Контрольная работа по физике

Логические элементы

Логические элементы и выполняемые ими функции

 Логические элементы вместе с запоминающими элементами составляют основу устройств цифровой (дискретной) обработки информации вычислительных машин, цифровых измерительных приборов и устройств автоматики. Логические элементы выполняют простейшие логические операции над цифровой информацией, а запоминающие элементы служат для ее хранения.

 Логическая операция преобразует по определенным правилам входную информацию в выходную. Логические элементы чаще всего строят на базе электронных устройств, работающих в ключевом режиме. По этому цифровую информацию обычно представляют в двоичной форме, в которой сигналы принимают только два значения: « 0 » (логический нуль и «1» (логическая единица), соответствующие двум состояниям ключа.

 Логические преобразования двоичных сигналов включают три элементарные операции:

 1) логическое сложение (дизъюнкция), или операцию ИЛИ, обозначаемую знаками «+» или

 ; (18.1)

 2) логическое умножение (конъюнкцию), или операцию И, обозначаемую знаками «»,  или написанием переменных рядом без знаков разделения:

  ; (18.2)

3) логическое отрицание (инверсию), или операцию НЕ, обозначаемую чертой над переменной:

 . (18.3)

Правила выполнения логических операций над двоичными переменными для случая двух переменных имеют следующий вид:

Самостоятельное значение имеет логическая операция (ЗАПРЕТ), которая символически записывается в виде:

 . (18.4)

Логические элементы, реализующие операцию ИЛИ, называют элементами ИЛИ и обозначают на функциональных схемах, как показано на рисунке 18.1 Выходной сигнал элемента F элемента ИЛИ равен единице, если хотя бы на один из  входов подан сигнал «1» .

Операция НЕ реализуется логическим элементом НЕ или инвертором, обозначение которого приведено на рисунке 18.1 в.

Логический элемент ЗАПРЕТ имеет в простейшем случае лишь два входа: разрешающий (вход х1) и запрещающий (вход х2). Выходной сигнал повторяет сигнал на разрешающем входе х1, если х2 = 0. При х2 = 1 на выходе возникает сигнал «0» независимо от значения х1. Стандартное условное обозначение элемента ЗАПРЕТ приведено на рисунке 18.1г. Помимо рассмотренных логических элементов на практике широко применяют комбинированные элементы, реализующие две (и более)

 

 


  Рис. 18.1

логические операции, например элементы ИНЕ (рисунок 18.1 д), ИЛИНЕ (рис. 18.1е). Первый из них выполняет операцию , а второй операцию  .

18.2. Логические элементы И и ИЛИ

img width=2 height=2 src="ris/image2160.gif">Простейшие логические элементы И и ИЛИ могут быть построены на основе диодных ключей. В качестве элемента НЕ обычно используют транзисторный ключ (рис. 18.2), обладающий инвертирующими свойствами. На рисунке 18.2а приведена схема элемента из диодных ключей, который может быть использован в качестве логического элемента ИЛИ или И в зависимости от включения и кодирования сигналов.

 


Рис. 18.2

При включении по схеме 18.2а элемент из диодных ключей служит элементом ИЛИ, если кодирование сигналов соответствует на рисунке 18.2б. Действительно при воздействии сигнала «1» () хотя бы на один вход (например, х1 =1) открывается соответствующий диод (Д1) и выход соединяется со входом (). Остальные диоды закрыты, т.е. выходной сигнал не попадает на входы, на которых uвх = 0

Для получения логического элемента И диоды включают по схеме (рис. 18.2), если кодирование сигналов соответствует рисунку 18.2в. Действительно при сигнале «0» на всех входах все диоды открыты, в них и в резисторе R появляются точки, создаваемые источником э.д.с. 1 и замыкающиеся через источники сигналов, подключенные ко всем входам. Поскольку сопротивление резистора R значительно больше прямого сопротивления диодов, напряжение на нем приблизительно равно , а напряжение на выходе оказывается близким к нулю.

Для эффективной компенсации проводимости контактного перехода в результате термоэлектронной эмиссии концентрация  легирующих примесей принимается для кремния не более (1–5)×1017см–3. 

 Зонные диаграммы выпрямляющих переходов Шоттки на полупроводниках n- и р-типа для состояния термодинамического равновесия изображены на рисунках 2.34, а, б соответственно. На рисунке 2.34, а энергия Еn соответ-ствует потенциальному барьеру (контактной разности потенциалов) для основных электронов, а энергия Ер на рисунке 2.34, б соответствует потенциальному барьеру (контактной разности потенциалов) для основных дырок. Уровни этих барьеров изменяются внешним источником энергии (источником напряжения при переходе от энергии к электрическим потенциалам). Прямому включению внешнего источника для контакта Шоттки на полупроводнике n-типа соответствует подключение «+» источника к металлическому электроду, что в свою очередь снижает энергетический барьер Еn. Аналогично прямому включению внешнего источника для контакта Шоттки на полупроводнике р-типа соответствует подключение «–» источника к металлическому электроду, что в свою очередь снижает энергетический барьер Ер.

Контактная разность потенциалов (потенциальный барьер для электронов полупроводника) перехода металл-кремний n-типа определяется по формуле

Еn = Ем – [Еп – k∙T∙Ln(Nd/ni)],

а контактная разность потенциалов (потенциальный барьер для заполнения состояний валентной зоны) перехода металл-крем-ний р-типа определяется по формуле

Ep = Eм – [Еп + k∙T∙Ln(Nа/ni)].

