146

6.2 Основные принципы построения МДП ИМС

Структуры металл-диэлектрик-полупроводник, используемые в качестве элементов МДП ИМС, могут выполнять функции усиления, генерации и преобразования электрических сигналов, т.е. те же функции, которые выполняются биполярными транзисторами. Наряду с этим, МДП-структуры можно использовать в качестве конденсаторов и резисторов, номинальные значения которых изменяются в определенных пределах

при изменении приложенного потенциала к управляющему электроду. Кроме того, МДП-структуры могут также выполнять функции элементов памяти.

Особенно широко МДП-транзисторы применяют при -по строении цифровых ИМС. Это обусловлено относительной простотой их конструкции, хорошими характеристиками переключения, многофункциональностью, самоизолируемостью, а также малыми размерами и низкой потребляемой мощностью. Цифровые МДП ИМС состоят, как правило, только из МДПтранзисторов, так как функции пассивных элементов могут эффективно выполнять сами МДП-транзисторы. МДП ИМС представляют собой схемы с непосредственными связями, поэтому в таких схемах отсутствуют конденсаторы связи. По принципу действия цифровые МДП ИМС можно подразделить на статические и динамические. Логические ИМС статического типа выполняют как на МДП-транзисторах с каналами одного типа проводимости, так и на МДП-транзисторах с взаимно дополняющими типами проводимости, т.е. с каналами p- и n-типов. Такие МДП ИМС называются комплементарными (КМДП ИМС).

Базовым элементом логических МДП ИМС является инвертор. На рис. 6.7, а, б приведены схемы инверторов на МДП транзисторах с каналами p-типа. Транзистор VT1, исток которого соединен с заземленной шиной питания, является активным (ключевым, а транзистор VT2 - нагрузочным, т.е. выполняет функцию резистора. Использование в качестве нагрузки нор-

мально открытых МДП-транзисторов позваляет отказаться от применения высокоомных диффузионных резисторов, занимающих большую площадь на подложке.

148

где φмп – разность потенциалов, определяемая разницей в работах выхода полупроводника и материала затвора; Qss, Qп – соответственно плотности заряда поверхностных состояний на границе полупроводника и диэлектрика и пространственного заряда в полупроводнике; φΦi – потенциал, зависящий от положения уровня Ферми в полупроводнике относительно середины запрещенной зоны; CЗ0 – удельная емкость затвора.

где q – заряд; Nпов – плотность поверхностных состояний на границе полупроводника и диэлектрика.

где φТ – температурный потенциал (~ 0,026 эВ); ni – собственная концентрация носителей в полупроводнике.

Удельная емкость затвора относительно канала -МДП транзистора определяется по формуле

где εд – диэлектрическая проницаемость подзатворного диэлектрика; hд – толщина подзатворного диэлектрика.

Удельная крутизна транзистора зависит от электрофизических свойств МДП-структуры и геометрии канала и определяется как

МДП-транзистора; l – длина канала транзистора.

150

пичные формы сигнала, наблюдаемые при переключении инвертора, работающего на емкостную нагрузку. Через Сн на этом рисунке обозначена эквивалентная нагрузочная емкость, объединяющая все переходные емкости. Формирование фронтов сигнала на выходе инвертора определяется временем зарядки и разрядки эквивалентной емкости. Емкость заряжается через нагрузочный транзистор, а разряжается через ключевой. Так как сопротивление нагрузочного транзистора обычно в10…20 раз превышает сопротивление открытого ключевого транзистора, то время включения, определяемое ключевым транзистором, намного меньше времени выключения, определяемого нагрузочным транзистором. Кроме того, в процессе переключения сопротивление нагрузочного транзистора возрастает вследствие влияния подложки. Таким образом, быстродействие инвертора ограничено большим временем выключения. Емкость Сн заряжается до выходного напряжения, соответствующего уровню логической единицы, за счет протекания тока нагрузочного транзистора. Поэтому время выключения (длительность фронта выключения) можно определить из совместного решения системы уравнений для токов зарядки емкостиСн и нагрузочного транзистора. Учитывая, что для тока конденсатора справедливо выражение

а ток, протекающий через нагрузочный транзистор, работающий в пологой области ВАХ определяется уравнением(6.9), можно записать:

Затем выполняем интегрирование и получаем выражение для времени выключения:

выключения уменьшается с ростом удельной крутизны нагрузочного транзистора. Поэтому при проектировании инверторов с нелинейной нагрузкой геометрические размеры нагрузочного транзистора определяются заданной длительностью фронта. Быстродействие инвертора значительно вырастает при работе нагрузочного транзистора в крутой области характеристик, так как высокое напряжение на затворе½Есм½>½Еп+U0½предотвращает запирание нагрузочного транзистора во время переходного процесса.

