Konsp_Lec_MKREA

миллионов до 2 миллиардов. Новейшие полевые микротранзисторы выполняются из кремния, имеют металлический затвор и используют новый запатентованный материал для подзатворного диэлектрика на основе соединений гафния.

В последнюю четверть XX века бурное развитие получили мощные полевые транзисторы, в основном МДП-типа. Они состоят из множества маломощных структур или из структур с разветвленной конфигурацией затвора. Такие ВЧ и СВЧ приборы впервые были созданы в CCCР специалистами НИИ «Пульсар» Бачуриным В.В. (кремниевые приборы) и Ваксембургом В.Я. (арсенид-галлиевые приборы) Исследование их импульсных свойств было выполнено научной школой проф. Дьяконова В.П. (Смоленский филиал МЭИ). Это открыло область разработки мощных ключевых (импульсных) полевых транзисторов со специальными структурами, имеющих высокие рабочие напряжения и токи (до 500-1000 В или до 50-100 А). Такие приборы обычно управляются малыми (до 5 В) напряжениями, имеют малое сопротивление в открытом состоянии (до 0,01 Ом), высокую крутизну и малое (единицы-десятки нс) время переключения. У них отсутствует явление накопления носителей в структуре и явление насыщения, присущее биполярным транзисторам. Благодаря этому мощные полевые транзисторы практически вытеснили мощные биполярные транзисторы из области силовой электроники.

Применение полевых транзисторов.

Значительная часть производимых в настоящий момент полевых транзисторов входит в состав КМОП-структур, которые строятся из полевых транзисторов с каналами разного (p- и n-) типа проводимости и широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах.

За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения, приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого энергопотребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах,

– наручные кварцевые часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет, потому что практически не потребляют энергии.

141

Грандиозными темпами развиваются области применения мощных полевых транзисторов. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет получить повышенную чистоту спектра излучаемых радиосигналов, уменьшить уровень помех и повысить надёжность радиопередатчиков. В силовой электронике ключевые мощные полевые транзисторы успешно заменяют и вытесняют мощные биполярные транзисторы. В силовых преобразователях они позволяют на 1-2 порядка повысить частоту преобразования и резко уменьшить габариты и массу энергетических преобразователей. В устройствах большой мощности используются биполярные транзисторы с полевым управлением (IGBT) успешно вытесняющие тиристоры. В усилителях мощности звуковых частот высшего класса HiFi и HiEnd мощные полевые транзисторы успешно заменяют мощные электронные лампы, обладающие малыми нелинейными и динамическими искажениями.

Список литературы

1.Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники: Учебник.

– 4-е изд., перераб и доп. – К.: Вища школа, 1989. – 423 с.

2.Справочник по радиоэлектронике. Т.1 / под ред. А.А. Куликовского. –

Энергия, 1967. – 648 с., ил.

3.Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. Пер. с англ. под ред.

А.Ф. Трутко: М., «Энергия», 1973. – 656 с., ил.

4.Прянишников В.А. Электроника. Курс лекций. – М.: Корона Принт, 2006. – 415 с.

5.Полупроводниковые приборы, интегральные микросхемы и технология их производства: Учебник / Ю.Е. Гордиенко, А.Н. Гуржий, А.В. Бородин, С.С. Бурдукова. – Харьков: «Компания СМИТ», 2004. – 620 с.

142

Лекция 15. ПРИНЦИП КОНСТРУИРОВАНИЯ ЦИФРОВЫХ МИКРОСХЕМ

Характеристика семейств цифровых микросхем.

Всовременных цифровых системах используются цифровые микросхемы со средней или высокими степенями интеграции:

- Medium-Scale Integration (MSI) – средняя степень интеграции, 12-99 элементов на микросхеме;

- Large-Scale Integration (LSI) – высокая степень интеграции, 100-9999 элементов на микросхеме;

- Very Large-Scale Integration (VLSI) – очень высокая степень интеграции, 10000-100000 элементов на микросхеме;

- Ultra Large-Scale Integration (ULSI) – ультра высокая степень интеграции, 100000-1000000 элементов на микросхеме;

- Giga-Scale Integration (GSI) – сверхвысокая степень интеграции, более 1000000 элементов на микросхеме.

При помощи этих микросхем выполняется большинство функций, которые ранее требовали нескольких плат с микросхемами с малой степенью интеграции (Small-Scale Integration (SSI) – малая степень интеграции, менее 12 элементов на микросхеме).

Вто же время, микросхемы с малой степенью интеграции всё ещё применяются в качестве интерфейса или совокупности средств, которые обеспечивают объединение стандартных компонентов в единую архитектуру с другими болем сложными микросхемами.

