Элементы и устройства цифровой техники интегральная инжекционная логика и2л

Основной областью применения СБИС является цифровая техника, так как здесь логические элементы выполняют ограниченное число операций, многократно повторяющихся. Примером может служить элемент статической памяти с произвольным доступом. Число таких элементов в системах средней сложности, например в персональных компьютерах, составляет десятки тысяч и может быть снижено, если устройство памяти работает в динамическом режиме. Разработка биполярных ИС семейства И²Л позволила существенно сократить число транзисторов, приходящихся на один бит хранимой информации. В результате были созданы системы памяти емкостью до нескольких сотен килобит, размещаемые на одном кристалле размерами приблизительно 6x6 мм.

Базовая структура семейства И²Л была разработана в конце 60-х годов как ячейка статической памяти, потребляющая малую мощность (ток 1 нА/бит). Благодаря вертикальному расположению элементов площадь, занимаемая такой ячейкой на подложке, лишь незначительно превышает площадь, необходимую для размещения одиночного транзистора. Малая потребляемая мощность и миниатюрные размеры позволяют семейству И²Л успешно конкурировать с ИС типов n-МОП и КМОП. На основе таких ИС строят быстродействующие устройства памяти и персональные компьютеры.

Логические элементы семейства И²Л имеют время задержки сигнала до 0,8 нс при шаге размещения 2,5 мкм. В динамическом режиме их параметры сравнимы с параметрами ИС КМОП при питающем напряжении около 1 В.

Логика с транзистором шотки (тлш)

Исследовались различные способы улучшения параметров И²Л-логики. Один из них основан на применении ионной имплантации. Другой реализуется в логике ТЛШ, которой свойственны достаточно высокое быстродействие и малое потребление мощности. Диоды Шотки позволяют избегать перескоков напряжений логических уровней, а также препятствуют насыщению транзистора. Для изоляции ключа ТЛШ используются выпрямляющие диоды, которые образуются коллекторными n-областями. В результате схема содержит на один транзистор меньше, хотя для снижения токов утечки приходится использовать многоколлекторный транзистор.

Инжекционная логика шотки (и2лш)

Данная структура представляет разновидность семейства инжекционной логики. Ей присущи высокое быстродействие, характерное для ИС с транзистором Шотки, и одновременно экономичность, характерная для И²Л ИС. Удается достичь скорости коммутации, в 5 – 10 раз более высокой по сравнению со скоростью коммутации И²Л ИС. Были созданы устройства И²ЛШ, которые при шаге размещения элементов 3 мкм, толщине эпитаксиальной пленки 1,2 мкм и с использованием технологии изоляции локальным оксидированием могли обеспечить время задержки 0,7 нс, потребляя ток 200 мкА.

Эмиттерно-связанная логика (эсл)

Интегральные схемы семейства ЭСЛ, называемые также ИС с токовой связью, являются примером схем, работающих в ненасыщенном режиме с малым перепадом напряжений логических уровней. В настоящее время ИС данного семейства являются наиболее быстродействующими. По-видимому, такое положение сохранится и в будущем. Интегральные схемы семейства ЭСЛ с уменьшенными геометрическими размерами могут иметь время задержки сигнала около 0,2 нс, потребляемую мощность в расчете на один инвертор 1 мВт и степень интеграции около 200 инверторов на 1 мм .

Можно сделать следующие выводы.

•  ИС И²Л имеют наименьшие потребляемую мощность и работу переключения, а также наибольшую степень интеграции, однако быстродействие их оказывается наименьшим.

•  ИС ЭСЛ являются наиболее быстродействующими.

•  ИС И²ЛШ имеют промежуточные значения параметров, соединяя достоинства двух предыдущих семейств.

•  Диодно-транзисторная логика (ДТП)

До недавнего времени это семейство ИС применялось редко. Интерес к нему возник вновь после того, как удалось создать логические устройства, работающие на подобном принципе, с временем задержки 1,6 нс, рассеиваемой мощностью 0,5 мВт/инвертор; степень интеграции 400 инверторов/мм². В новых ИС ДТЛ резисторы и диоды выпушены из поликристаллического кремния, что позволило увеличить площадь монокристалла, отводимую под активные элементы.