Одна из основных задач, стоящих перед микроэлектроникой, заключается в понижении энергетического уровня микроэлектронных устройств и переводе их в область микромощных режимов. Целесообразность решения этой задачи обусловлена следующими основными причинами:

а) необходимостью разработки надежных больших интегральных схем (БИС), работающих в широком температурном диапазоне без перегрева всей схемы;

б) повышенным запасом электрической прочности активных элементов в микрорежиме, содействующим повышению их надежности;

в) необходимостью разработки электронных комплексов для космической аппаратуры, которая должна работать в течение ряда лет в условиях ограниченных энергоресурсов;

г) повышением добротности логических схем.

Известно, что снижение мощности, потребляемой логической схемой, за счет простого изменения электрического режима ухудшает ее быстродействие и другие параметры. Поэтому для решения этой задачи необходимо использовать специально разработанные схемы, обладающие хорошими характеристиками, несмотря на снижение их энергетического уровня. К числу таких схем относятся КМДП ИМС, которым, по сравнению с МДП ИМС на транзисторах с каналами одного типа проводимости, свойственны следующие преимущества:

а) малая потребляемая мощность в статическом режиме;

152

б) высокое быстродействие; в) высокая помехоустойчивость за счет большого перепада

уровней логического нуля и логической единицы.

Принцип построения и функционирования КМДП ИМС можно рассмотреть на примере инвертора, схема которого приведена на рис. 6.9. Инвертор из двух последовательно включенных МДП-транзисторов с каналами n- и p-типа. Истоки подключаются к соответствующим полюсам источника напряжения. Транзистор VT1 является ключевым, его исток соединен с заземленной шиной питания, а сток подсоединяется к стоку нагрузочного транзистора VT2. Подложки транзисторов соединены с истоками. Затворы обоих транзисторов объединены и служат входом инвертора. Особенности построения и функционирования комплементарного каскада заключаются в следующем:

близкий к потенциалу земли. Когда на вход подается напряжение, соответствующее напряжению логического нуля, то ключевой транзистор закрывается, а нагрузочный открывается. Это приводит к формированию на выходе уровня логической единицы, близкого к +Еп.

Уровни логического нуля и логической единицы в КМДП ИМС имеют экстремальные значения U(0)=0, U(1)=Еп, а логический размах равен напряжению питания. Поэтому отпадает необходимость топологического расчета КМДП ИМС исходя из

153

статических требований. КМДП ИМС имеют высокое быстродействие, поскольку перезарядка емкости нагрузки как при включении, так и при выключении происходит через открытый МДП-транзистор. Благодаря этому быстродействие КМДП ИМС оказывается выше по сравнению с обычными МДП ИМС на транзисторах с каналами одного типа проводимости, у которых перезарядка емкости осуществляется значительно меньшими токами.

КМДП ИМС практически не потребляют мощность ни в одном из логических стационарных состояний. Это обусловлено самой конфигурацией инвертора. В статическом состоянии транзисторы n- и p-типа не могут быть открыты одновременно, поэтому полный статический ток равен всего лишь току утечки закрытого транзистора (I=1 нА). Такие схемы расходуют энергию только при переключении из одного логического состояния в другое.

Порядок расчета параметров транзисторовp- и n- канальных МДП ИМС.

1.Изучают принцип работы ИМС и связи ее электрических

иконструктивных параметров.

2.По заданному пороговому напряжениюU0 определяют удельную емкость затвора CЗ0 по выражениям (6.2), (6.3).

3.Находят толщину подзатворного диэлектрикаhд по формуле (6.7).

4.Определяют отношение kк/kн по формуле (6.10).

5.Используя формулы (6.8) и (6.15), находят отношение w/l для нагрузочного транзистора.

6.По выражению (6.11) рассчитывают отношение w/l для ключевого транзистора.

7.На основе технологических ограничений (либо эксплуатационных условий) задаются минимально возможными значениями длины канала ключевого транзистора и ширины канала нагрузочного транзистора.

8.По данным расчетов п.5 и п.6 определяют ширину канала ключевого транзистора и длину канала нагрузочного.