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微电子科学与技术

 
 
 

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负阻器件的应用原理  

2010-12-11 18:59:14|  分类: 微电子电路 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  (什么是微分负电阻?如何确定负阻器件的工作点?为什么负阻器件可以实现振荡和放大?为什么负阻器件可以实现逻辑功能?)

   Xie Meng-xian.  (电子科大,成都市)

 

在半导体材料和器件中,有两种情况可以出现负的微分电阻(NDR):一种是像渡越时间器件(IMPATT或者BARITT)中的那样,在高频下,由于载流子注入相位延迟和渡越时间延迟所造成的电流与电压的相位差,即有可能产生负阻,这是一种动态微分负阻(动NDR态),只有在高频信号作用下才能出现;二是所谓静态负微分电阻(静态NDR),这种负阻具有S型或者N型的伏安特性曲线。

例如,隧道二极管的伏安特性曲线就是一种N型的负阻曲线,GaAs转移电子器件也具有N型的负阻特性曲线;单结晶体管和可控硅(SCR)等的伏安特性曲线就是一种S型的负阻曲线。这里仅讨论静态NDR的电路应用。

(1)工作状态的确定:

在具有负阻(-r)的二极管上,可通过串联电阻R而加上电压VDD,如图1(a)所示;在图1(b)的伏安特性曲线(红线)上示出了相应的负载线(点线和虚线)。对于点状的负载线,其上的工作点A和C是处于正电阻范围,都属于稳定状态,实际上这也就分别对应于二极管开关工作时的开态(导通态)和关态(截止态),而工作点B处于负电阻范围,属于不稳定状态;作为逻辑应用的器件就应该设置这样的负载线。对于虚线状的负载线,其上的工作点D正处于负阻区,是不稳定状态,当负阻二极管用作为振荡、放大等时,就应当设置为这种工作状态。

负阻二极管的负载线可以通过调节电阻R和电源电压VDD来确定,因此就可以根据应用的需要来合理地选取负阻二极管的工作点(工作状态)。

图1负阻器件的应用原理 - 学习 - 学习、学习、再学习

       (2)应用电路(例):

在图2(a)中示出的是负阻放大器电路。负阻二极管的工作点选取在负阻区(对应于D点)。因为正电阻消耗能量,负电阻即相当于放出能量,所以利用负电阻即可放大交变信号。图示的简单电路所能够提供的交流电压增益为

Vout/Vin = R / [R+(-r)]

在图2(b)中示出的是负阻存储器的一个单元电路。负阻二极管的工作点选取在负阻区两头的正电阻区(对应于A点和C点)。当读/写端加上高电平时,负阻二极管即处于高电压的截止态;当读/写端加上低电平时,负阻二极管即处于低电压的导通态。

在图2(c)中示出的是负阻反相器电路。负阻二极管的工作点也选取在负阻区两头的正电阻区。当输入高电平时,场效应晶体管导通,负阻二极管即截止,则输出低电平。在由共振隧穿场效应晶体管(RTFET)构成的逻辑电路中,就采用了这种负阻反相器。

图2负阻器件的应用原理 - 学习 - 学习、学习、再学习

 此外,负阻器件也可以构成振荡器。这时器件的工作点应该选取在负阻区。在LC调谐振荡器中,负电阻可以用来抵消谐振回路中的固有串联电阻,以消除损耗。

 单结晶体管具有S型的负阻特性,利用它可以方便地做成张弛振荡器,如图3(a)所示。当输出电压Vout指数式充电(电容C充电)直至最高电压(峰值)VP时,单结晶体管即从截止态转变为导通态,然后电容C通过单结晶体管放电,直至低于最小电压(谷值)VV,使单结晶体管关断;如此不断地重复此过程,就得到输出的锯齿波。锯齿波的周期接近于电容C的充电时间:

T≈RC ln[1/(1-η)]

其中的电阻R要选取得当:必须很小,以提供足够的电流(峰值电流),使单结晶体管导通;同时又必须足够大,以让放电电流低于IV(谷值电流),使单结晶体管关断。即电阻R应该限制在以下范围内:

[(VBB-VP)/IP] > R > [(VBB-VV)/IV]

基于张弛振荡器可以简单地构成一种脉冲发生器,如图4(a)所示;该电路中,当单结晶体管处于导通状态时,即在短周期内产生出脉冲,从而可输出一系列如图4(b)所示的尖脉冲,这种脉冲波可以用来触发SCR(可控硅整流器)。

图3负阻器件的应用原理 - 学习 - 学习、学习、再学习

 

图4负阻器件的应用原理 - 学习 - 学习、学习、再学习

 

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