмиттера 6 и базы 7. Затем пластину кремния разделяют на отдельные кристаллы. Металлизированный электрод коллектора 9 изготовляют обычно одновременно с монтажом кристалла пайкой в корпусе прибора.

Уровень легирования эпитаксиального я-слоя выбирают исходя из противоречивых требований: для получения высокого пробивного напряжения и малой емкости перехода коллектор — база уровень легирования должен быть низким, а для получения низкого последовательного сопротивления коллекторной области — высоким. В большинстве случаев удельное сопротивление эпитаксиального слоя составляет 0,1—0,5Ом-см, а его толщина изменяется в пределах от 2,5 до 10 мкм. Использование тонких эпи-таксиальных слоев (до 3 мкм) позволяет существенно уменьшить паразитные емкости и тем самым увеличить плотность размещения элементов и повысить максимальную рабочую частоту ИМС.

обладающих вертикальной структурой (на этом и последующих рисунках интегрированные элементы выделены пунктирной линией). Такая структура позволяет создать обширную группу функционально-интегрированных элементов, занимающих минимальную площадь и потребляющих различную мощность, что достигается изменением толщины и удельного объемного сопротивления коллекторной области. В эту (первую) группу входят

Важной конструктивной особенностью эпитаксиально-планарных транзисторов является скрытый слой 3 п+-типа (см. 3.1, а), предназначенный главным образом для уменьшения объемного сопротивления коллекторной области г'к и напряжения насыщения

Выходной каскад, так же как и предварительный каскад УНЧ, может быть собран на транзисторе по схеме с общим эмиттером. Следует отметить, что, так как сопротивление нагрузки /?н обычно гораздо меньше внутреннего сопротивления коллекторной цепи /?в„. к, мощность, которая выделяется на нагрузке, включенной непосредственно в цепь коллектора, будет весьма мала. Для того чтобы эта мощность была максимально возможной, необходимо выполнить условие R,,=RBH. к, т. е. сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению источника полезного сигнала. Для этого на практике применяют согласующие трансформаторы ( 19.4). Подобные схемы однотактного транзисторного усилителя мощности с общим эмиттером применяются в том случае, если выходная мощность не превышает 3 — 5 Вт. Нагрузка Ra включена через согласующий трансформатор Тр.

С повышением напряжения источника питания возникает опасность^электрического пробоя р-п переходов транзисторной структуры или пленки, которой изолируется затвор полевого транзистора, и растут потери энергии, так как с увеличением сопротивления коллекторной или стоковой нагрузки падение напряжения на нем возрастает, что приводит к дополнительным потерям энергии. Кроме того, в интегральных усилителях увеличение сопротивления интегрального диффузионного резистора связано с ростом стоимости микросхемы, поскольку интегральный резистор с большим сопротивлением будет занимать значительную площадь на кристалле, что потребует увеличения его размеров.

Для уменьшения объемного сопротивления коллекторной области транзистора формирование транзисторной структуры производят в тонком эпитаксиальном слое с относительно малой концентрацией примесей, нанесенном на низкоомную подложку с электропроводностью того же типа. Например, при подложке и эпитаксиальном слое с электропроводностью л-типа, полученная структура транзистора п+-р-п-п+-типа имеет двухслойную коллекторную область, состоящую из высокоомной тонкой части эпитаксиального слоя и низкоомной подложки. Коллекторный переход, расположенный в высокоомном эпитаксиальном слое, имеет небольшую барьерную емкость и высокое пробивное напряжение. Транзисторы с такой структурой называют эпитаксиаль-но-планарными. Они составляют основную часть транзисторов массового производства.

При /K^SS/KI полярность напряжения на ОПЗ коллектора изменяется с обратной па прямую (t/к >0), т. е. транзистор входит в режим своеобразного насыщения, когда роль сопротивления коллекторной нагрузки выполняет вы-сокоомный коллекторный слой толщиной WK,. В этом случае из р-базы в некоторую часть высокоомного «-слоя инжектируются дырки, глубокому проникновению которых в «-область препятствует токовое поле Е'. Накопление дырок (и в равном количестве электронов) приводит к ликвч-

На 5.4 показан функционально-интегрированный элемент запоминающего устройства, пассивные элементы которого совмещены с коллекторными областями транзисторов, обладающих вертикальной структурой (на этом и последующих рисунках интегрированные элементы выделены пунктирной линией). Такая структура позволяет создать обширную группу функционально-интегрированных элементов, занимающих минимальную площадь и потребляющих различную мощность, что достигается изменением толщины и удельного объемного сопротивления коллекторной области. В эту (первую) группу входят также элементы, пассивные элементы которых совмещены с базовыми областями транзисторов

Использование токового зеркала в качестве активной нагрузки. Иногда желательно, чтобы однокаскадный дифференциальный усилитель, как и простой усилитель с заземленным эмиттером, имел большой коэффициент усиления. Красивое решение дает использование токового зеркала в качестве активной нагрузки усилителя ( 2.72). Транзисторы Tt и Т2 образуют дифференциальную пару с источником тока в эмиттерной цепи. Транзисторы Т3 и Г4, образующие токовое зеркало, выступают в качестве коллекторной нагрузки. Тем самым обеспечивается высокое значение сопротивления коллекторной нагрузки, благодаря этому коэффициент усиления по напряжению достигает 5000 и вы-

