§6.4 Микроқуатты логикалық имс

Микроқуатты немесе нановаттық ИМС қолдану габариттерді және сандық құрылғылар мен приборлардағы қорек көзін қысқартуға мүмкіндік береді. Оларды әсіресе,теплоотводтың мәселелерін шешу қиын болатын, БИС-те қолдану маңызды. Онымен қоса, мұндай микросхемалар аппаратуралардың ұзақ эксплуатициясы кезінде шығынды біршама төмендетеді.

Зерттеулер нәтижесінде, логикалық ИМС қолданатын қуатты төмендетудің эффективті әдісі олардың жұмыс тогын төмендету болып табылады. Схемалардың қуаты тек қосылғанда ғана қолданатын қорек көзін төмендету қуаттың орташа мәнін төмендетудің қосымша қоры болып табылады.

Осыған орай аз токта жұмыс істейтін транзистордың жұмысын қысқаша қарастыра кетеміз. Микроқуатты ИМС-нің негізгі активті элементі n-p-n типті кремнилі биполярлы транзистор болып табылады. Бұл транзисторлардың жұмыс істеу ерекшелігі ашық күйдегі аз коллекторлық тогына негізделген. 6,8 суретінде көрініп тұрғандай аз ток облысында кремнилі транзистордың күшейту коэффициентінің коллектор тогынан тәуелділігі бақыланады: коллектор тогын азайтқан кезде күшейту коэффициенті де азаяды. Бұл рекомбинация тогының эмиттер өткеліне әсер етуімен түсіндіріледі.

Транзистордың эмиттер және коллектор

6.8-сурет. Аз ток облысындағы өткелдеріндегі барьерлі сыйымдылықтарына,

коллектор тогынан сонымен қатар подложка деп аталатын

транзистордың күшейту коллектор өткелінің сыйымдылығына

коэффициентінің тәуелділігі микроқуатты ИМС-да жоғары талап қойылады.

Бұл транзистордағы қосу және ажырату тогын азайтқан кезде барлық үлкен ролді өткелдердің барьерлі сыйымдылықтарының қайтазарядталуы(переразряд) және схемалардың басқа да паразитті сыйымдылықтары алады.

Тәжірибие тұрғысында микроқуатты логикалық ИМС жасау үшін конструкциясы орташа қуатты транзисторлардың конструкциясынан айырмашылығы болатын арнайы транзисторлар қажет. Микроқуатты транзисторлар сипаттамасы:

• Техникалық құралдардың тек рұқсат етілген мүмкіндіктерін анықтайтын эмиттер, коллектор өткелі және оқшаулағыштың (изоляция) шектік аз ауданы;

• Транзисторлар обылысындағы, әсіресе эмиттер өткелі облысындағы негізгі емес заряд тасымалдаушылардың өмір уақытының (времени жизни) жоғары мәні;

• Базадағы қоспа концентрациясының үлкен градиенті және коллектордағы кіші градиенті, коллектордағы жасырын қабаттың жоқтығы;

• Эмиттерлі өткел облысындағы рекомбинацияныі аз жылдамдығын қамтамасыз ететін двуокиси кремнийдің пленкасының жоғары сапасы.

Микорқуатты логикалық ИМС-ға арналған резисторлар жоғары номиналды кедергі (20кОм-нан аз емес) және минималды паразитті сыймдылыққа ие болуға міндетті. Әдетте керметтен жасалған жоғары кедергісі және аз температуралы кедергі коэффициенті бар жұқа пленкалы резисторлар қоланылады.

Микроқуатты логикалық ИМС жасау кезінде, бұрын қарастырғанымыздай, біріктіру технологиясы әдісін қолданады. Дәл осы әдіс жоғары кедергісі және аз өлшемді активті элементі бар жұқа пленкалы резисторды алуға мүмкіндік береді. Кейде жұқа пленкалы пассивті элементі бар гибридті технолагия әдісін қолданады.

Олай болса, қалыпты схемотехникасы бар микроқуатты логикалық ИМС орташа қуат диапазонының аналогты схемалаларынан айырмашылыы тек

кедергінің номиналды мәні мен

транзисторлардың конструкциясынан. Бірақ, аз қуатпен жұмыс істейтін

логикалық ИМС-нің арнайы типтері

жасалынған. 6.9-суретте күрделі инверторы

6.9-сурет. Қосымша транзистордағы бар транзистор-транзисторлы

күрделі инверторлы микроқуатты ЖӘНЕ-ЕМЕС схемасы көрсетілген.

логикалық ИМС

Олар n-p-n типті (Т₁) және p-n-p типті (Т₂) толықтыратын транзистордан тұрады. Т₂ толықтыру транзисторы схемадағы транзисторлар санын азайтуға және қоректену кернеуін азайтуға мүмкіндік береді. Толықтыру транзисторларындағы минималды руқсат берілген кернеу резистивті байланысты схемасындағы мәнге жақын мәнге ие.

