Вводый курс цифровой электроники (К.Фрике, 2003)

140 Дополнение

пая особенность обеспечивает ряд преимуществ этого элемента по сравнению с известными биполярными функционально — интегри­ рованными элементами — технологичность, высокий процент выхо­ да годных. Наличие диэлектрического маскирующего участка, под которым формируется канал полевого транзистора с управляющим р-п-переходом приводит к возможности создания переключатель­ ного транзистора, работающего на полевом эффекте. Выходы эле­ мента ИНЛ могут быть выполнены в виде нескольких независимых стоковых областей аналогично И^Л вентилю.

С точки зрения простоты технологии изготовления, оптималь­ ной является структура переключательного элемента в виде кон­ струкции с вертикальным каналом, а генератора тока в виде гори­ зонтального биполярного транзистора. Такая конструкция обеспе­ чивает функциональную интеграцию и технологическую совмести­ мость биполярного и полевого транзисторов.

Элемент ИНЛ работает следующим образом. Переключение базы и эмиттера р-п-р-транзистора соответственно к «земле» и «плюсу» цепи питания и подачи на последний напряжения, равного напря­ жению открывания эмиттерного р-п-перехода (О, 3 ib О, 6) В, обеспе­ чивает протекание тока питания между эмиттером и коллектором

р-п-р-транзистора. Р-п-р-транзистор включен по схеме с общей ба­ зой и является генератором постоянного тока, величина которого практически не зависти от напряжения на коллекторе. Ток пита­ ния представляет собой ток неосновных носителей заряда, переме­ щающихся под действием дрейфа и диффузии в базовой области

р-п-р-транзистора, являющейся одновременно областью истока по­ левого транзистора. Неосновные носители заряда коллектируются р-п-переходом затвор-исток. В зависимости от потенциала, прило­ женного к входному электроду, возможны две ситуации. При подаче

на затвор потенциала логического нуля U^ (О -^ 0,1) В, ток пита­ ния через цепь источника сигнала замыкается на «землю». В дан­ ном режиме канал НЗПТУП перекрыт областью пространственного заряда (ОПЗ) р-гг-перехода затвор-исток. При этом между входом элемента и «землей» имеет место высокое сопротивление, препят­ ствующее протеканию тока нагрузки. Отсутствие гальванической связи между входом и «землей» приводит к накоплению неосновных носителей заряда в области затвора, которые наводят потенциал, примерно равный напряжению источника питания (0,3 -^ О, 6) В, со­ ответствующий напряжению логической единицы С/^. Когда р-п- переход затвор-исток смещается в прямом направлении, сопроти-

д.5. Схемотехника логических вентилей на токовых ключах

вление канала резко уменьшается вследствие уменьшения слоя объ­ емного заряда в канале. Переключательный НЗПТУП открывается. Как можно видеть из качественного рассмотрения основных режи­ мов работы, НЗПТУП в элементе ИПЛ работает в режиме, не ха­ рактерном ^\ля работы полевых транзисторов в традиционных схе­ мах. Напряжение между затвором и истоком, при котором проис­ ходит перекрывание канала ОПЗ, обычно имеет отрицательную по­ лярность и составляет несколько вольт. Для элементов ИПЛ это на­ пряжение имеет положительную полярность и составляет несколько долей вольта.

Дальнейшее увеличение плотности компоновки ИПЛ элементов достигается следующим образом.

Расщепление затвора, изменение пропорций канала и совмеще­ ние затворов дают семейство модификации инжекционно-полевого элемента, иллюстрируемого рис. Д.5.8. Далее каждая из конструк­ ций рассматривается подробно.

Целью модификаций исходной структуры рис. Д.5.8 а) являлось повышение плотности упаковки интегральных логических элемен­ тов. Эта цель достигнута посредством выполнения ПЭ в виде ПТ с несколькими затворами, совмещенными с коллекторными областями БТ, и подключенными к входным электродам, и стоковой областью, расположенной между затворными областями и подключенной к вы­ ходному электроду. Схематическое изображение структуры логиче­ ского элемента приведено на рис. Д.5.8б). Принцип действия ФИЭ второго уровня интеграции поясняется рис. Д.5.9.

При выборе удельного сопротивления подложки I и расстояния между областями 4' и 4 таким образом, чтобы толщина ОПЗ пере­ хода затвора при подаче на вход логического «О» была бы больше расстояния между областями 4' и 4, логический элемент будет вы­ полнять логическую функцию И-НЕ. То есть предложенное техни­ ческое решение позволяет значительно расширить функциональные возможности ИПЛ. На одном полупроводниковом кристалле мож­ но реализовать как вентиль ИЛИ-НЕ, так и вентиль И-НЕ только путем изменения расстояния между затворными элементами.

