Курсовая работа на тему «Расчет характеристик ттл транзистрора» по дисциплине «Электроника»


Скачать 95.06 Kb.
НазваниеКурсовая работа на тему «Расчет характеристик ттл транзистрора» по дисциплине «Электроника»
Падежнов Е В
Дата24.04.2013
Размер95.06 Kb.
ТипКурсовая
МИНИСТЕРСТВО оБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Московский государственный институт электроники и математики

(Технический университет)


Кафедра “Электроника и электротехника”


КУРСОВАЯ РАБОТА



на тему

«Расчет характеристик ТТЛ транзистрора»


по дисциплине «Электроника»


Вариант 14


Выполнил:
Падежнов Е.В.


Руководитель:
Самбурский Л.М.


Москва 2011

Задание.



1. Описать принцип работы схемы.


2. Описать технологию изготовления схемы.


3. Нарисовать структуру и топологию транзистора с размерами.


4. Рассчитать параметры транзистора.


5. Рассчитать параметры диодов и резисторов.


6. С помощью программы SPISE рассчитать входные и выходные характеристики транзистора.


7. Рассчитать входные и выходные характеристики с помощью формул.


8. С помощью программы SPISE рассчитать передаточные характеристики схемы.


9. С помощью программы SPISE рассчитать переходные характеристики схемы.


10. По рассчитанным характеристикам определить основные параметры схемы.


а) Логические уровни 0 и 1.

б) Помехоустойчивость.

в) Статическую потребляемую мощность.

г) Фронты и задержки сигнала.


11. Рассчитать параметры схемы по формулам.


12. Нарисовать топологию схемы.


13. Сравнить характеристики полученной схемы со стандартными аналогами.


g:\миэм\2 курс\4 семестр\эиэ\курсовая\ttl_14.bmp


Принцип работы схемы.



При подаче на все входы уровня логической единицы (т. е. напряжения равного напряжению питания). Потенциал эмиттера выше или равен потенциалу базы, поэтому переходы б-э транзистора Т1 закрыты. Потенциал на базе транзистора Т1 достаточно высокий, этого потенциала достаточно, чтобы открыть три р-n перехода: б-к Т1, Д, б-э Т2. Когда Т2 открыт, протекает коллекторный ток.


Uвых = Епит - Iкт2 R2

На выходе имеем логический 0, т. е. низкое напряжение.


Если подать на один из входов схемы (эмиттер) логический ноль, переход б-э Т1 открывается, потенциал приблизительно 1,4В. Напряжение на базе приложено к трем переходам: б-к Т1, Д, б-э Т2. Этого напряжения недостаточно для того чтобы открыть эти три перехода, они остаются полузакрытыми. Ток Т2 при этом равен нулю.

Если на оба входа подали логический ноль, то будет все то же самое.


Uвых = Е - Iкт2 R2 = Е


Uвх1

Ubx2

Uвых

1

1

0

1

1

1

1

0

1


Для повышения помехоустойчивости схемы включают диод в базовую цепь транзистора Т2. Однако быстродействие схемы снижается, так как при выключении схемы диод запирается и препятствует вытеканию рассасывающего тока из базы насыщенного транзистора Т2. Для ускорения рассасывания избыточного заряда в транзисторе Т2 в схему включается резистор R3, который обеспечивает вытекание из базы Т2 тока. Сопротивление R3 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.



Технология изготовления схемы.



Структура эпитаксиально-планарного транзистора с изоляцией р-n переходами.

Последовательность основных технологических операций.

Транзистор выполнен на высокоомной подложке (1) р-типа в эпитаксиальном слое (2) n- типа. Локальной диффузией донорных примесей (мышьяка или сурьмы), имеющих малый коэффициент диффузии по сравнению с бором и фосфором, в подложке перед наращиванием эпитаксиального слоя (2) создают скрытый слой (3) п+-типа с низким удельным сопротивлением. Хотя первоначально слой формируется в подложке, при дальнейших высокотемпературных операциях (эпитаксии, окислении, диффузии примесей) он расширяется в сторону как подложки, так и эпитаксиального слоя. Для того, чтобы исключить чрезмерное распространение доноров, из скрытого слоя в эпитаксиальный, т. е. смыкание скрытого слоя с базовым, для него выбирают донорные примеси с малым коэффициентом диффузии, например, мышьяк.


