Расчет характеристик ттл транзистора со сложным инвертором

МИНИСТЕРСТВО оБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Московский государственный институт электроники и математики

(Технический университет)

Кафедра “Электроника и электротехника”

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему

«Расчет характеристик ТТЛ транзистора со сложным инвертором»
по дисциплине «Электроника»

Вариант 64

Выполнил:

Христенко А.А.
Руководитель:
Самбурский Л.М.

Москва 2012

Задание

Описать принцип работы схемы.
Описать технологию изготовления схемы.
Нарисовать структуру и топологию транзистора с размерами.
Рассчитать параметры транзистора.
Рассчитать параметры диодов и резисторов.
С помощью программы SPISE рассчитать входные и выходные характеристики транзистора.
Рассчитать входные и выходные характеристики с помощью формул.
С помощью программы SPISE рассчитать передаточные характеристики схемы.
С помощью программы SPISE рассчитать переходные характеристики схемы.
По рассчитанным характеристикам определить основные параметры схемы.
1. Логические уровни 0 и 1.
2. Помехоустойчивость.
3. Статическую потребляемую мощность.
4. Фронты и задержки сигнала.
Рассчитать параметры схемы по формулам.
Нарисовать топологию схемы.
Сравнить характеристики полученной схемы со стандартными аналогами.

$d:\miem\4 sem\eie\безымянный.png$

Исходные данные

X_j_к	2,5*10^-6	Глубина залегания p-n перехода база-коллектор, м
X_j_э	1,5*10^-6	Глубина залегания эмиттерного p-n перехода, м
W_Б	1,5*10^-6	X_j_к- X_j_э Толщина активной базы, м
W_эпи	10*10^-6	Толщина эпитаксиального слоя, м
X_j_n	6*10^-6	Толщина скрытого n+ слоя, м
N_д_э(X_jэ)	1*10²³	Концентрация донорной примеси в эмиттерной области: у эмиттерного перехода, м^-3
N_д_э(0)	6*10²⁶	Концентрация донорной примеси в эмиттерной области: на поверхности, м^-3
N_аб(0)	7*10²⁴	Поверхностная концентрация акцепторов в базе, м^-3
N_дк(0)	9*10²²	Концентрация донорной примеси в эпитаксиальной пленке коллектора, м^-3
ρ_э_пи	1*10^-3	Удельное объемное сопротивление коллекторной области, Омм
ρ_БА	5*10³	Удельное поверхностное сопротивление активной области базы (под эмиттером), Ом/□
ρ_БП	200	Удельное поверхностное сопротивление пассивной области базы (вне эмиттера), Ом/□
L_pЭ	5*10^-6	Диффузионная длина дырок в эмиттере, м
L_n_Б	5*10^-6	Диффузионная длина электронов в базе, м
L_p_К	5*10^-6	Диффузионная длина дырок в коллекторе, м
D_n_Б	2*10^-3	μ_n*φ_Т, Коэффициент диффузии электронов в базе, м²/с
D_p_К	1*10^-3	μ_p*φ_Т, Коэффициент диффузии дырок в коллекторе, м²/с
n_j	1.510¹⁶ (Si) 1.510¹² (GaAs)	Концентрация носителей зарядов в собственном полупроводнике, м^-3
ε	12 (Si) 3.8 (SiO₂) 11 (GaAs)	Относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, диэлектрика
q	1.6*10^-19	заряд электрона, Кл
μ_n	8*10^-2 (Si)	Подвижность электронов, м²/(Вс)
μ_p	4*10^-2 (Si)	Подвижность дырок, м²/(Вс)
Δ	4*10^-6	Минимальный размер, м
φ_Т	0,025	Тепловой потенциал, В

Принцип работы схемы

Пусть на один или два входа подан U0 – низкий потенциал, тогда соответственно эмиттер МЭТ (Т1) открыт, коллектор МЭТ открыт, потенциал базы транзистора Т2 низкий => Т2 – закрыт (в отсечке); ток эмиттера Т2 – близкий к нулю, потенциал базы Т4 низкий => Т4 – закрыт (в отсечке); потенциал коллектора Т2 (закрытого) – высокий, это потенциал базы Т3, он настолько большой, что открытый эмиттерный переход транзистора Т3 и диод Д, а так как Т4 закрыт, что на выходе высокий потенциал (близкий к Е) – U1.

Пусть на все входы подано высокое напряжение U1 (близкое к Е), тогда все эмиттерные переходы МЭТа Т1 закрыты, коллекторный переход открыт и ток через него течет в базу транзистора Т2, Т2 – в режиме насыщения Т4 – также в режиме насыщения: UK1 – UK2 = UD_ОТКР + UКЭ_НАС - UКЭ_НАС < 2UD_ОТКР, следовательно, эмиттерный переход Т3 и диод D отрыться не могут, значит они в отсечке.