Рассмотренная выше конструкция может быть реализована в БИС простейшей архитектуры на безэпитаксиальной подложке. Од­ нако, этим не исчерпывается все многообразие возможностей ис­ пользования функционально-интегрированных элементов (ФИЭ) рас­ сматриваемого типа. Например, архитектура СБИС с полной ди­ электрической изоляцией, использующая диэлектрическую подлож-

д.5. Схемотехника логических вентилей на токовых ключах 143

каюш;ие из использования J\RK его реализации диэлектрической изо­ ляции.

Р и с . д . 5 . 9 . Структурная схема двухвходового логического вентиля ИЛИНЕ: 1 — исток; 2 — инжектор; 3 — сток; 4, 4' — затворы; 5 — проекция обедненной области.

На рис. д.5.10 приведено одно из возможных конструктивных ре­ шений ИПЛ элемента — двухвходового логического элемента ИЛИ-НЕ.

Здесь области истока и стока подключены соответственно к об­ щей шине и выходу логического элемента. Входной сигнал подается на затворы элемента, расположенные между стоком и истоком на расстоянии, не превышающем удвоенной ширины ОПЗ /?-п-перехода затвор-исток в равновесном состоянии (границы области объемного заряда показаны пунктирной линией).

Существенным достоинством этой конструкции является малая площадь р-п-переходов при сравнительно больших топологических размерах.

Энергия единичного переключения определяется выражением:

где АС/ — логический перепад; Сзи^ Сзс — барьерные емкости р-п- переходов затвор-исток и затвор-сток; а — коэффициент передачи тока инжектора; In — ток источника питания.

144 Дополнение

Если допустить, что удельные значения барьерных емкостей р-п переходов затвор-исток Сзи и затвор-сток Сзс равны, то

(Д.5.2)

Вых

Рис . д . 5 . 10 . ФИЭ второго уровня интеграции на диэлектрической подложке.

Нагрузочная способность ИПЛ элемента определяется выраже­ нием:

где: С/«о», C/«i» — напряжения логического «О» и логической «1», R^ — сопротивление канала полевого транзистора в открытом состоянии,

д.5. Схемотехника логических вентилей на токовых ключах

Зпзс — удельное значение начального тока перехода затвор-сток, фт — температурный потенциал.

Как видно из формул, основные характеристики ИПЛ-элемента в значительной мере определяются величинами площадей j9-n-nepe- ходов. Поэтому является весьма актуальным применение средств и методов, обеспечивающих уменьшение размеров приборов. Кро­ ме чисто количественного выигрыша в параметрах приборов дан­ ная конструкция позволяет реализовать новые качественные воз­ можности. Например, появляется возможность обеспечить полную структурно-технологическую совместимость ИПЛ схем с КМОП схе­ мами. Это делает целесообразным построение высокоэффективных комбинированных СБИС с интерфейсными схемами на КМОП эле­ ментах и внутренними схемами на ИПЛ элементах. Такое сочетание различного рода элементов целесообразно с точки зрения повыше­ ния плотности компоновки, уменьшения рассеиваемой мощности и повышения быстродействия.

Использование структур с диэлектрической изоляцией дает воз­ можность реализовать симметричную, с взаимозаменяемыми исто­ ком и стоком, полностью изолированную структуру полевого тран­ зистора. Это обстоятельство обеспечивает использование всего ар­ сенала схемотехнических цифровых средств р^ля построения СБИС.

Недостатком ИПЛ элемента является сравнительно низкое бы­ стродействие, обусловленное зарядом и разрядом диффузионной и барьерной емкостей р-п-переходов малыми токами (порядка 10~^ А).

Дальнейшего повышения быстродействия интегральных логиче­ ских ИПЛ типа можно достичь посредством выполнения затворов переключательного элемента и коллекторов биполярного нагрузоч­ ного транзистора в виде неинжектируюпщх вьшрямляюпщх контактов. Предложенное конструктивное решение иллюстрируется рис. Д.5.11.

В этих конструкциях затворные области полевого переключа­ тельного элемента выполнены в виде неинжектирующих выпрямля­ ющих контактов, способных только коллектировать неосновные но­ сители заряда, инжектированные эмиттерами горизонтального на­ грузочного БТ.

Д.5.3. Быстродействие и энергетика токовых ключей.

В вентилях типа переключателей тока от источника питания по­ требляется постоянный ток /, неизменный J\ля всех стационарных состояний и переходных процессов. Поэтому скорость потребления энергии в них является величиной постоянной.