c:\users\link_pro\documents\media\image1.jpeg


Диффузией бора через маску из диоксида кремния на глубину, превышающую толщину эпитаксиального слоя, формируют изолирующую область (4) р+ типа, окружающую с боковых сторон коллекторную область (2) п типа. Базовую область (5) р типа получают следующей локальной диффузией бора на глубину залегания металлургической границы коллекторного перехода. Граница базы одновременно является границей коллекторного р-п перехода и определяет его площадь. Последняя локальная диффузия используется для формирования эмиттерной области (6) п- типа и коллекторной контактной области (7). Донорной примесью в этом случае обычно служит фосфор, обладающий повышенным коэффициентом диффузии и повышенной растворимостью в кремнии. В плёнке диоксида кремния (8), покрывающей поверхность кристалла, создают контактные отверстия (9), через которые напылением плёнки алюминия формйруют контакты к эмиттеру, базе, коллектору и подложке. Одновременно создают внутрисхемные проводники (10), соединяющие элементы микросхемы. Коллекторная область (7) с высокой концентрацией доноров необходима потому, что при напылении плёнки алюминия на слаболегированный слой (2) п типа получается не низкоомный омический, а выпрямляющий контакт, что недопустимо.


В эпитаксиально-планарном транзисторе боковые поверхности (11) изолирующего р-п перехода являются границей коллекторной области (2) п типа и изолирующей области (4) р+ типа, а нижняя поверхность (12) - границей области (2) и скрытого слоя (3) с подложкой. К подложке в периферийной части кристалла микросхемы создают омический контакт. При использовании микросхемы на этот контакт подают напряжение, при котором изолирующий переход всегда смещён в обратном направлении. Поскольку обратный ток изолирующего перехода мал, обеспечивается удовлетворительная изоляция транзистора от подложки и других элементов кристалла микросхемы. Области, окружённые со всех сторон изолирующим переходом, называются карманами. В них размещают не только биполярные транзисторы, но и другие элементы микросхемы. Обычно в каждом кармане формируют один элемент, но в некоторых случаях размещают несколько, например, биполярных транзисторов, у которых согласно принципиальной схеме соединены коллекторы.


Структура и топология транзистора.




c:\users\link_pro\documents\media\image2.jpeg


c:\users\link_pro\documents\media\image3.jpeg

Технология изготовления.




Окисление.





Фотолитография под скрытый слой. Ионная имплантация.

c:\users\link_pro\documents\media\image5.jpeg


Эпитаксиальное осаждение n-слоя, окисление.

c:\users\link_pro\documents\media\image6.jpeg


ФЛ по окислу, диффузия под рослой, разгонка р-слоя, окисление.


c:\users\link_pro\documents\media\image7.jpeg


ФЛ под р-слой, ИИ р-слоя, окисление, разгонка р-слоя.


c:\users\link_pro\documents\media\image8.jpeg


ФЛ под базу, диффузия, окисление, разгонка, ФЛ под эмиттер. Диффузия п-слоя, окисление, разгонка, ФЛ под контакты.

c:\users\link_pro\documents\media\image9.jpeg


Металлизация.

c:\users\link_pro\documents\media\image10.jpeg


ФЛ по металлу.

c:\users\link_pro\documents\media\image11.jpeg


Параметры транзистора.


  1. Глубина эмиттерного р-n-перехода c:\users\link_pro\documents\media\image12.jpeg

  2. Глубина коллекторного р-п-перехода c:\users\link_pro\documents\media\image13.jpeg

  3. Толщина базы c:\users\link_pro\documents\media\image14.jpeg

  4. Толщина скрытого слоя c:\users\link_pro\documents\media\image15.jpeg

  5. Толщина эпитаксиального слояc:\users\link_pro\documents\media\image16.jpeg

  6. Коэффициент диффузии электронов в базе c:\users\link_pro\documents\media\image17.jpeg

  7. Собственная концентрация носителей в кремнии c:\users\link_pro\documents\media\image18.jpeg

  8. Концентрация донорной примеси в эмиттере у поверхности c:\users\link_pro\documents\media\image19.jpeg

  9. Концентрация донорной примеси в эмиттере в глубине c:\users\link_pro\documents\media\image20.jpeg

  10. Концентрация донорной примеси в коллекторе c:\users\link_pro\documents\media\image21.jpeg

  11. Концентрация акцепторной примеси на поверхности базы c:\users\link_pro\documents\media\image22.jpeg

  12. Фактор градиента концентрации в базе c:\users\link_pro\documents\media\image23.jpeg

