Понятие логического элемента. Многоэмиттерные и многоколлекторные транзисторы цифровых ИМС. Принцип действия и особенности структуры.

Логическим элементом называется электрическая схема, выполняющая какую-либо логическую операцию (операции) над входными данными, заданными в виде уровней напряжения, и возвращающая результат операции в виде выходного уровня напряжения. Так как операнды логических операций задаются в двоичной системе счисления, то логический элемент воспринимает входные данные в виде высокого и низкого уровней напряжения на своих входах. Соответственно, высокий уровень напряжения (напряжение логической 1) символизирует истинное значение операнда, а низкий (напряжение логического 0) - ложное. Значения высокого и низкого уровней напряжения определяются электрическими параметрами схемы логического элемента и одинаковы как для входных, так и для выходных сигналов. Обычно, логические элементы собираются как отдельная интегральная микросхема.

Основные элементы: И (логическое умножение), ИЛИ (логическое сложение (дизъюнкция)), НЕ (логическое отрицание (инвертор)), И-НЕ (логический элемент И-НЕ выполняет операцию логического умножения над своими входными данными, а затем инвертирует (отрицает) полученный результат и выдаёт его на выход), ИЛИ-НЕ (логический элемент ИЛИ-НЕ выполняет операцию логического сложения над своими входными данными, а затем инвертирует (отрицает) полученный результат и выдаёт его на выход).

В многоэмиттерных n-p-n транзисторах (МЭТ) в их базовой области создают несколько (обычно 4...8) эмиттерных областей. Основная область применения МЭТ – цифровые микросхемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). В этих микросхемах они включаются на входе и выполняют функцию диодной логической ячейки, состоящей из m+1 диодов, где m – число эмиттеров, являющихся входами схемы ТТЛ. Многоэмиттерный транзистор можно представить в виде совокупности отдельных n-p-n транзисторов (рис. 19.8), число которых равно числу эмиттеров. Все базовые выводы этих транзисторов, как и коллекторные, соединены между собой.

Главная особенность использования МЭТ в схемах ТТЛ состоит в том, что в любом состоянии схемы, коллекторный переход МЭТ, включенного на ее входе, смещен в прямом направлении. Следовательно, отдельные транзисторы находятся в инверсном режиме, либо в режиме насыщения в зависимости от напряжения на соответствующем эмиттере.

Четыре эмиттера n+-типа расположены внутри общего базового слоя р-типа, ограниченного с боковых сторон коллекторным n-р переходом. Для подавления работы паразитных горизонтальных n+-p-n+ транзисторов расстояние между краями соседних эмиттерных областей должно превышать диффузионную длину носителей в базовом слое (обычно эта длина составляет 10…15 мкм).

Расстояние между эмиттерными областями и базовым контактом увеличено, так что участок пассивной базы, имеющий малую ширину, представляет собой резистор сопротивлением 200...300 Ом. Ток базы создает на этом участке такое падение напряжения, что потенциал области 2 пассивной базы, в которой расположен базовый контакт, оказывается на 0,1...0,2 В выше потенциала активной базы, расположенной под эмиттерными переходами. При этом прямое напряжение на коллекторном переходе в области 2 будет на то же значение больше, чем в областях, граничащих с активной базой.

Структура многоколлекторного транзистора (МКТ) является основной структурной единицей ИМС с инжекционной логикой (И2Л), получивших название «сверхинтегрированных», поскольку в них структуры p-n-p и n-p-n транзисторов совмещены друг с другом. Коллектор одного транзистора одновременно выполняет функцию базы другого транзистора. Благодаря такой конструкции обеспечивается значительная экономия площади поверхности, так как отсутствует необходимость дополнительных изолирующих областей и межэлементных соединений.

Структура МКТ в И2Л-схеме представлена на (рис. 19.10) и представляет собой МЭТ, включенный в инверсном режиме, т.е. общим эмиттером является эпитаксиальный слой, а коллекторы – n+ области малых размеров.

Важным элементом структуры в данном случае является горизонтальный p-n-p транзистор. Следует отметить, что его эмиттер в этой схеме находится рядом с базовой областью р-типа структуры. При подаче напряжения смещения на инжектор (И) дырки, инжектируемые горизонтальным p-n-p транзистором в базу МКТ, приводят его в состояние насыщения, если этот базовый ток не отводится через электрод (Б). Таким образом, данный элемент имеет два устойчивых состояния: когда МКТ транзистор находится в режиме отсечки или в режиме насыщения – в зависимости от того, есть или нет тока через электрод (Б).

1 – оксид кремния, 2 – металлические проводники, 3 – плёнка поликремния

Главной проблемой при конструировании данного транзистора является обеспечение достаточно высокого коэффициента передачи тока от общего n-эмиттера к каждому из n+-коллекторов. Это достигается расположением скрытого n+-слоя как можно ближе к базовому и расположением n+-слоев как можно ближе друг к другу.

14. Активные элементы имс (диоды, диффузионные и полевые транзисторы)

Любой из n-p переходов интегральной транзисторной структуры может быть использован для формирования диодов. Обычно используются переходы база–эмиттер и база–коллектор.

Анализируя параметры данных вариантов интегральных диодов, приведенные в таблице 19.1 можно сделать следующие выводы:

- напряжение пробоя Uпр больше у тех вариантов, в которых используется коллекторный переход;

- обратные токи Iобр меньше у тех вариантов, в которых используется только эмиттерный переход;

- ёмкость диода между катодом и анодом Cд у вариантов с наибольшей площадью перехода (т.е. для включения Б–ЭК) максимальна. Паразитная емкость на подложку Cо минимальна у варианта Б–Э;

- время восстановления обратного тока tв, характеризующего время переключения диода, минимально для варианта БК–Э, так как у этого варианта накапливается заряд только в базе.