Uвых1	Uвх2	Uвх3	Uвых
0	0	0	1
0	0	1	1
0	1	0	1
0	1	1	1
1	0	0	1
1	0	1	1
1	1	0	1
1	1	1	0

Для повышения помехоустойчивости схемы включают диод в базовую цепь транзистора Т4. Однако быстродействие схемы снижается, так как при выключении схемы диод запирается и препятствует вытеканию рассасывающего тока из базы насыщенного транзистора Т4. Для ускорения рассасывания избыточного заряда в транзисторе Т4 в схему включается резистор R4, который обеспечивает вытекание из базы Т4 тока. Сопротивление R4 нельзя выбирать малым, так как при этом снижается нагрузочная способность схемы. Поэтому время рассасывания больше, чем в схеме без диода. Увеличивается также время отпирания, так как схема имеет более высокий порог переключения и повышенное значение паразитной емкости Сп. Таким образом, быстродействие этой схемы оказывается существенно меньше, чем схемы без диода.

Структура и топология транзистора

$d:\miem\без имени-3.jpg$

Технология изготовления

Окисление.

$d:\miem\all 1.jpg$

Фотолитография под скрытый слой. Ионная имплантация.

$d:\miem\all 2.jpg$

Эпитаксиальное осаждение n-слоя, окисление.

$d:\miem\all 3.jpg$

Фотолитография по окислу, диффузия под рослой, разгонка p-слоя, окисление.

$d:\miem\all 4.jpg$

Фотолитография под p-слой, ионная имплантация p-слоя, окисление, разгонка p-слоя.

$d:\miem\all 5.jpg$

окисление, разгонка, фотолитография под эмиттер. Диффузия n-слоя, окисление, разгонка, фотолитография под контакты.

$d:\miem\all 6.jpg$ $d:\miem\all 8.jpg$ Металлизация.

$d:\miem\all 9.jpg$

Фотолитография по металлу.

$d:\miem\all 10.jpg$

p

Расчет параметров элементов схемы.

3 эмиттера

1 эмиттер

B_F – коэффициент усиления тока базы в нормальном режиме.

B_R - коэффициент усиления тока базы в инверсном режиме.

Для 3х эмиттеров (М = 3)

Для 1го эмиттера (М = 1)

I_S – ток насыщения.

Для 3х эмиттеров

Для 1го эмиттера

R_B - сопротивление базы

Ёмкость эмиттерного p-n-перехода (CJE)

C одним эмиттером:

С тремя эмиттерами:

Ёмкость коллекторного p-n-перехода

C одним эмиттером:

С тремя эмиттерами:

NF - коэффициент эмиссии эмиттерного перехода NF = 1,1

NR — коэффициент эмиссии коллекторного перехода NR = 1,4

Расчет резисторов

$d:\miem\4 sem\eie\nagr_skhem.jpg$

Передаточная характеристика схемы.

Vsup E 0 5V

Vin1 IN1 0 0V

Vin2 IN2 0 5V

Vin3 IN3 0 5V

Q1a N005 N003 IN1 0 T1

Q1b N005 N003 IN2 0 T1

Q1c N005 N003 IN3 0 T1

Q2 N002 N005 N006 0 T2

Q3 N001 N002 N004 0 T2

Q4 OUT N006 0 0 T2

Q1D N004 N004 OUT T2

R1 E N003 3200

R2 E N002 1800

R3 E N001 1600

R4 N006 0 1600

Q5 N010 N007 OUT 0 T1

Q6 N008 N010 N012 0 T2

Q7 N009 N008 N011 0 T2

Q8 N013 N012 0 0 T2

Q2D N011 N011 N013 T2

R5 E N007 3200

R6 E N008 1800

R7 E N009 1600

R8 N012 0 1600

Cn OUT 0 15pF

.model T1 npn (BF=88.89 BR=0.070 IS=3.277E-16 RB=66.66 RC=54.16 TF=5.6E-10 CJE=5.0711e-13 CJC=1.5705e-12 NF=1.1 NR=1.4)

.model T2 npn (BF=88.89 BR=0.088 IS=1.092E-16 RB=66.66 RC=54.16 TF=5.6E-10 CJE=2.103e-13 CJC=7.4136e-13 NF=1.1 NR=1.4)

.lib C:\Program Files (x86)\LTC\LTspiceIV\lib\cmp\standard.dio

.lib C:\Program Files (x86)\LTC\LTspiceIV\lib\cmp\standard.bjt

.op

.DC Vin1 0 5 0.01

.PROBE

.end

Уровень логической единицы:

Уровень логического нуля:

Логический перепад:

Порог переключения: , ,

Помехоустойчивость по положительной помехе:

Помехоустойчивость по отрицательной помехе: .

Переходная характеристика схемы.

Длительность задержек:

Длительность фронтов:

.
Статическая и динамическая мощности, потребляемые схемой

Частота переключения

Для определения динамической мощности воспользуемся формулой

$d:\miem\eie\123~1.jpg$
Сравнение с аналогами, выпускаемыми промышленностью.
В качестве схемы для сравнения использовались цифровые базовые матричные кристаллы на основе

-МОП-структур типа К1801ВП1.