Лабораторная работа №1 транзисторный ключ. Базовый элемент и-не транзисторно-транзисторной логики (ттл).

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Интегральные микросхемы (ИМС) ТТЛ строятся на основе известных вам по­лупроводниковых приборов - биполярных транзисторов. Напомним их основные свойства.

Биполярный транзистор состоит из трех областей полупроводника, называ­емых эмиттер (Э), база (Б) и коллектор (К) с чередующимися типами проводимос­ти: p-n-p или n-p-n. Структура этих транзисторов и их схемные изображения показаны на рис. 1 а и б. Транзистор имеет два p-n-перехода, каждый из ко­торых может находиться как в закрытом (непроводящем для основных носителей), так и в открытом (для основных носителей) состоянии. Открытое состояние возникает при подаче положительного потенциала от внешнего источника на р-область, а отрицательного на п-область, причем разность этих потенциалов должна превышать некоторое значение, называемое пороговым напряжением (Unop). Для кремниевых транзисторов Uпор, достаточное для компенсации вну­треннего контактного запирающего поля p-n-перехода 0,6 В, для германиевых 0,2 В. Переход с полярностью подключения к внешнему источнику, соответст­вующей открытому состоянию (даже, если напряжение на переходе меньше поро­гового) называют прямовключенным или прямосмещенным. Если же положительный полюс внешнего источника подключен к n-области, а отрицательный - к p-области, переход считается обратновключенным (обратносмещенным). На рис. 1в переход БЭ включен в прямом направлении, а КБ - в обратном.

Для транзистора характерны четыре режима работы: 1) отсечки - оба p-n-перехода закрыты; 2) активный (усилительный) режим - переход БЭ включен в прямом направлении (открыт) а БК - закрыт; 3) насыщения - оба р-п-перехода открыты; 4) инверсный режим - переход БЭ включен в обра­тном, а КБ - в прямом направлении.

Для цифровой техники основные режимы работы транзистора - отсечки и на­сыщения. Переход из одного состояния в другое происходит скачком. Такой режим работы транзистора называется ключевым. Активный режим имеет место как переходный между отсечкой и насыщением. Схема простого ключа на тран­зисторе n-p-n-типа показана на рис. 3.

Режим отсечки характеризуется высоким сопротивлением (десятки и сотни кОм) как обоих p-n-переходов по отдельности, так и всего транзистора в це­лом. Оба перехода закрыты для основных носителей тока, поэтому через тран­зистор протекают только неуправляемые малые токи, создаваемые неосновными носителями. Из коллектора в базу протекает ток неосновных носителей (ды­рок), так называемый тепловой ток коллектора Iкбо (рис. 2). Этот ток, несущественный при обычных условиях, может значительно увеличиваться с ростом температуры и влиять на работу схемы. Ток эмиттера в режиме отсечки мал и обычно Принимается равным нулю. Транзистор и ключевая схема на его основе (рис. 3) считается закрытым (запертым). Почти все питающее напряжение Ек в ре­жиме отсечки падает на закрытый транзистор (Rк обычно много меньше, чем со­противление закрытого транзистора): Uкэ=Ек.

В активный режим из отсечки транзистор можно перевести подачей положи­тельного потенциала (смещения) на Б относительно Э от внешнего источника. При этом начинает открываться переход ЭБ и электроны из n-эмиттера впрыски­ваются (инжектируются) в базу, создавая во внешней цепи ток эмиттера Iэ (рис. 2). База транзистора изготавливается небольшой толщины (доли мкм) и с невысокой концентрацией основных носителей, поэтому 95-99% инжектированных из Э электронов не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает пе­рехода БК, По отношению к p-базе инжектированные электроны - неосновные но­сители и переход БК для них открыт. Электроны, достигшие коллекторного пе­рехода, втягиваются в коллектор контактным полем этого перехода, создавая во внешней цепи ток коллектора Iк (рис. 2).

Несколько процентов электронов не доходят до коллекторного перехода, рекомбинируя б базе с ее основными носителями - дырками, что требует непреры­вного восполнения дырок в базе от внешнего источника Uбэ. Этот поток дырок создает во внешней цепи ток базы Iб.