Егер қаралып отырған схема аналогты схемаға жүктелген және оның кірісіне жоғары кернеу берілсе,онда Т1 транзисторы ашық, ал Т2 транзисторы жабық, яғни тізбекте Т2 транзисторы қолданылмайды. Басқа статикалық режимде, Т1 транзисторы жабық болғанда , Т2 транзисторының коллекторлы тізбегінде жүктеме схемасының кірісіндегі токтардың суммасына тең ток ағуы мүмкін. Көпэмиттерлі транзисторлар кірістер арасынан тура байланыста жеткілікті төмен коэффициентке ие, сондықтан Т2 транзисторындағы ток бұл режимде аз және қолданып отырған қуаттың көбеюіне әкелмейді.

Толықтыру транзисторларындағы схемалар ашық және жабық күйде де аз кіріс дифференциалды кедергісіне ие. Өшірілу процессінде Т2 транзисторының көмегінің арқасында шығыс сыйымдылықтың зарядына қажетті үлкен токпен қамтамасыз етеді.

6.9-суреттегі схеманың кемшілігі ретінде толытыру транзистрындағы және жылдамдатқыш С1 мен С2 конденсаторлардағы қажеттілік шалаөткізгіш ИМС жасау кезіндегі негізгі қиындық болып табылады. Сондықтан, бұл схеманы жүзеге асыру үшін дискритті корпуссыз транзисторы және жұқа пленкалы пассивті эленменті бар

6.10-сурет кері байланысты гибридті конструкцияны қолданады.

микроқуатты логикалық ИМС 6.9 суреттегі қолданылып отырған қуат

статикалық режимде екенін айта кетейік.

6.10-суретте көрсетілгендей жабық схеманың R1 резисторын p-n-p транзисторымен ауыстырып кіріс тізбегіндегі токтарын азайтуға болады. Бұл схемада кері байланыс есебінен Т2 транзисторы шығысындағы кернеу төмендегенде ғана ашық болады. Онымен қоса, Т 1 транзисторының базасын топен қамтамасыз етеді. Адыңғы ашық схемадан схеманың кірісіне төмен кернеу түскен кезде Т1 мен Т3 транзисторлары жабылады және жабық схеманың кіріс тізбегінде аз ток ағады.

Д1 және Д2 диоды Т2 транзисторының базасында кернеу деңгейін араластыру үшін және схеманың шығысында логикалық деңгейлердің қажетті түсулерін қамтамасыз ету үшін қызмет етеді. Бұл схемада 6.9-суреттегі схемадан қарағанда кедергі R1 аз қолданылады.

§ 6.5. МДШ-транзисторлардағы логикалық ИМС

Электрөткізгіштікке тәуелділігіне байланысты МДШ-транзисторлардың микросхемалары бөледі:

• р-типті МДШ-транзисторлардағы микросхема

• n-типті МДШ-транзисторлардағы микросхема

Жерге жалғанған истогы бар р-типті МДШ-транзистордағы логикалық ИМС теріс қоре кернеуін қажет етеді (теріс логика схемасы), ал n-типті МДШ-транзисторлардағы логикалық ИМС оң қорек кернеуін қажет етеді. Р және n типті толықтырғыш МДШ-транзисторлар негізінде логикалық элементтерді құрастыру кезінде микросхемаларды оң және теріс логикалармен жасауға болады.

6.11а- суретте n және р типті МДШ транзисторладың көрінісі берілген және қарапайым логикалық элементтердің төрт варианты көрсетілген. Олар : бірканалды МДШ-транзисторларда ЕМЕС функциясын жүзеге асыруға арналған инвертор (6.11а-б-сурет) және толықтырғыш транзистор (6.12г-д-сурет). Толықтырғыш транзисторлардағы схемалар үшін логика «полярлығы» р және n-типті транзисторлардың тізбектей қосылуына тәуелді. Егер n-типті транзисторлар «жер» шинасына қосылса, ал р-типті транзистор қорек көзіне қосылса, онда схема оң логика режимінде жұмыс істейді (6.11д-сурет). Егер р-типті транзистор «жер» шинасына қосылып, n-типті транзистор қорек көзіне қосылса, онда схема теріс логика режисінде жұмыс істейді (6.11г-сурет).

МДШ-транзисторлардағы ИМС-нің ерекшелігі бір МДШ-транзистордың көмегімен элементердің басқарушы (логикалық) және жүктеме рөлін атқаратын кез келген логикалық функцияны жүзеге асыруға болады.

