ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 15.06.2025
Просмотров: 4563
Скачиваний: 2
62Дополнение
Всхемах с нетрадиционной цепью питания источником энергии являются некие внешние по отношению к ним естественные или ис кусственные источники. При этом каждый вентиль должен в сво ем составе иметь преобразователь энергии, который может быть совмещен конструктивно с генератором тока и с элементами пере ключательного прибора.
Широко известно, что освещенный диод (р-п-переход или диод Шоттки) является хорошим преобразователем энергии и генерато ром тока. В обычном р-п-переходе с шириной запрещенной зоны Едпри его освещении каждый фотон с энергией, большей Ед^ дает в выходную мощность вклад, равный Eg. Остальная часть энергии фотона термолизуется. Для определения эффективности преобразо вания (или к.п.д.) рассмотрим диаграмму энергетических зон осве щаемого р-п-перехода (рис. Д.7.1 а)). Соответствующая эквивалент ная цепь показана на рис. Д.7.1 б), где параллельно переходу введен источник постоянного тока /^, описывающий возбуждение неравно весных носителей излучением.
а)
hv
qv. hv
±.
- у ^
б)
V IJRL
Р и с . д . 7 . 1 . Энергетическая диаграмма р-п-перехода при освещении (а) и идеализированная эквивалентная схема солнечного элемен та (б). (i?L-нагрузочное сопротивление).
ДЛ. Вентили |
с нетрадиционной организацией |
энергопитания |
|
Вольт-амперная характеристика такого прибора определяется |
|||
выражениями |
|||
(Д.7.1) |
|||
Js = Is/S = |
qn |
-Ед/кТ |
(Д-7.2) |
где: S — площадь, Ig — удельное значение тока насыщения, NA — концентрация акцепторной примеси. No — концентрация допорной примеси, щ — собственная концентрация носителей заряда, Dn — коэффициент диффузии электронов, Dp — коэффициент диффузии дырок, Тп — время жизни электронов, Тр — время жизни дырок.
График вольт-амперной характеристики приведен на рис. Д.7.2. Поскольку вольт-амперная характеристика проходит через четвер тый квадрант, это означает, что прибор служит источником энер гии. При соответствующем подборе нагрузочного сопротивления R^ вырабатываемая энергия может достигать 80% произведения /кз • Vxx {1кэ — ток короткого замыкания, Vxx — напряжение холо стого хода элементов).
1 и
Рис. Д.7.2. Вольт-ампернал характеристикар-п-перехода: 1—неосвещен ного; 2 — освещенного.
Из уравнения (Д.7.1) получаем, что напряжение холостого хода при RL = ОС равно
(Д.7.3)
q \is
Следовательно, при заданном токе II напряжения холостого хо да возрастает логарифмически при уменьшении тока насыщения Ig- Выходная мощность равна
= IV = IsV (е"^/^^ - l ) - hV |
(Д.7.4) |
Дополнение
Максимальная выходная мощность определяется выражением
-^ m — ^т ^т — ^L Vxx - |
(^т In ( 1 + — ) - |
^т |
II |
(Em/q), |
(Д.7.5) |
||||
где |
||||
Vxx |
- v^T In 1 + — ) |
-^T |
(Д.7.6) |
Величина Em соответствует максимальной энергии, которая вы деляется на нагрузке при поглощении одного фотона и при опти мальном согласовании элемента с внешней цепью.
Минимальное значение Ig А^ля Si при 300 К составляет приблизи тельно 10~^^А/см^.
Идеальная эффективность преобразования равна отношению мак симальной выходной мощности к мощности падающего излучения
Ро и может быть определена графически из рисунка: |
|
Г1 = ^ = ^J^^^^ = М / , (д/кТ) е'^-/^^1 /Ро |
(Д.7.7) |
Максимальная эффективность оказывается равной 30% и дости гается при Eg = 1,35эВ, если использовать параметры материала, характерные для полупроводников типа А^^^В^.
Кривая зависимости эффективности преобразования от шири ны запрещенной зоны имеет широкий диапазон, в пределах которо го она слабо зависит от Eg, Поэтому все полупроводники, которые имеют ширину запрещенной зоны от 1 до 2 эВ пригодны для созда ния интегральных цифровых схем с питанием от излучения.
Значение мощности падающего излучения определяется мощно стью источника света, состоянием окружающей среды, взаимным расположением приемника (поверхности интегральной схемы) и ис точника (искусственного или естественного).
При использовании солнечного света характерными значениями интенсивности излучения являются интенсивность в свободном про странстве, равная 1353 Вт/м^, на поверхности Земли — 925Вт/м^ (когда Солнце стоит в зените), на поверхности Земли — 691 Вт/м^ (при угле 60° к горизонту).
Для эффективного использования света д^ля непосредственного питания интегральных цифровых схем можно использовать оптиче ски сконцентрированное излучение. Солнечный свет можно сфоку сировать до 844кВт/см^ (интенсивность 1000 Солнц).
ДЛ. Вентили с нетрадиционной организацией энергопитания
Из изложенного выше ясно, что р-п-переход (или диод Шоттки), являясь преобразователем энергии излучения, может служить генератором тока в цепях питания цифровых вентилей. При этом такой источник питания может обеспечить приемлемую скорость поставки энергии для производства информации.
Вых Вых Вых Вых
Вх |
i |
Вх |
Вх |
Вх |
|
^ |
> ^ |
^ |
^ |
||
\ |
i . |
||||
а) |
б) |
в) |
г) |
Р и с . д . 7 . 3 . Электрические схемы инверторов с питанием от излучения: а) И^Л типа, б) ИПЛ типа, в) ИПС вариант; г) п-МОП типа.