Соотношение между токами в транзисторе (рис. 2), согласно закону Кирхгофа:

Iэ = Iк + Iб,

причем Iб может быть значительно меньше, чем Iк и Iэ.

Особенно важно то обстоятельство, что на количество инжектируемых из Э в Б электронов можно влиять, изменяя напряжение смешения Uбэ, или, как го­ворят, "степень открытости" эмиттерного перехода. При этом изменяются все токи транзистора: Iэ, Iк, Iб, а т.к. Iб обычно много меньше, чем Iэ и Iк, то абсолютное изменение Iб значительно меньше, чем абсолютное изменение Iэ и Iк. Таким образом, при сравнительно небольшом приращении (или уменьше­нии) Iб можно получить значительное приращение (или уменьшение) Iэ и Iк, что и дает возможность использовать транзистор, работающий в активном режиме как усилитель входного сигнала (Iб и Uбэ). В этом смысле иногда говорят, что транзистор управляется током базы.

Для транзистора в активном режима характерна пропорциональность между Iб и Iк:

β=Iк/Iб.

Коэффициент β (для схемы, где общим элементом для входного и выходного си­гналов является эмиттер; рис. 3) называется коэффициентом усиления (передачи) тока базы и колеблется от единиц до сотен у разных типов транзисторов.

Итак, для транзистора, работающего в активном режиме, Iк может меняться от очень малых до близких к максимально возможным значениям, в зависимости от входного сигнала Iб и Uбэ. изменяются при этом и общее сопротивление транзистора и падающее на него напряжение Uкэ от близкого к Ек до 0,2-0,3 В.

При увеличении входного сигнала может наступить такой момент, что поте­нциал базы окажется выше потенциала коллектора (Uбэ>Uкэ), а это значит, что переход БК окажется включенным в прямом направлении и при определенном уров­не входного сигнала, транзистор перейдет в режим насыщения.

В этом состоянии общее сопротивление транзистора мало (от единиц до де­сятков Ом для разных транзисторов), поэтому транзистор в приближенных расчетах можно считать короткозамкнутым. Iк достигает наибольшей, при заданных питающем напряжении Ек и коллекторном сопротивлении Rк, величины Iкн, а напряжение, падающее на транзисторе (Uкэ), наименьшей. Транзистор (и ключ) в состоянии насыщения считается открытым.

Пренебрегая малым сопротивлением насыщенного транзистора, ток в цепи коллектора (рис. 3) открытого ключа можно определить как

Iкн=Ек/Rк,

т.е. Iк насыщения не зависит от входного сигнала Iб и Uбэ и определяется только источником питания Ек и сопротивлением Rк в цепи коллектора. Увели­чение Iб для насыщенного транзистора не приведет к росту Iк и уменьшению Uкэ, как в активном режиме. Говорят, что в режиме насыщения Iб теряет свои управляющие свойства.

Режим насыщения может наступать, начиная с некоторого минимального тока базы Iбн, и тем более иметь место при токах базы, превышающих Iбн. Это обстоятельство характеризуется величиной S, называемой глубиной (степенью) насыщения:

S=Iб/Iбн,

где Iбн - минимальный ток базы, при котором транзистор переходит в режим насы­щения;

Iб - реальный ток базы, который может в несколько раз превышать Iбн.

Uкэ кремниевого насыщенного транзистора не превышает 0,2 В, а Iкн может достигать значений, близких к допустимым.

В схеме изучаемого в лабораторной работе элемента И-НЕ используется и инверсный режим работы транзистора, при котором переход БК открыт, а БЭ закрыт. Это получается, когда на Э подан высокий потенциал, а на К низ­кий и входной сигнал подается между базой и коллектором, т.е. К и Э просто меняются местами по сравнению с обычным включением транзистора. Хотя Э и К имеют один и тот же тип проводимости, коллектор гораздо беднее основными носителями - электронами. Поэтому коллекторный и эмиттерный токи в инверсном режиме невелики и коэффициент усиления βинв составляет в лучшем случае несколько единиц.