Многоэмиттерный транзистор

Многоэмиттерный транзистор — это разновидность биполярного транзистора, имеющая один коллектор, одну базу и два или более электрически изолированных эмиттера, расположенных на общей базовой области. Данная структура позволяет транзистору выполнять логические функции, что обусловило его широкое применение в интегральных схемах, прежде всего в транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ).

История

Концепция многоэмиттерного транзистора была разработана в середине 1960-х годов в рамках поиска способов повышения степени интеграции и быстродействия цифровых схем. Первые коммерческие реализации появились в сериях интегральных микросхем ТТЛ, таких как SN7400 (Texas Instruments) и К155 (СССР). Использование многоэмиттерного транзистора вместо диодной сборки на входе логического элемента позволило уменьшить количество компонентов, снизить паразитные ёмкости и повысить скорость переключения.

Устройство и принцип работы

Конструктивно многоэмиттерный транзистор представляет собой планарный биполярный n-p-n транзистор, в котором область эмиттера разделена на несколько отдельных участков (эмиттерных переходов). Каждый эмиттерный переход может быть подключён к независимому входному сигналу.

Принцип работы в ТТЛ

Основное применение многоэмиттерного транзистора — реализация логической функции И-НЕ (NAND) на входе базового элемента ТТЛ. Рассмотрим работу n-p-n многоэмиттерного транзистора с двумя эмиттерами (E1 и E2) и резистором Rб, подключённым к источнику питания +Uп (обычно +5 В).

1. Режим «все входы под высоким уровнем» (логическая 1): На оба эмиттера (E1, E2) подаётся напряжение высокого уровня (например, +5 В). В этом случае напряжение на базе относительно эмиттеров недостаточно для открытия эмиттерных переходов (база-эмиттер смещена в прямом направлении, но эмиттеры находятся под тем же потенциалом, что и база, или выше). Ток от источника питания через резистор Rб течёт в базу, заряжая её. Транзистор переходит в активный режим или режим насыщения. Коллекторный ток начинает течь через нагрузку (следующий каскад), и на выходе устанавливается низкий уровень напряжения (логический 0).

1. Режим «хотя бы один вход под низким уровнем» (логический 0): Если на один из эмиттеров (например, E1) подаётся напряжение низкого уровня (близкое к 0 В), то переход база-эмиттер E1 оказывается смещённым в прямом направнии. Ток от источника питания через Rб теперь течёт не в базу, а через открытый эмиттерный переход E1 на землю. Напряжение на базе падает до уровня примерно 0,7 В (напряжение насыщения p-n перехода). Такого напряжения недостаточно для открытия коллекторного перехода, транзистор запирается. Ток коллектора прекращается, и на выходе устанавливается высокий уровень напряжения (логическая 1).

Таким образом, многоэмиттерный транзистор реализует логическую операцию И над входными сигналами: выходной сигнал (на коллекторе) будет низким только тогда, когда все входы (эмиттеры) находятся под высоким уровнем. Инвертирование сигнала (получение функции И-НЕ) обеспечивается последующим транзисторным каскадом.

Классификация

Многоэмиттерные транзисторы классифицируются по нескольким признакам:

• По количеству эмиттеров: Наиболее распространены транзисторы с 2, 3, 4 и 8 эмиттерами. В некоторых специализированных микросхемах (например, в дешифраторах) количество эмиттеров может достигать 16 и более.
• По типу проводимости: Преимущественно n-p-n, так как в ТТЛ-логике используется положительное напряжение питания. P-n-p многоэмиттерные транзисторы встречаются крайне редко, в основном в схемах с отрицательным питанием.
• По конструктивному исполнению: Выпускаются как в виде дискретных компонентов (редко), так и в составе интегральных микросхем (основное применение).

Применение

Основная и практически единственная область применения многоэмиттерных транзисторов — цифровые интегральные микросхемы.

• Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ): Являются ключевым элементом входных каскадов логических элементов И-НЕ, И, а также триггеров, счётчиков, регистров и других цифровых устройств на основе ТТЛ.
• Быстродействующие логические схемы: Использование многоэмиттерного транзистора вместо диодной сборки позволило значительно повысить быстродействие ТТЛ-схем (до единиц наносекунд) по сравнению с диодно-транзисторной логикой (ДТЛ).
• Комбинационные схемы: Применяются в дешифраторах, мультиплексорах и других комбинационных устройствах, где требуется реализация логических функций с несколькими входами.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокое быстродействие: Меньшая паразитная ёмкость по сравнению с диодной сборкой, что обеспечивает более короткое время переключения.
• Меньшая площадь на кристалле: Занимает меньше места, чем несколько отдельных диодов или транзисторов, что повышает степень интеграции.
• Простота реализации: Позволяет реализовать логическую функцию И с помощью одного транзистора.

Недостатки

• Ограниченная нагрузочная способность: Многоэмиттерный транзистор не может напрямую управлять большими токами нагрузки.
• Чувствительность к помехам: При большом количестве эмиттеров и высокой частоте переключения возможны паразитные связи между эмиттерами.
• Сложность изготовления: Требует более точных фотолитографических процессов для формирования изолированных эмиттерных областей.
• Вытеснение другими технологиями: В современных микросхемах (КМОП, ТТЛШ) многоэмиттерные транзисторы практически не используются из-за более высокого энергопотребления и меньшей помехоустойчивости по сравнению с КМОП-логикой.

Интересные факты

• В некоторых учебниках по электронике многоэмиттерный транзистор описывается как «транзистор с коллекторным смещением» или «транзистор с инжекционным питанием».
• В СССР многоэмиттерные транзисторы выпускались в составе серий микросхем К155, К531, К555 (ТТЛШ) и других.
• Конструкция многоэмиттерного транзистора может быть использована для создания простейших аналоговых перемножителей сигналов, но на практике для этих целей применяются более совершенные схемы (например, дифференциальные каскады).

Источники

• Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. — М.: Мир, 2003.
• Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. — М.: ДМК Пресс, 2008.
• Степаненко И. П. Основы микроэлектроники. — М.: Советское радио, 1980.
• Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника. — М.: Высшая школа, 1991.