В приведенных выражениях положительному знаку левой части соответствует знак «+» на металлическом электроде контакта для прямого включения контакта.

Усреднённые значения работы выхода (φ0) электронов из ряда чистых материалов и экспериментально контролируемых значений потенциального барьера (φb) для кремния разного типа проводимости, разной кристаллографической ориентации при удельных сопротивлениях (0,4-1,0)Ом приведены в таблице 2.4.

Таблица 2.4

Материал

Mo

Ca

Ni

Ag

Al

Cu

Ba

Au

Pt

Si

Ge

φ0, эВ

4,3

2,8

4,5

4,3

4,25

4,4

2,49

4,3

5,32

4,7

4,8

φb, эВ

n-тип

0,59

0,67-

0,70

0,67

0,68-

0,8

0,61-

0,68

0,43

0,8

0,85

φb, эВ

р-тип

0,47

0,48

0,5

0,6

0,25

Как следует из таблицы 2.4 соответствие расчётных значений с экспериментальными значениями не высокое, что объясняется несовершенством моделей описания, не учитывающих действие разнообразных иных факторов.

Потенциальный барьер для неосновных дырок перехода Шоттки с шунтом охранного кольца (см. рис. 2.33, б) на базе n-типа можно определить по формуле

 Epn = (Ез/2) + kT∙ Ln (Nd/ni) > En + 0,2∙q . (2.97а)

Аналогично потенциальный барьер для неосновных электронов перехода Шоттки с шунтом охранного кольца (см. рис. 2.33, б) на базе р-типа можно определить по формуле

 Enp = (Ез/2) + kT∙ Ln (Na/ni) > Ep + 0,2∙q . (2.97 б)

В формулах (2.97) обозначения Nd и Na соответствуют усреднённым концентрациям легирующих доноров для базы n-типа и акцепторов для базы р-типа соответственно. Различие в потенциальных барьерах в 0,2 эВ должно обеспечить различие токов определяемых основными и неосновными носителями заряда на три-четыре порядка. В реальных переходах Шоттки из-за несовершенства структуры контакта, проявления эффектов туннелирования носителей через тонкие барьеры результаты реализации позитивных свойств в значительной степени определяется достижениями технологии производства. Вероят-ность влияния туннелирования носителей заряда сквозь барьер повышается, как известно, при уменьшении ширины барьера dш.

Ширина барьера определяется по выражению

dш = {[2∙ε∙εo/(q∙Nd)]×[(Еn/q) – U – φТ]}0,5, (2.98)

аналогичному выражению (2.25) и снижается при повышении степени легирования базы перехода. В формуле (2.98) напряжение U принимается с положительным знаком при прямом включении, а при обратном включении — с отрицательным знаком.

Напряжение пробоя при перехода можно оценить по формуле

 Uпроб ≤ ε×εo×(Екрп)2/(2q×Nd), (2.99)

а удельная барьерная емкость по формуле

Сб= ε×εo/dш.

Расчетная модель перехода Шоттки отображается электрической схемой замещения, аналогичной изображенной на рисунке 2.32, для диода на основе p-n-перехода с исключением из нее диффузионной емкости Сдиф.

Значения сопротивлений элементов схемы Rш, Rэ, Rдиф, тока генератора Iг, напряжения спрямления Uo определяются с применением расчетных выражений (2.91) — (2.96). Сопротивление электродов Rэ и емкость изолирующего слоя Си определяются по расчетным соотношениям, рассмотренным для объемных и контактных областей, на примерах БПТ и диодов на основе перехода. Условное графическое обозначение перехода Шоттки (без элементов изоляции от несущего основания) показано на рисунке 2.35.

Граничная частота перехода Шоттки оценивается по формуле

 ωш = (Rэ×Сб)–1, (2.100)

при выполнении условия

Rдиф = φT / Id.>> Rэ,

ограничивающего ток Id прямо смещенного перехода.

В структуре с охранным кольцом (см. рис. 2.33, б) с учетом шунтирующего перехода между охранным кольцом и базой перехода Шоттки граничную плотность тока перехода Шоттки, при которой преобладающим является поток основных носителей, можно задать неравенством [4]

Io = Ioш×[exp (U/φT) –1]≤ (2–3)×Iп,

где пороговая плотность тока Iп

Iп = q×Nb×Dn/Xb.

 Граничная частота перехода Шоттки, определяемая накоплением неосновных носителей в базе, оценивается по формуле

ωн = Nb×Ioш/q×ni2 ×Xb

и для эффективной реализации свойств перехода по быстродействию должна удовлетворять условию

ωн ≥ ωш,

которое обеспечивается компромиссным выбором концентрации легирующей примеси в базе перехода (Nb), толщины базы (Xb) и материла контактной пары с пониженным значением φмп.

Электронные ключи используемые для формирования импульсов, а также в качестве ограничителей амплитуды импульса

Логические элементы И НЕ

Общие характеристики триггеров Триггером называют устройство, обладающее двумя состояниями устойчивого равновесия и способное скачком переходить из одного состояния в другое под воздействием внешнего управляющего сигнала.

 


Импульсные и цифровые устройства