.
Импульсные и цифровые устройства. Логические элементы Дешифраторы и шифраторы Мультивибраторы Проектные параметры резисторов Элементы инжекционной логики Конструкции МДП-транзисторов Проектирование топологии ИС

Физика решение задач

Логические элементы на МДП-структурах


Логические элементы на транзисторах с одним типом индуцированного канала n-типа изображены на рисунках 3.21, а, б, в.

В логическом элементе 2И-НЕ, схема которого изображена на рисунке 3.21, б, в отличие от схемы логического элемента 2ИЛИ-НЕ, изображенной на рисунке 3.21, а, выходное напряжение U0 пропорционально числу обрабатываемых переменных увеличивается. Поэтому запас по управляющим напряжениям закрывания и открывания переключающих транзисторов изменяется, и эта зависимость ограничивает допустимое число логических входов схем И на уровне 3–5. Логический элемент ИЛИ-НЕ (см. рис. 3.21, а) не имеет названных недостатков, но имеет недостатком пропорциональное числу переменных увеличение емкости выходной цепи и соответственно пропорциональное увеличение длительности фронтов переключения (3.12). В схеме изображенной на рисунке 3.21, в, предусмотрена расширенная логическая обработка по отношению 2И-ИЛИ-НЕ. Как и в инверторе, в приведенных схемах логических элементов отдельный источник смещения затвора нагрузочного транзистора VT1 может регулировать уровень нелинейности его как резистора нагрузки. Снижению нелинейности при этом сопутствует сокращение длительности фронтов, особенно при заряде выходной емкости. Применение в качестве нагрузочного транзистора со встроенным каналом, хотя и обеспечивает снижение нелинейности сопротивления, усложняет технологию производства элементов из-за разнородности транзисторов и вносит определенные ограничения в выбор этого решения.


Схемные построения логических элементов на транзисторах с разным типом канала изображены на рисунках 3.22, а, б, в. Как видно по рисунку 3.22, количество необходимых транзисторов при выполнении логических элементов увеличивается в нагрузочной цепи пропорционально числу входных переменных элемента. Вследствие этого габариты логических элементов, исполняемых по КМДП-технологии, наряду с увеличением площади на применение охранных колец дополнительно повышаются из-за увеличения числа нагрузочных транзисторов. К названным недостаткам следует отнести пропорциональное понижение запасов по открыванию или закрыванию переключающих и нагрузочных транзисторов для КМДП при увеличении числа логических входов и для схем ИЛИ (элемент 2ИЛИ-НЕ на рис. 3.22, а), и для схем И (элемент 2И-НЕ на рис. 3.22, б) и для композиций входов (элемент 2И-ИЛИ-НЕ на рисунке 3.22, в). На выходах логических элементов технологии КМДП число объединяемых стоковых цепей увеличивается пропорционально числу сигнальных входов элемента и для логических элементов ИЛИ, и для элементов. Поэтому и время переключения выхода элементов также увеличивается пропорционально числу его сигнальных входов. Фактором, определяющим применяемость КМДП-элементов, является низкое энергопотребление на низких частотах переключения элементов. Типовые эначения задержки переключения КМДП логических элементов равны (20–50) нС, что сопоставимо с со значениями для ТТЛ-элементов. При емкостях нагрузки более (5–10) пФ и частотах переключения более (1–2) МГц КМДП переключатели уступают ТТЛ-переключателям и по быстродействию и сопоставимы с ними по энергопотреблению.

Работа переключения МДП-элементов с квазилинейной нагрузкой (нагрузочный и переключающий транзисторы с каналом одного типа проводимости) при емкости нагрузки менее 5пФ составляет около (30–50) пДж. По этому показателю элементы МДП уступают ТТЛ- и ЭСЛ-элементам и тем более уступают элементам ТТЛШ и И2Л.