МШ-транзисторларындағы логикалық ИМС 3 топқа бөлінеді: статикалық, квазистатикалық және динамикалық. Бұндай микросхемалар құруға арналаған элементтік база болып НЕМЕСЕ-ЕМЕС, ЖӘНЕ-ЕМЕС, ЖӘНЕ-НЕМЕСЕ-ЕМЕС, ЕМЕС-ЖӘНЕ-НЕМЕСЕ логикалық операцияларын орындайтын базалық логикалық элементтер саналады. ЖӘНЕ базалық логикалық элементін құрастыру үшін, сонымен қатар, микросхеманы жүзеге асыру үшін р-типті МДШ-транзисторлар және толықтырғыш транзисторлар көп тара

6.11-сурет. МДШ-транзисторлағы инверторлар схемасы

а- n және р- типті МДШ-транзисторлар мағынасы; б- n-типті транзистордағы инвертор; в-p-типті транзистордағы инвертор; г және д- толықтырушы транзистордағы инверторлар.

р-типті МДШ-транзисторлардағы статикалық ИМС-ны құру принципі көп жағынан үзіліссіз байланысты транзисторлы логикалық ИМС-ның құру принципіне сәйкес келеді. Сонымен, көп кірісті НЕМЕСЕ-ЕМЕС схемасын құрастыру үшін бір жүктеме МДШ-транзисторға m ағынымен (сток) логикалық транзисторларды қосамыз, истокты жерге қосамыз.

Затвор бойынша аса жоғары кіріс кедергісі бар р-типті МДШ-транзисторлар жоғары жүктемелі микросхема құруға мүмкіндік береді. р-типті МДШ-транзисторлар ИМС-ның жүктемелі мүмкіндігі жүктеме санының артқан сайын төмендейтін жылдамдықпен ғана шектеледі. Ашық жүктеме МДШ-транзисторының микросхемасының R_н кедергісі 15-50 кОм аралығында болады, сонымен қатар С_н=20 мФ болған кезде R_нС_н=0.5:2 мкс, ал жұмыс жиілігі f<1.0 МГц.

6.12-сурет р-типті МДШ транзистордағы базалық логикалық элементтердің схемасы: а- НЕМЕСЕ-ЕМЕС схемасы; б- ЖӘНЕ-ЕМЕС схемасы

Егер жүктеме мен «жер» арасындағы тізбекте ЖӘНЕ схемасы бойынша бір емес бірнеше транзистор болатын болса, онда МДШ-структураны дайындау үшін МДШ-транзисторлардың тізбектей қосылуын қолданамыз. Сонымен бірге, төменгі логикалық МДШ-транзистор истогы «жер» шинасына, ал сток жоғары транзистор истогына қосылады. Мұндай схемада жүктеме арқылы ток МДШ-транзисторлардың барлық ярустары ашық кезде ғана ағады. Осы принцип бойынша ЖӘНЕ-ЕМЕС схемасын салады (6.12б-сурет). НЕМЕСЕ-ЕМЕС схемасындағыдай олар жоғарғы жүктемелік мүмкіндікке ие (n=10:20).

m_және параметрінің төменгі мәні ЖӘНЕ-ЕМЕС схемасының санын көбейткен кезде тізбектеле қосылған транзисторлар бірдей кедергі сақтау үшін жоғары құламалы сипаттамасы бар МДШ-транзисторлардың қажет болумен түсіндіріледі. Одан басқа, транзисторлардың сатылы қосылуы топологияны күрделендіреді және р-типті МДШ-транзисторлардағы ИМС-ның интеграциялық деңгейін төмендетеді. Сонымен қатар, МДШ-транзисторлардың сатылы қосылуы, биполярлы транзисторлардағы ИМС-дан қарағанда жоғары майысқақтыққа ие логикалық ИМС құруға мүмкіндік береді.

6.13-суретте НЕМЕСЕ-ЖӘНЕ-ЕМЕС, ЖӘНЕ-НЕМЕСЕ-ЕМЕС және НЕМЕСЕ-ЖӘНЕ-НЕМЕСЕ-ЕМЕС функциясын жүзеге асыратын р-типті МДШ-транзистордағы күрделі логикалық ИМС көрсетілген. Жүктеме мүмкіндігін арттыру үшін оларға ЕМЕС пен ЖӘНЕ функциясын жүзеге асыратын арнайы буферлі күшейткіш элементі енгізіледі. Сонда олар n>20:30 мәніне жетеді. Одан да күрделі түйіндер құраастыруға болады. Мысалы, МДШ-транзисторлар қолданатын сан бойынша үнемді сумматорлар. Бірақ ондай жағдайда р-типті МДШ-транзисторлардағы ИМС-да қолданатын қуат мәні 1-10 мВт/вентиль мәнге артады.

