- •Л.А. Торгонский
- •Содержание
- •1 Введение 6
- •2 Проектирование элементов и кристаллов биполярных имс 19
- •3 Элементы и кристаллы имс на полевых структурах 197
- •1 Введение
- •1.1 Термины и определения предметной области
- •1.2 Классификация микросхем
- •1.3 Обозначение имс
- •1.4 Конструкции и состав имс
- •1.5 Цели и задачи изучения дисциплины
- •1.6 Этапы проектирования микросхем
- •2 Проектирование элементов и кристаллов биполярных имс
- •2.2 Состав радиоэлементов бпт имс
- •2.3 Материалы имс
- •2.3.1 Введение
- •2.3.2 Кристаллические материалы имс
- •2.4 Изоляция элементов
- •2.5 Технологические слои структур бпт имс
- •2.6 Кремниевые пластины с эпс
- •2.7 Кремниевые пластины с эпс и скрытыми слоями
- •2.8 Кремниевые пластины с полной диэлектрической изоляцией карманов
- •2.9 Арсенид галлия в производстве имс
- •2.10 Технологические варианты структур бпт
- •2.11 Параметры слоев структур бпт имс
- •2.11.1 Оценка параметров слоя
- •2.12 Проектирование бпт
- •2.12.1 Введение
- •2.12.2 Функциональные параметры бпт
- •2.12.3 Расчетные соотношения оценки параметров бпт
- •2.12.4 Проектирование топологии бпт
- •2.12.5 Объемные формы и габаритные размеры элементов имс
- •2.12.6 Межэлектродные сопротивления бпт
- •2.12.7 Зависимость коэффициента передачи от топологии
- •2.12.8 Параметры быстродействия транзистора
- •2.13 Алгоритм проектирования бпт
- •2.14 Диоды ис
- •2.14.1 Общие замечания
- •2.14.2 Структуры интегральных диодов
- •2.14.3 Топологические конфигурации диодов
- •2.14.4 Проектные параметры диодов
- •2.14.5 Схема замещения диода
- •2.14.6 Алгоритм проектирования диодов
- •2.14.7 Диоды Шоттки в структурах бпт
- •2.15 Модификации бпт специального назначения
- •2.15.1 Общие сведения
- •2.15.2 Многоэмиттерный бпт
- •2.15.3 Многоколлекторный бпт
- •2.15.4 Транзисторы с контактными переходами Шоттки
- •2.15.5 Транзисторы с продольной структурой
- •2.15.6 Транзисторы со сверхтонкой базой
- •2.15.7 Транзисторы приборов совмещенных технологий
- •2.16 Резисторы полупроводниковых имс
- •2.16.1 Общие замечания
- •2.16.2 Структуры резисторов полупроводниковых имс
- •2.16.3 Топологические конфигурации резисторов
- •2.16.4 Проектные параметры резисторов
- •2.16.5 Расчетные соотношения
- •2.16.6 Алгоритм проектирования полупроводниковых резисторов
- •2.17 Конденсаторы биполярных имс
- •2.17.1 Общие сведения
- •2.17.2 Конденсаторы на основе р-n-перехода
- •2.17.3 Конденсаторы со структурой моп
- •2.17.4 Параметры конденсаторов бпт имс
- •2.17.5 Алгоритм проектирования конденсаторов бп имс
- •2.18 Соединения и контакты бпт имс
- •2.18.1 Общие сведения
- •2.18.2 Материалы и структуры соединений и контактов
- •2.18.3 Параметры и размеры соединений и контактов
- •2.19 Базовые элементы цифровых биполярных микросхем
- •2.19.1 Введение
- •2.19.2 Элементы транзисторно-транзисторной логики
- •2.19.3 Элементы ттл с приборами Шоттки
- •2.19.4 Элементы эмиттерно-связанной логики
- •2.19.5 Элементы инжекционной логики (и2л)
- •2.19.6 Элементы и2л с диодами Шоттки
- •2.20 Кристаллы ис
- •2.20.1 Введение
- •2.20.2 План кристалла
- •2.20.3 Сокращение потерь площади рабочей кристалла
- •2.20.4 Проектирование топологии ис на бпт
- •3 Элементы и кристаллы имс на полевых структурах
- •3.1 Проектирование полевых структур
- •3.1.1 Введение
- •3.1.2 Структуры и классификация мдп-транзисторов
- •3.1.3 Вольтамперные характеристики мдп-транзистров
- •3.1.4 Параметры мдп-транзистора и расчетные соотношения
- •3.1.5 Конструкции мдп-транзисторов
- •3.1.6 Алгоритмы проектирования мдп-транзисторов имс
- •3.2 Элементы цифровых имс на мдп-транзисторах
- •3.2.1 Введение
- •3.2.2 Защита конструкций мдп-микросхем
- •3.2.3 Логический инвертор с пассивной нагрузкой мдп
- •3.2.4 Логический инвертор с активной нагрузкой мдп
- •3.2.5 Логические элементы на мдп-структурах
- •3.2.6 Совмещенные биполярнополевые структуры
- •3.2.7 Полевые элементы устройств хранения информации
- •3.2.8 Проектирование топологии ис на мдп
- •3.3 Полевые структуры с зарядовой связью
- •3.3.1 Введение
- •3.3.2 Приборы с зарядовой связью (пзс)
- •3.3.3 Варианты структур элементов пзс
- •3.3.4 Ввод и детектирование заряда в пзс
- •3.3.5 Параметры пзс
- •3.3.6 Транзисторы с зарядовой связью (тзс)
- •3.3.7 «Пожарные» мдп-цепочки