 

 

Совмещенные биполярнополевые структуры

 Совместное применение технологии формирования полевых и биполярных транзисторов (БИМОП-структуры) позволяет рационально сочетать позитивные черты одних и других приборов. К таким позитивным свойствам полевых транзисторов следует отнести исчезающие: малый входной ток управления, огромное усиление по мощности и малое число слоев в МДП-транзисторе. Позитивным свойством биполярного транзистора является в несколько порядков более низкое сопротивление выходной цепи в открытом состоянии и во столько же раз более высокий выходной ток, чем у полевого транзистора, при равных плоскостных размерах. Спектр разнообразных решений по совмещенным структурам обширен. Типичное совмещение на кристалле полевых структур с разным типом канала и структуры БПТ приведено на рисунке 3.15, где слой n соответствует коллекторному эпитаксиальному слою БПТ структуры ЭПСК. Другим примером является составной МДП-БПТ-транзистор, изображенный на рисунке 3.23, исполненный в общем коллекторном кармане БПТ-транзистора.

 Размещением стока n-типа на коллекторном кармане БПТ и истока n-типа за пределами коллекторного кармана на р-под-ложке реализуется пара БПТ n-p-n-типа и n-ка-нального МДП-транзисто-ра, изображенная на рисунке 3.24. Диод VDи соответствует изоляции коллектора от подложки p-n-пере-ходом. Символ П соответствует выводу подложки. В общем коллекторном кармане структуры ЭПСК могут исполняться и БПТ вертикальной структуры, и дополняющий БПТ продольной структуры, и согласно рисунку 3.15, р-канальный МДП-транзистор, и n-канальный МДП- транзистор на базовом слое. Если с исполнением БПТ- и МДП-приборов в общей или раздельных изолированных областях (карманах) связано усложнение технологии, то на выбор размещения приборов в общих областях, как видно по рисункам 3.23, 3.24, оказывает влияние связанность электродов формируемых приборов. Вследствие недопустимости образующихся связей, может быть востребовано размещение БПТ и МДП в раздельных изолированных областях. Технология совмещенных БПТ- и МДП-транзисторов в первую очередь содействовала совершенствованию конструкций и параметров микросхем преобразования аналоговых сигналов.

 В логических элементах совмещенная технология получила распространение в элементах инжекционно-полевой логики (ИПЛ). В отличие от биполярных элементов И2Л вертикальный n-p-n+-транзистор заменяется на полевую структуру с каналом, управляемым р-n-переходом. На рисунке 3.25 изображена совмещенная транзис-торная структура ИПЛ, состоящая из вертикального n-канального полевого транзистора между электродами И-С и горизонтального биполярного р-n-р-транзистора с электро-дами Ин-И-З. Коллектор р-типа и база n-типа горизонтального р-n-р-транзистора структуры совмещены соответственно с областями затвора и истока n-канального полевого транзистора. Стоком n-канального полевого транзистора является легированная n+-область (коллекторы многоколлекторных структур «классических» И2Л). Состояния полевого транзистора определяются потенциалом затвора относительно n-области.


Удельное сопротивление n-слоя и размеры поперечного сечения канала выбираются так, чтобы при нулевом потенциале затвора (рис. 3.26, а) область объемного заряда р-n-перехода «затвор — канал» полностью перекрывала поперечное сечение канала. Это состояние реализуется при внешнем замыкании ключом Кл цепи затвора с подложкой (в цепи ключа протекает ток Iз = αN × Iи). При разомкнутом ключе Кл (рис. 3.26, б) область затвора (коллектор биполярного транзистора) заряжается положительно за счет экстракции дырок из n-базы (структура биполярного р-n-p-транзистора). В этом случае область объемного заряда р-n-перехода затвор — канал сужается так, что образуется проводящий канал n-типа между истоком и стоком. Ток канала определяется потенциалом затвора. В ИПЛ-структуре ослабляются взаимные связи между стоками в сравнении с коллекторами классических И2Л, снижаются время выключения и влияние пространственной удаленности каналов от инжектора на ток выходной цепи элемента. При повышенных токах инжектора возможна переинжекция дырок из р-области затвора в n-область, ток стока канала будет дополнительно модулироваться изменением проводимости канала и будет возрастать влияние накопления неосновных носителей на время переключения.

Совмещенные транзисторные структуры нормально работают при изменении токов инжекторов в широком диапазоне от долей микроампер до единиц миллиампер.


На главную