Инвертор

Пусть следовательно n-канальныйтогдаследовательно p-канальныйоткрыт и работает в крутой области выходной характеристики, то.

Пусть растет, когда,открывается и в схеме начинает течь ток.

Пусть , тогда- открыт (),- закрыт, еслии- что то же самое.

Когда достигаеттранзистор, запирается и устанавливается

Рис. 37. Принципиальная схема КМОП инвертора

Рис. 38. Передаточная характеристика

Рис. 39. Структура КМОП инвертора

p-канальный

n-канальный

пороговое напряжение

Рис. 40. Обозначения транзисторов

Как правило, к выходу логической схемы подключается вход такой же логической схемы, поэтому в статике ток в КМОП схеме может течь только через транзисторы (вход следующей схемы – затворы её транзисторов, через них ток не течёт):

когда на выходе логический 0, заперт ,

когда на выходе логическая 1, заперт .

Требования к транзисторам КМОП схем:

1. В КМОП схемах должно соблюдаться равенство по модулю пороговых напряжений n- и p-канальных транзисторов

2. Необходимо равенство удельной крутизны n- и p-канальных транзисторов, из-за чего отношение ширины n- и p-канальных транзисторов пропорционально отношению подвижности электронов и дырок (при равной длине канала).

Схема ИЛИ-НЕ

	X1	X2	Y
	0	0	1
	0	1	0
	1	0	0
	1	1	0
	и оба заперты
	и оба открыты

Рис. 41. Схема ИЛИ-НЕ

Схема И-НЕ

	X1	X2	Y
	0	0	1
	0	1	1
	1	0	1
	1	1	0
	и оба открыты
	и оба заперты

Рис. 42. Схема И-НЕ

Рис. 43. Сечение структуры

Рис. 44. Сечение структуры

Рис. 45. Сечение структуры

Рис. 46. Топология схемы И-НЕ

Проектирование КМОП схем.Рекомендуется длину канала транзисторов обоих типов выбрать равной двум минимальным размерам, ширину каналаn-канального транзистора выбрать в 3 раза больше длины (6 минимальных размеров), тогда ширина каналаp-канального транзистора будет в 3 раза больше ширины каналаn-канального(18 минимальных размеров). Размеры областей стока и истока определяются шириной канала и условиями размещения контактов: контакт занимает всю площадь стока и истока, отступая от их краев на минимальный размер, ширина контакта не может быть меньше минимального размера. Когда геометрические размеры выбраны, делается расчет параметров транзисторов по формулам, приведенным выше, а после этого – расчет схемы с помощью программыPSPICE. Исходя из анализа результатов расчета схемы делаются изменения в размерах транзисторов.

2.4. Логические схемы на арсениде галлия.

В настоящее время наибольшее распространение получили три типа логических винтелей для быстродействующих ИС на GaAs.

1) Логический вентиль с буферным каскадом (ЛБК), разработанный фирмой Hewlett Packard является наиболее быстродействующим t₃=33 пс/вент, однако потребляет достаточно большую мощность S-10 мВт/вент. +E_C=+4.5 B, -E_П=-3 B, U¹=+0.5 B, U⁰=-2 B.

Рис. 47. Вентиль ЛБК.

В ЛБК применяют нормально открытые полевые транзисторы, поэтому для согласования входных и выходных уровней напряжения требуется введение в схему дополнительных элементов для сдвига уровней. Эти элементы неизбежно вносят дополнительную задержку сигнала и расход мощности. Из-за высокой потребляемой мощности и большого количества элементов на ЛБК возможно создание БИС со степенью интеграции до 10³ вент.

Схемные варианты ЛБК.

Рис. 48. Вентиль ЛБК без истокового повторителя.

C целью снижения уровня потребляемой мощности исключен истоковый повторитель. Однако, уменьшается коэффициент разветвления по выходу: K_вых=2. Этот вентиль чаще всего применяется для построения триггерных схем.

Для увеличения быстродействия в схему введён диод Д_УСК, выполняющий функцию ускоряющего конденсатора. Обратно смещенный диод действует как ёмкость и шунтирует при переключении буферный каскад сдвига уровня, что резко повышает быстродействие. Однако для эффективной работы площадь диода должна быть большой, чтобы получить требуемую величину ёмкости.

Рис. 49. Вентиль ЛБК с ускоряющим диодом.

2) Логические вентили на основе ПТШ с диодами Шотки (ЛДШ), созданные фирмой Rockwell. Потребляют в 5 раз меньшую мощность, но имеют в 2 раза худшее быстродействие. Содержит миниатюрные ДШ размером (1*2мкм²) для выполнения логических операций ИЛИ и для сдвига уровней сигнала. Функцию инвертора в ЛДШ выполняет второй каскад на нормально открытые полевые транзисторы с затворами Шотки. Благодаря небольшой потребляемой мощности и малым размерам диодов на этих схемах можно создавать БИС с плотностью интеграции 10⁴ вентилей. +E_C=+2 B, -E_П=-1.5 B.

Рис. 50. Вентиль ЛДШ.

3) Логические вентили с непосредственными связями (ЛНС), разработанные фирмой McDounell Douglas. Реализованы на НЗ ПТ с р-n переходом. Характеризуется самой низкой величиной потребляемой мощности Pпотр=50 мкВт/вент, t₃ в 2-4 раза больше чем у ЛБК. Занимает очень малую площадь на кристалле – 200 мкм²/вент. Для надёжной работы требуется, чтобы Ес не превышало 1В. Очень критичны к значению Uпор. +E_C=+1...+2 B.

Рис. 51. Вентиль ЛНС.

Компромиссный вариант вентилей между ЛНС и ЛБК.

Средняя скорость переключения, средняя потребляемая мощность. Uпор=0В, но требования к этому параметру значительно понижены по сравнению с ЛНС. +E_C=+2.5 B.

Рис. 52. Вентиль ЛНС с истоковым повторителем.