- •3.3.8 Проектирование пзс
- •Список литературы
2.19 Базовые элементы цифровых биполярных микросхем
2.19.1 Введение
На биполярных транзисторах реализованы функциональные элементы цифровых устройств, отличающиеся схемной организацией. Варианты схемных построений генерировались и сменялись по мере развития технологии производства микроэлектронных изделий. Позитивные свойства отдельных вариантов схемной организации цифровых элементов обеспечили им применение наряду с иными вариантами исполнений в современной микроэлектронике. Основным функциональным элементом цифровых устройств является элемент И-ИЛИ-НЕ с числом входов не менее двух, на основе которого реализуются функциональные узлы и устройства ЭВС. Элементы И-ИЛИ-НЕ по функции преобразования принято называть логическими, а вариант их схемной организации определять как схемный вариант логики. В условиях ограниченной доступности массового применения полупроводниковых диодов первые логические элементы содержали один-два БПТ и резисторы. Резисторы в этих элементах применялись для построения схем логического объединения нескольких цифровых входных переменных. Логические элементы, исполненные на БПТ и резисторах, получили название резистивно-транзис-торной логика (РТЛ). Названная разновидность логических элементов имела недостатком повышенное взаимное влияние входов, низкое быстродействие в переключении, повышенное энергопотребление и габариты. По мере развития технологии массового производства и снижения цены полупроводниковых приборов (диодов и транзисторов) на смену РТЛ были предложены варианты диодно-транзисторной логики (ДТЛ) и эмиттерно-свя-занной логики (ЭСЛ). В ДТЛ логическое преобразование входных переменных выполняется на диодно-резистивных композициях, существенно снижающих, в сравнении с РТЛ, взаимную связь между входами, энергопотребление. Наряду с качественной взаимной изоляцией входов и независимостью тока управления БПТ элемента от входных сигналов, время переключения ДТЛ элемента ограничивается длительностью диффузионных процессов в диодах логического преобразования.
В ЭСЛ логические преобразования в элементе выполняются параллельно включенными ненасыщенными БПТ. Диоды-резис-торы в ЭСЛ применяются исключительно в цепях ограничения токов и установки режима статического электропитания и слабо влияют на время переключения элемента. Ненасыщенный режим функционирования транзисторов ЭСЛ позволяет исключить задержки, связанные с накоплением носителей в БПТ при насыщении. Поэтому эмиттерно-связанная логика, как базисное решение, не имеет равных по быстродействию. Благодаря симметричному включению переключающих транзисторов ЭСЛ широко применяется в качестве симметричных источников и приемников сигнала в трактах передачи сигналов с повышенными требованиями к помехозащищенности. Недостатком логических элементов ЭСЛ является сравнительно высокое значение их выходного сопротивления, исключающее эффективную коммутацию токов в нагрузках. Для этих целей предпочтительны несимметричные выходные каскады ДТЛ. Элементы ДТЛ на дискретных электрорадиоэлементах и в интегральном исполнении применяются для управления устройствами электроавтоматики при повышенных уровнях сигналов и повышенных требованиях к помехозащищенности.
В интегральном исполнении при пониженных уровнях сигналов (менее 3–5 В) альтернативным ДТЛ решением явилось применение в них МЭТ вместо диодных схем логического умножения или сложения на входах. Это позволило уменьшить габаритные размеры входных цепей, снизить задержку распространения сигнала во входных цепях логических элементов. Схемный вариант логического элемента с МЭТ на входе получил название транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). С 60-х годов прошедшего века и по настоящее время для технологий биполярных приборов ТТЛ и ЭСЛ занимают доминирующее положение в интегральных исполнениях цифровых устройств. Дальнейшее совершенствование схемных исполнений логических элементов с биполярными транзисторами связано с применением диодов и транзисторов Шоттки для повышения быстродействия исполнений ТТЛ и с применением технологии МКТ БПТ для снижения энергопотребления. Далее приводятся схемно-топологические исполнения модификаций элементов ТТЛ, ЭСЛ, ТТЛШ (с приборами Шоттки), И2Л.