Цифровые ИС (интегральные схемы) можно классифицировать в соответствии с основным типом электронных компонентов, использованных в схеме:

1. Биполярные ИС – изготавливаются на основе биполярных транзисторов p-n-p или n-p-n типа. Например, ТТЛ (транзисторно-

транзисторная логика) микросхемы; 2. Униполярные ИС – в качестве основного элемента используют

униполярные (полевые) транзисторы (p-канальные или n-канальные структуры МОП – металл-оксид-полупроводник). Например, МОП микросхемы или комплементарные МОП (КМОП) микросхемы.

Семейство ТТЛ состоит из нескольких подсемейств или серий, описание которых приведено в табл. 15.1.

143

Основные отличия между однотипными микросхемами различных подсемейств ТТЛ заключаются в значениях рассеиваемой мощности и времени коммутации. Такие микросхемы не отличаются размещением выводов или типом выполняемых логических операций.

Семейство КМОП также состоит из нескольких подсемейств или серий, описание которых приведено в табл. 15.2.

Таблица 15.1 – Характеристика семейства ТТЛ микросхем

Таблица 15.2 – Характеристика семейства КМОП микросхем

В качестве базовых логических элементов цифровых микросхем используются такие: элемент НЕ (инвертор), элемент И, элемент ИЛИ, элемент И-НЕ, элемент ИЛИ-НЕ. Эти логические элементы работают с логическими сигналами «0» и «1». Значения выходного логического сигнала при различных комбинациях входных сигналов двухвходовых логических элементов приведены в табл. 15.3.

Таблица 15.3 – Таблицы истинности базовых логических элементов

Таким образом, каждый из базовых логических элементов в зависимости от логических сигналов на своём входе формирует соответствующий логический сигнал на выходе.

При этом, существуют определённые диапазоны напряжений, которые распознаются логическими элементами как уровни «0» или «1». И эти диапазоны имеют значительные отличия для ТТЛ и КМОП микросхем.

Для базовых элементов ТТЛ логическим «0» считается любое напряжение в диапазоне 0-0,8 В, логической «1» любое напряжение в диапазоне 2-5 В. Уровни напряжения вне данных диапазонов называются неопределёнными и не должны использоваться в качестве входных сигналов ТТЛ микросхем, поскольку реакция на них логического элемента заранее не известна.

Для базовых элементов КМОП логическим «0» считается любое напряжение в диапазоне 0-1,5 В, логической «1» любое напряжение в диапазоне 3,5-5 В. Уровни напряжения вне данных диапазонов называются неопределёнными и не должны использоваться в качестве входных сигналов КМОП микросхем.

Объединение различных логических элементов позволяет реализовать чрезвычайно сложные функции, создавать многофункциональные цифровые устройства, разрабатывать вычислительные алгоритмы. Для описания логических операций разработан мощный математический аппарат – Булева алгебра, в рамках которой доказано, что любая цифровая функция, любое цифровое устройство может быть реализовано с использованием одних только элементов И-НЕ или одних только элементов ИЛИ-НЕ. При этом принято говорить, что цифровое устройство реализовано в базисе И-НЕ или в базисе ИЛИ-НЕ.

Структура базового логического элемента И-НЕ, выполненного по технологии ТТЛ, представлена рис. 15.1. Напряжение питания ТТЛ устройств обозначается как Vcc .

146

Рисунок 15.1 – Структура элемента И-НЕ по технологии ТТЛ и схема его исследования

Схема включения диодов VD2-VD4 является упрощением аналогичной структуры двухэмиттерного транзистора. В этом случае диоды VD2 и VD3 представляют собой два перехода база-эмиттер, а диод VD3 соответствует переходу база-коллектор. Многоэмиттерные транзисторы могут иметь до восьми эмиттеров, т.е. на их основе можно построить элемент И-НЕ c восемью входами.

Пусть на обоих входах логического элемента присутствует сигнал логической «1», т.е. напряжение на входах лежит в диапазоне 2-5 В. Такой уровень напряжения закроет оба диода (VD2 и VD3). Напряжение источника питания Vcc 5 В приведёт к появлению тока через резистор R1 и диод VD4,

что включит транзистор VT1. Ток с эмиттера VT1 поступит на базу транзистора VT2, который также откроется. В то же время, ток коллектора VT1 приведёт к падению напряжения на резисторе R2, что уменьшит напряжение на коллекторе VT1 до значения, недостаточного для включения транзистора VT3. Напряжение

U бэ VT 2 U кэ VT 1 0,7 0,1 0,8 В . Как уже было сказано, этого недостаточно для

прямого смещения последовательно включённых перехода база-эмиттер VT3 и диода VD1.