6.13-сурет. р-типті МДШ-транзистордағы көпсатылы логикалық ИМС

Толықтырғыш МДШ-транзисторлардың микросхемасындағы қолданылатын қуат мәндері азаяды. Онымен қоса, Толықтырғыш МДШ-транзистордағы логикалық ИМС жоғары жылдамдықты, логикалық құлауы деңгейі үлкен болғандықтан жоғары шуыл тұрақты, жоғары жүктемелі қабілеті (n>=15:20) және қосымша структураларының арқасында жаңа логикалық мүмкіндіктерге ие болғандықтан р-типті МДШ-транзисторлардағы микросхемадан тиімді айыриашылықтары бар. Бұл схемаларда әр логикалық кіріске екі транзистор қолданылады- n-типті транзистор және р-типті транзистор.

Толықтырғыш МДШ-транзистор негізінде: егер n-типті транзистор параллелді қосылса, ал р-типті транзисторлар тізбектей қосылса оң логикалы НЕМЕСЕ-ЕМЕС схемасын құрастыруға болады, егер р-типті транзисторлар параллелді қосылып, ал n-типті транзисторлар тізбектей қосылса, онда теріс логикал НЕМЕСЕ-ЕМЕС схемасын құруға болады. НЕМЕСЕ-ЕМЕС схемасын құрастыру үшін m кірісіне n-типті трнзисторладың тізбектей m қосылуы және n-типті транзисторлар параллелді m қосылуы қажет. Әдетте бірігу коэффициенті кіріс бойынша m=<4 мәніне тең. ЖӘНЕ-ЕМЕС оң логикасы схемасын құрастыру үшін m кірісіне n-типті транзисторлардың сатылы m қосылу және n-типті транзисторлардың параллельді m қосылуы қажет. 6.14а,б-суреттерінде толықтырғыш транзистордағы оң логиканың базалық логикалық элементінің екі кірісті схемасы көрсетілген.

6.14-сурет. Толықтырғыш ИДШ-транзистордағы базалық логикалық элементтердің схемасы: а-НЕМЕСЕ- ЕМЕС схемасы; б- ЖӘНЕ-ЕМЕС схемасы

Бұл схемалардың тамаша ерекшелітері- қолданыс қуатының төмендігі: статикалық режимде 1-5 мкВт/вентиль және динамикалық режимде 50-400 мкВт/вентиль. Толықтырғыш МДШ негізінде жоғары иілгіштігімен ерекшеленетін көп функционалды логикалық элементтер жасалынады.

Элементтер саны бойынша үнемдеу интегралды микросхемасын құру кезіне жүктемелі транзисторы бар толықтырғыш МДШ-транисторларды қолдану үлкен мүмкіндік береді. Бұндай схема мысалы ретінде р-типті транзисторлар негізіндегі схемалардан қарағанда транзисторлар саны аз және қолданыс қуаты аз, жылдамдығы жоғпры болатын сумматорлар қызмет етеді. Жүктемелі транзисторлы логикалық схемалар статикалық ИМС-да қызмет еткенде басқаларына қарағанда перспективалы болып келеді.

МДШ-транзистордың спецификалық қасиеттерін қолданатын квазистатикалық және динамикалық схемалар триггерлі құрылғыларды құрастыруға кеңінен қолданады. Триггерлі құрылғы ЖӘНЕ-ЕМЕС, НЕМЕСЕ-ЕМЕС, ЖӘНЕ-НЕМЕСЕ-ЕМЕС, ЕМЕС-ЖӘНЕ-НЕМЕСЕ типтік логикалық элементтерін орындайды. Орындау үшін толықтырғыш және р-типті МДШ-транзисторлар қолданады.

МДШ-транзистордағы квазистатикалық триггердің ерекшелігі, динамикалық триггерге ақпаратты сақтау кеінде, жазба кезінде тұрақты тактілі қорек керек болған кезде, оған ақпарат сақтау периодына тактілі қоректі қажет етпейді. Тактілі қорекке МДШ-транзисторлардың затворындағы паразит сыйымдылықтың разряд уакытынан анықталатын, шектелген ұзақтықты импульс (фаза) қызмет етеді. Мұндай типті триггер көп тактілі схема бойынша құрастырылады, сонымен бірге, тактілер саны екі немесе төртке тең.

Квазистатикалық триггерлердегі типтік регисторлар көп каналды схема болса да біртактілі тәсілмен ақпаратты жібереді. Динамикалық регистор көптактылы жұмыс режимімен сипатталып, ығысу регистрі функциясын орындап және задержка элементі ретінде қолданылады. Олардың тамаша ерекшелігі- қолданыс қуатының төмендігі( қолданыс қуаты ұзақтығы 0,5-2,0 мкс тактілі импульстардың қозғалысы кезінде болады).

Сандық ИМС өлшегіш приборларда кеңінен қолданылады. Олар өлшеудің нақтылығын арттырады және өлшенетін параметрлердің санын көбейтеді. Әсіресе, логикалық ИМС-ні сигналды сандық өңдеуші өлшеуіш аппараттта қолдану эффктивті болды.