Следует отметить, что при выборе схемы включения диодов в ИМС наряду с учетом из электрических характеристик, принимают во внимание влияние паразитных эффектов, обусловленных взаимодействием рабочих областей с подложкой и изолирующими слоями. При этом особенно существенно проявляется активное действие паразитных транзисторов. Так, для всех диодов в ИМС характерно превышение входного тока над выходным, что обусловлено ответвлением части тока в подложку в виде тока утечки.

Если управляющим является входной ток, то утечка тока в подложку приводит к ослаблению действия управляющего сигнала. В ИМС, в которых диод управляется выходным током, наоборот происходит усиление тока, позволяющее увеличить нагрузочную способность источника управляющих сигналов. Эта особенность интегральных диодов часто используется в ИМС.

Транзисторы полупроводниковых микросхем имеют существенные отличия от обычных дискретных приборов. По технологическим и ряду других причин, связанных с электрофизическими параметрами полупроводниковых материалов, в микросхемах используют только кремниевые биполярные транзисторы. Наиболее широко применяют n-р-n транзисторы, так как вследствие большей подвижности электронов в базе они имеют более высокие граничные частоты и быстродействие.

Главные различия структур биполярных транзисторов полупроводниковых микросхем и дискретных транзисторов заключаются в том, что первые содержат дополнительные области, изолирующие их от общей полупроводниковой подложки, и все выводы от областей транзистора располагаются в одной плоскости на поверхности подложки. Такая структура называется планарной. Она позволяет соединять транзисторы между собой и с другими элементами микросхемы пленочными металлическими

проводниками, формируемыми на той же поверхности. Биполярный транзистор n-p-n типа является ключевым элементом полупроводниковых микросхем. Остальные элементы микросхемы выбираются и конструируются таким образом, чтобы они совмещались с основной структурой. Их изготавливают одновременно с созданием n-p-n транзистора, поэтому конструкция и технология изготовления транзисторов также должна обеспечивать возможность одновременного создания и других элементов (диодов, резисторов, конденсаторов и т. д) на основе полупроводниковых слоев, образованных при формировании эмиттерной, базовой или коллекторной областей транзистора. Таким образом, выбор физической структуры транзистора однозначно определяет все основные электрические параметры микросхемы. В этом состоит важное требование конструктивно-технологической совместимости элементов полупроводниковых микросхем. Кроме того, к структурам биполярных транзисторов, как и других элементов микросхем, предъявляется специфическое требование – площадь, занимаемая ими на полупроводниковой подложке, должна быть минимально возможной для повышения плотности упаковки элементов и степени интеграции.

В отличие от дискретных полупроводниковых приборов в ИМС важное значение имеет изоляция отдельных элементов ИМС друг от друга. Вид изоляции в основном определяет конкретную схему технологического процесса. Различают три основных способа:

· Изоляция с помощью обратно смещенного n-р перехода;

· ИМС с диэлектрической изоляцией;

· ИМС с комбинированной изоляцией.

МДП–транзисторы имеют существенные преимущества перед биполярными по конструкции (размеры и занимаемая ими площадь относительно невелики, отсутствует необходимость их изоляции) и электрофизическим параметрам (низкий уровень шумов, устойчивость к перегрузкам по току, высокое входное сопротивление и помехоустойчивость, малая мощность рассеивания, низкая стоимость).

МДП–транзистор может быть основным и единственным элементом МДП–микросхем. Он может выполнять функции активных приборов (ключевой транзистор в инверторах, усилительный транзистор), так и пассивных элементов (нагрузочный транзистор в инверторе, конденсатор в элементе памяти). Поэтому при проектировании МДП–микросхем можно обходиться только одним элементом – МДП–транзистором, конструктивные размеры которого и схема включения будут завесить от выполняемой функции. Это обстоятельство дает существенный выигрыш в степени интеграции.

В технологии КМОП используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости. Отличительной особенностью схем КМОП по сравнению с биполярными технологиями (ТТЛ, ЭСЛ и др.) является очень малое энергопотребление в статическом режиме (в большинстве случаев можно считать, что энергия потребляется только во время переключения состояний). Отличительной особенностью структуры КМОП по сравнению с другими МОП-структурами (N-МОП, P-МОП) является наличие как n-, так и p-канальных полевых транзисторов; как следствие, КМОП-схемы обладают более высоким быстродействием и меньшим энергопотреблением, однако при этом характеризуются более сложным технологическим процессом изготовления и меньшей плотностью упаковки.

Подавляющее большинство современных логических микросхем, в том числе, процессоров, используют схемотехнику КМОП.

1 – металлизация, 2 – охранное кольцо n+-типа, 3 – охранное кольцо р+-типа, 4 – р-карман

В КМДП–структурах, подобных представленной на рис. 20.5 возможно проявление негативных эффектов, вызванных близостью друг к другу p– и n–канальных приборов, которые вместе могут образовывать сквозные p–n–p–n– или n–p–n–p–структуры. Данные последовательности областей ведут себя как тиристоры, которые обычно срабатывают от бросков тока во входной или выходной цепях. Раз открывшись, паразитная p–n–p–n–структура остается в этом состоянии вплоть до выключения питания (эффект «защелкивания»). Для решения проблемы защелкивания КМДП–микросхем можно использовать изолирующие карманы для каждого типа транзисторов.