В результате, сопротивление открытого транзистора VT2 очень мало (несколько Ом), ток коллектора VT2 также очень мал, поскольку транзистор VT3 заперт, и напряжение питания распределяется таким образом, что U R 4 U кэ VT 3 UVD1 U кэ VT 2 . Следовательно на выходе логического элемента

получаем низкий уровень напряжения (уровень логического «0»).

Если же хотя бы на одном из входов логического элемента присутствует уровень логического «0», то открывается диод VD2 или VD3 (или оба). Это приведёт к протеканию тока от источника питания через резистор R1 на землю. Падение напряжения на открытом диоде VD2 (или VD3) составит порядка 0,7 В. Это напряжение окажется приложенным к последовательно

включённым диоду VD4 и переходу база-эмиттер транзистора VT1. Поскольку напряжения 0,7 В недостаточно для открытия и диода VD4 и транзистора VT1,

то они останутся запертыми, ток на базу VT2 не поступит и последний также окажется закрытым.

На коллекторе VT1 ток также отсутствует, поэтому падение напряжения на резисторе R2 мало, а напряжение на коллекторе VT1 окажется достаточным для прямого смещения последовательно включённых перехода база-эмиттер

VT3 и диода VD1.

В результате, напряжение на выходе логического элемента окажется равным U вых Vcc U бэ VT 3 UVD1 5 (1,2...1,6) 3,4...3,8 В. Такой уровень напряжения на выходе схемы соответствует уровню логической «1». Такая логика работы соответствует базовому логическому элементу И-НЕ.

Рассмотрим структуру и принцип работы базового логического элемента И-НЕ, реализованного по технологии КМОП. Структура базового логического элемента И-НЕ представлена рис. 15.2. Напряжение питания КМОП устройств обозначается как Vdd .

Униполярные ИС можно разделить на три категории:

1.p-МОП – используются только p-канальные полевые транзисторы в режиме обогащения;

148

2.n-МОП – используются только n-канальные полевые транзисторы в режиме обогащения;

3.КМОП (комплементарные МОП) – используются как p-канальные, так и n-канальные полевые транзисторы.

Рисунок 15.2 – Структура элемента И-НЕ по технологии КМОП и схема его исследования

Семейство КМОП реализует преимущества обоих структур (как n- канальных, так и p-канальных) и при этом имеет большую скорость коммутации и меньшую, чем семейство ТТЛ, потребляемую мощность.

Как видно из рис. 15.2, в базовом элементе И-НЕ использованы 2 p- канальных транзистора (VT1 и VT2) и 2 n-канальных транзистора (VT3 и VT4). Применены транзисторы с индуцированным каналом.

Если напряжение затвор-исток U зи 0 канал n-канального транзистора не индуцирован и сопротивление канала имеет значение порядка 10 ГОм. При подаче положительного напряжения на затвор уже при U зи 1,5 В начинает наводиться канал. При напряжении U зи 5 В сопротивление канала между стоком и истоком транзистора имеет значение порядка 1 кОм.

149

Аналогично, но в противоположной полярности, функционирует p- канальный полевой транзистор.

Если на входе базового элемента присутствует хотя бы один логический «0», то на затвор транзистора с p-каналом VT1 или VT2 поступает низкий уровень напряжения (в данном случае нулевой уровень напряжения). При этом U зи 5 В и соответствующий транзистор открывается.

Одновременно с этим, нулевой уровень напряжения поступает на затвор хотя бы одного из n-канальных транзисторов VT3 или VT4. При этом для этого транзистора U зи 0 В и он заперт.

В результате напряжение питания Vdd падает преимущественно на

большом сопротивлении закрытого n-канального транзистора и на выходе схемы получаем высокий уровень логической «1».

Таким образом, только если на обоих входах логического элемента присутствует высокий уровень логической «1» – напряжение обоих p- канальных транзисторов (VT1 и VT2) U зи 0 В и они заперты. В то же время

для n-канальных транзисторов (VT3 и VT4) U зи 5 В, они оба открыты и на

выходе схемы получаем низкий уровень логического «0». Такая логика работы соответствует базовому логическому элементу И-НЕ.

Следует заметить, что простота МОП и КМОП схем и лёгкость процессов их изготовления привели к их лидирующим позициям на рынке ИС, особенно ИС с высокими степенями интеграции.

Более углублённо материал, соответствующий теме лекции, можно освоить при помощи приведенной ниже литературы.

Список литературы

6.Точчи Рональд Дж., Уидмер Нил С. Цифровые системы. Теория и практика, 8-е издание.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. – 1024 с., ил. – Парал. тит. англ.

150