3.2 Элементы цифровых имс на мдп-транзисторах

3.2.1 Введение

В основу разнообразных схемотехнических построений цифровых интегральных микроэлектронных устройств на МДП-транзисторах положено построение инвертирующего вентиля. Большая величина входного сопротивления МДП-транзистора и свойство исполнять функцию управляемого сопротивления определили специфику схем построений МДП-вентилей:

• в качестве нагрузки вентиля применяется нелинейная нагрузка в виде МДП-транзистора;

• логические отношения на МДП-транзисторах реализуются последовательными и параллельными включениями переключающих транзисторов;

• высокоомные входы МДП-транзисторов следует предохранять от воздействий источников статического электрического заряда;

• в структурах с МДП-приборами с индуцированными каналами не следует допускать образования непредусмотренных каналов под проводными соединениями.

В качестве нелинейной нагрузки в МДП-инверторах применяются:

• МДП-транзисторы одного типа канала с типом канала переключающего транзистора;

• МДП-транзисторы дополняющего (противоположного) типаканала.

Для инверторов с одним типом канала нагрузочный транзистор может применяться индуцированным и встроенным каналом. Возможны модификации выбора режима работы нагрузочного транзистора, обеспечивающие исключение закрытого состояния, когда нагрузку инвертора можно считать квазилинейной. Этот режим аналогичен применению в качестве нагрузочного МДП-транзистора со встроенным каналом. При квазилинейной нагрузке переходный процесс переключения инвертора протекает ускоренно при пониженных эквивалентных постоянных времени.

Высокооомность входов МДП-инверторов и угроза образования непредусмотренных поверхностных индуцированных каналов обязывает вводить в конструкции дополнительные элементы, такие, как защитные диоды, охранные размыкающие кольца, утолщения диэлектрика под проводными соединениями;

3.2.2 Защита конструкций мдп-микросхем

Для зашиты МДП-приборов от воздействия статического электричества в процессе их производства и эксплуатации, а также для борьбы с паразитными каналами предусматриваются комментируемые далее решения [1].

Схема защиты входных цепейМДП-микросхем охранными диодами изображена на рисунке 3.13. Диоды VD1 и VD2 показанные на рисунке, предназначены для предотвращения пробоя подзатворного диэлектрика под действием зарядов статического электричества.

Полярность заряда может быть обоих знаков. Диоды VD1 и VD2 позволяют положительному заряду стекать через диод VD1, а отрицательному — через диод VD2.

При проектировании охранных диодов необходимо обеспечить допустимое напряжение пробояр-n-переходов диодов (более 2Uип) и малые паразитные емкости. Первое требование выполняется использованием в качестве одной из областей диода VD1 низколегированной подложки, а для диода VD2 — низколегированной р-области. Второе требование выполняют минимизацией площади р-n-переходов. Пример топологии и структуры охранного диода VD2 (защиты затвора транзистора VT2) изображен на рисунке 3.14 (поз. 9, 10).

Недостатками рассмотренной схемы защиты и конструкций охранных диодов являются снижение входного сопротивления МДП и появление входного тока утечки. При напряжениях Uвх > Uип следует ограничивать токи через входную цепь для исключения угрозы разрушения диодов.

Как отмечалось, положительный встроенный заряд в толстом окисле и положительный потенциал на алюминиевых шинах разводки создают условия для образования «паразитного» индуцированного n-канала в приповерхностных участках пластин кремния р-типа при низких (< 10¹⁷ см^–3) уровнях легирования. Увеличение толщины диэлектрика над опасными участками не всегда возможно и не всегда гарантирует отсутствие паразитного канала.

Эффективным средством противодействия образованию сквозных паразитных каналов является формированиекольцевой каналоограничивающей области, в которой инверсия проводимости поверхности, вследствие высокого уровня легирования, практически невозможна. На рисунке 3.15 изображена структура МДП-инвертора на транзисторах с противоположными типами каналов, где паразитные каналы нарушают коммутационные связи 1, 2 взаимодополняющих транзисторов. Для исключения возможности формирования паразитных каналов вокруг обоих транзисторов сформированы охранные кольца (3) и (4). На р⁺-область охранного кольца (4) целесообразно подавать самый низкий потенциал, а на область охранного кольца n⁺-типа (3) — самый высокий потенциал, примененный в электропитании схемы.

По приведенному рисунку видно, что формирование областей охранных колец увеличивает число отдельных областей и, как следствие этого, увеличивает площадь транзисторов, снижает степень интеграции МДП-микросхем.