коэффициенту усиления по току /I2j транзистора и отношению сопротивления коллекторного резистора RK и входного сопротивления /in транзистора. По схеме замещения 5.7, а легко можно найти входное сопротивление усилительного каскада с общим эмиттером на низких частотах:

Решение. Полярность внешних напряжений (С/э<0 и UK>0) соответствует транзистору типа прп. На 1.10 представлены его входная и выходная ВАХ для включения с общей базой. Эквивалентная Г-образная схема для такого транзистора описывается при помощи следующих параметров: а = А/к/Л/э t/K.const—дифференциального коэффициента прямой передачи по току; гэ—дифференциального сопротивления открытого эмиттерного перехода; ГБ.— объемного сопротивления базы; гк = АС/к/А/к/э,со„„—дифференциального сопротивления коллекторного перехода.

При более строгом рассмотрении работы транзистора необходимо учитывать еще одну составляющую неуправляемого тока (тока утечки), обусловленную конечной величиной сопротивления коллекторного перехода г R:

Как видно из выражения (3.9), в схеме ОЭ увеличивается также влияние токов утечки вследствие снижения эквивалентного сопротивления коллекторного перехода

Анализ работы транзисторных каскадов имеет свои особенности в основном вследствие токового механизма управления и наличия внутренней обратной связи. Точный учет всех факторов, влияющих на динамические показатели, приводит к громоздким формулам, поэтому обычно количественная и качественная оценки производятся с помощью упрощенной эквивалентной схемы замещения каскада по переменной составляющей тока ( 9.1 \0). Здесь каждый транзистор представлен источником тока j3i g с шунтирующей цепочкой из сопротивления коллекторного перехода г *к и конденсатора С*к> обусловленного барьерной емкостью этого перехода. Входные цепи транзисторов показаны отдельными входными резисторами RBX и ЯБХ , а делители замещены эквивалентными сопротивлениями:

Пренебрегая влиянием сопротивления коллекторного перехода, можно оценить выходное сопротивление отражателя г„ = dUK2/dl, используя (12.7):

Уменьшение дифференциального сопротивления коллекторного перехода объясняется тем, что ток коллектора в схеме с ОЭ изменяется сильнее, чем в схеме с ОБ, при одном и том же изменении напряжения на коллекторном переходе. Аналогично можно установить соотношение между С? и Ch

дах, в которых использование источника тока, включаемого в эмиттерные цепи транзисторов, наряду с повышением стабильности режима позволяет существенно повысить степень подавления синфазной помехи без снижения усиления полезного сигнала. Источник тока обычно строят на транзисторе, ток которого можно стабилизировать при помощи второй транзисторной структуры в диодном включении. В частности, в качестве такого источника стабилизированного тока можно использовать схему на 3.1, а. Разновидностью этой схемы является схема на 3.2, в которой путем включения резистора Кэ в эмиттер Т удается увеличить выходное сопротивление источника тока до значения сопротивления коллекторного перехода гк (за счет обратной связи по току). При этом, чтобы транзистор Т не работал в режиме очень малых токов, приходится включать небольшое сопротивление R3\ в эмиттер транзистора Т\, чтобы повысить потенциал базы Т и тем самым увеличить ток эмиттера этого транзистора. Благодаря введению глубокой обратной связи по току через резистор Яэ эта схема становится малочувстиительной к изменениям напряжения источника питания Е. В отличие от схем на 3.1, в которых ток /к меняется прямо пропорционально Е, в этой схеме ток /к меняется в значительно меньшей степени.

относительно эмиттера отрицательное напряжение — t/K9i то в коллекторной цепи потечет обратный ток /кэк = /КБК, .так как в режиме короткого замыкания цепи эмиттер— база схемы ОБ и ОЭ ничем не отличаются друг от друга. В базе транзистора ток /как складывается из двух компонентов: тока, текущего от эмиттерного перехода к коллекторному в результате существующего в базе градиента концентрации дырок (см. 12-5, в, кривая 1), тока — /Б, втекающего в базу из короткозамкнутой цепи эмиттер — база. Ток —/в зависит только от напряжения С/кэ и сопротивления коллекторного перехода. Если разорвать цепь эмиттера, то ток в цепи

Эквивалентная схема одного каскада усилителя в области высоких частот приведена на 6.43, а. Для того чтобы упростить анализ на высоких частотах, пренебрежем шунтирующим действием сопротивления коллекторного перехода г* и будем учитывать только влияние емкости С*. Тогда выражение для эквивалентного коэффициента передачи тока на высоких частотах можно найти по аналогии с формулой (6.52):

Повысить линейность пилообразного напряжения позволяет схема генератора с зарядом емкости через токостабилизирующий двухполюсник. В качестве такого- двухполюсника используется выходная цепь транзистора с отрицательной обратной связью по току ( 7.25, а). Здесь э. д. с. Е& обеспечивает требуемый ток базы (коллектора) транзистора. Как известно, в транзисторе зависимость тока /к от коллекторного напряжения UK незначительна. В схеме с ОЭ эта зависимость определяется величиной дифференциального сопротивления коллекторного перехода г*. При введении отрицательной обратной связи по току через резистор Ra ( 7.25, а) зависимость /к=Д?/Кэ) ослабляется (пунктирные кривые на 7.25, б).