  13. Диффузионная длина электронов в базе c:\users\link_pro\documents\media\image24.jpeg

  14. Расстояние между базовой и эмиттерной контактными площадками c:\users\link_pro\documents\media\image25.jpeg

  15. Ширина эмиттерного р-п-перехода c:\users\link_pro\documents\media\image26.jpeg

  16. Длина эмиттерного р-п-перехода c:\users\link_pro\documents\media\image27.jpeg

  17. Ширина коллекторного р-п-перехода c:\users\link_pro\documents\media\image28.jpeg

  18. Длина коллекторного р-п-перехода c:\users\link_pro\documents\media\image29.jpeg

  19. Минимальный технологический размер c:\users\link_pro\documents\media\image30.jpeg

  20. Удельное сопротивление эпитаксиального слоя c:\users\link_pro\documents\media\image31.jpeg

  21. Сопротивление приповерхностного слоя базы c:\users\link_pro\documents\media\image32.jpeg

  22. Относительная диэлектрическая проницаемость кремния c:\users\link_pro\documents\media\image33.jpeg

  23. Тепловой потенциал c:\users\link_pro\documents\media\image34.jpeg

  24. Подвижность электронов c:\users\link_pro\documents\media\image35.jpeg

c:\users\link_pro\documents\media\image36.jpeg

Расчет параметров элементов схемы.

Расчет основных параметров транзистора.

Площади эмиттерного и коллекторного р-n-переходов



Три составляющие площади: площадь S1 дна р-л-лерехода (плоская часть), площадь S2 боковых частей (четвертинок цилиндров), площадь S3 сферических частей по углам р-п-лерехода (четвертинок полусфер). Полные площади будут равны:




Коэффициент передачи тока.

c:\users\link_pro\documents\media\image38.jpeg

Время пролета носителей через базу.

c:\users\link_pro\documents\media\image39.jpeg


Сопротивления базовой и коллекторной областей.

c:\users\link_pro\documents\media\image40.jpeg


c:\users\link_pro\documents\media\image41.jpeg


Емкость перехода при напряжении на переходе равном нулю.

c:\users\link_pro\documents\media\image43.jpeg

Расчет основных параметров диода.


Диод технологически будет выполняться на основе п-р-л-транзистора.у которого катодом является эмиттер, а анодом база, объединенная с коллектором. Исходя из того,что для диода будет использоваться та же технология, что и для транзистора Т2, то их параметры можно взять одинаковыми.

Расчет резисторов.


Емкость перехода при напряжении на переходе равном нулю.

Полупроводниковые резисторы формируются одновременно с базовыми и эмиттерными областями транзисторов. В данной схеме будут использоваться резисторы на основе базового слоя (диапазон сопротивлений 0,1-20 кОм).

c:\users\link_pro\documents\media\image44.jpeg


c:\users\link_pro\documents\media\image45.jpeg


Расчет в Spice.





Передаточная характеристика.








Переходная характеристика.







По графикам определяем:

Uлог1 = 4.35B - уровень логической единицы,

Uлог0 = 0.75В - уровень логического нуля.

Uлог = 4.15В - логический перепад.

Uпop = 1.8В - порог переключения.

Uпом0 = 3.5В - помехоустойчивость положительным помехам.

Uпом1 = 3.5B - помехоустойчивость отрицательным помехам.


Фронты:

+ = 25нс

- = 8.5нс


Задержки:

10 = 7нс

01 = 15нс


Минимальный период и максимальная частота переключения.

Tmin = 175нс

Fmax = 5.7МГц


Статистическая и динамическая мощности, потребляемые схемой:

Динамическая мощность:

Рд = Cп*Eпит^2*Fmax = 2 мВт

Статистическая мощность:

Рст = Епит(Iпит0^Iпит1)/2 = 13.9 мВт

Сравнительный анализ схемы со стандартными аналогами.


Параметр

Аналог

Данная схема

Uлог1, В

2.4

4.35

Uлог0, В

≤ 0.4

0.75

10, нc

18.5

7




18.5

15

Fmax, МГц

≤ 15

5.7

Uпом0, В

≤ 0.4

3.5

Uпом1, В

≤ 0.4

3.5

Рст, мВт

75

13.9



Топология схемы.


Масштаб: 1 см = 9 мкм (3Δ).








Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Разместите кнопку на своём сайте:
cat.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©cat.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
cat.convdocs.org
Главная страница