Д.7.2. Схемотехнические и структурно-топологические решения базовых логических вентилей, питающихся излучением
На рис. Д.7.3 приведены электрические схемы простейших логиче ских вентилей с нетрадиционной организацией цепи питания. В от личии от классических вариантов И^Л в этих вентилях функцию ге нератора тока выполняет не р-п-р-биполярный транзистор, а облу чаемый диод. Все эти вентили имеют общий принцип действия, ко торый заключается в следующем. Ионизирующее изучение, напри мер, солнечный свет, через поверхность интегральной схемы про никает в объем полупроводника и поглощается в нем. При этом квантами света генерируются электронно-дырочные пары. Часть носителей заряда, сгенерированных на расстоянии, не превышаю щем диффузионную длину, достигает р-п-переходов (эмиттер-база и коллектор-база для ВТ, и затвор-сток и затвор-исток для ПТУП). В электронно-дырочных переходах происходит их разделение и под хваченные полем дырки переходят в р-область, а электроны оста ются в п-области. Вместе с ростом концентрации носителей заряда возрастает создаваемое ими электрическое поле, направленное про тив встроенного поля перехода. Возникшее поле будет препятство вать переходу дырок в р-область. Вместе с тем по мере возрастания этого поля возникнет обратное движение дырок в п-область, а элек-
166 Дополнение
тронов — в р-область. Как известно, генерированные светом дыр ки являются неосновными для п-области, а в р-области неосновными носителями заряда являются электроны. Следовательно, встроенное поле перехода способствует перемещению неосновных носителей в противоположные области, а возникшее поле способствует переме щению основных носителей.
Состояние равновесия наступит тогда, когда потоки носителей заряда, проходящие через переход в обоих направлениях, не ста нут равными. В это время между электродами р-п-перехода устана вливается некоторая разность потенциалов, называемая фото-ЭДС. Таким образом, р-п-переход непосредственно преобразует энергию света в электрическую энергию.
И^Л с питанием от излучения. Приведенная на рис. Д.7.3 а) схема инвертора воплощается в интегральную структуру на рис. Д.7.4. Особенностью интегрального воплощения данного варианта логиче ской схемы является совмещение диода — преобразователя энергии излучения в электрическую энергию с j9-п-переходом 1 эмиттер-база переключательного биполярного транзистора п-р-п-типа. Такое ис полнение цепи питания не требует дополнительной площади на по верхности кристалла и позволяет достигнуть высокой плотности компоновки еще и потому, что на поверхности нет традиционных шин питания и общей шины (роль которой выполняет п+ подлож ка). Простота конструкции обеспечивает и малооперационную тех нологию изготовления интегральных схем данного типа. Как видно из рис. Д.7.4, в структуре имеются также р-п-переходы 2, которые могут в принципе выполнять функции диодов — преобразователей энергии. Однако их вклад в в ток питания незначителен из-за вы соких уровней легирования коллекторов и базы. Сгенерированные квантами света электронно-дырочные пары в областях базы и кол лектора в большинстве своем не достигают области объемного за ряда р-п-перехода, где происходит их разделение и не вносят вклада в фототок, поскольку эта диффузионная область является нерекомпрессированной, и носители заряда имеют в ней малую диффузион ную длину.
Основной вклад в фототок дает нижняя область р-п-перехода, находящаяся в нескомпенисрованной эпитаксиальной пленке. При этом в верхней диффузионной области поглощается значительное количество квантов света.
В интегральной структуре используется, так называемый, ин версный транзистор (эмиттером служит подложка 3, а коллекто-
ДЛ. Вентили с нетрадиционной организацией энергопитания
ром — верхние п+ диффузионные области). Инверсный транзистор имеет существенные недостатки: коэффициент усиления составляет несколько единиц, его быстродействие сравнительно невелико изза эффекта накопления избыточного заряда в базовой и эмиттерной областях в режиме насыщения. Первый недостаток определяет особенности структуры и схемотехники логических схем. Для логи ческих схем данного класса является характерным использование многоколлекторных структур (см. рис. Д.7.4) и минимальная нагру зочная способность. Каждый коллектор-выход соединяется только с одной базой-входом последующего каскада. Типичная схемная кон фигурация приведена на рис. Д.7.5. В схемах широко используется простейший логический элемент «монтажное И». Второй недостаток И^Л схем — сравнительно низкое быстродействие (время задержки переключения составляет сотни наносекунд).
Излучение |
|||||
V V V V V V V V V V ' V V |
"Х |
||||
Вых1 |
Вых2 |
ВыхЗ |
|Вх |
||
Рис. д . 7 . 4 . Разрез структуры многоколлекторного И^Л-элeмeнтa: 1 — пе реход бс1за-эмиттер; 2 — коллектор; 3 — эмиттер.
ИПЛ вентили с питанием от излучения. Электрическая схема ИПЛ инвертора (рис. Д.7.3 б)) содержит нормально закрытый ПТУП, к истоку и затвору которого подключен р-п-переход, пре образующий энергию излучения в электрический ток (рис. Д.7.6 а)). Роль такого преобразователя может выполнять переход затвор-ис ток полевого транзистора. В отличие от большинства известных схем в ИПЛ схемах переключающие полевые транзисторы работа ют в режиме прямого смещения переход затвор-исток. При нуле вом смещении на затворе канал полевого транзистора должен быть перекрыт обедненными областями перехода затвор-исток, обусло вленными контактной разностью потенциалов между затвором и истоком. При положительном смещении на затворе ширина обеднен-