146Дополнение

Ввентилях с инжекционным питанием уровень f7«o» определятся падением напряжения, создаваемым током источника питания на сопротивлении коллектора биполярного транзистора и определяется выражением:

где Is — начальный ток перехода инжектор-база р-п-р-транзисто­ ра, Rk — сопротивление коллектора п-р-п-транзистора, а — коэф­ фициент передачи тока р-п-р-транзистора.

/777

±

Р и с . д . 5 . 1 1 . Двухвходовые ИПЛ-вентили с затвором Шоттки.

Уровень С/«о» в стационарном состоянии поддерживается откры­ тым состоянием переключателя п-^э-гг-транзистора предыдущего кас­ када, которое обеспечивается потреблением тока питания, втекаю­ щего в его базу.

Следовательно, р^ля предоставления информации в данном ста­ ционарном режиме требуется потребление энергии от источника со

д.5. Схемотехника логических вентилей на токовых ключах

скоростью, определяемой выражением:

Нетрудно показать, что д^ля поддержания уровня U«i» и предста­ вления информации в другом стационарном состоянии требуется такая же мощность Р^^ = Рст- ^ обоих стационарных состояниях энергия, поставляемая источником питания, полностью термализуется в вентилях на паразитных резистивностях (входном сопроти­ влении, сопротивлении коллектора п-р~ п-транзистора в открытом состоянии, соединениях и т.п.)

Во время переходных процессов при открывании и закрывании вентиля с инжекционным питанием, когда и происходит собствен­ но производство информации, ток и напряжение питания остаются постоянными. Поэтому остается постоянной и мощность, то есть

В вентилях ЭСЛ типа от источника питания потребляется не­ изменный ток /. В зависимости от входного сигнала этот ток в стационарных состояниях протекает через один из транзисторов дифференциальной пары и создает падение напряжения на резисто­ ре, подключенном к коллектору этого транзистора. Таким образом формируется и поддерживается напряжение С/«ь> на одном из вы­ ходов ЭСЛ вентиля. При этом от источника питания потребляется энергия со скоростью:

^ст ~ ^п ' ^ •

В другом стационарном состоянии при смене входного воздей­ ствия на противоположное постоянный ток / протекает через дру­ гой транзистор дифференциальной пары, а в коллекторной цепи первого транзистора ток отсутствует и на выходе, подключенном к его коллектору, имеет место напряжение С/«о». Но от источника питания продолжает потребляться ток той же самой величины и, следовательно, потребляется такое же количество энергии. И в этом стационарном состоянии энергия потребляется с той же скоростью

•^ ст. -^ cm,'

Во время переходных процессов при производстве информации токи через транзисторы дифференциальной пары в сумме продол­ жают составлять постоянную величину и, следовательно, скорость потребления энергии от источника питания остается постоянной.

148 Дополнение

Для ЭСЛ вентиля вся энергия, поставляемая источником пита­ ния, полностью рассеивается на нагрузочных резисторах и паразит­ ных резистивных схемах.

Таким образом, J\ля вентилей типа переключателей тока является характерным при низких частотах независимость мощности от часто­ ты переключения, то есть от скорости производства информации.

Абсолютные значения мощности определяются величинами на­ пряжения тока питания. С точки зрения экономии энергии напряже­ ние питания должно быть возможно меньшей величины. Но умень­ шение величины напряжения питания влечет за собой уменьшение величины тока, что в свою очередь увеличивает время зарядки пара­ зитных емкостей и, в конечном счете, увеличение времен задержек переключения вентиля и уменьшение предельной рабочей частоты. Таким образом, экономия энергии входит в противоречие со ско­ ростью производства информации в цифровых вентилях данного типа. Кроме этого имеются и другие факторы, ограничивающие уменьшение величины мощности.

Например, в вентилях типа И^Л при уменьшении напряжения питания всего на 60 мВ ток питания уменьшается в десять раз. Пре­ доставляются таким образом широкие возможности варьирования мощности и затрат энергии при производстве информации. Однако, уменьшение тока коллектора биполярного п-р-п-транзистора, кото­ рый используется в качестве переключателя в И^Л вентиле, вызыва­ ет, начиная с некоторого достаточно малого тока, падение коэффи­ циента усиления по току. Этот эффект влечет за собой уменьшение нагрузочной способности вентиля и, в конечном счете, нарушение его работоспособности. Тем не менее, вентили И^Л-типа способны функционировать при напряжениях питания (О, 7-0,4) В и в широ­ ком диапазоне токов (10"'^ -10~^) А. В этом заключается их замеча­ тельные энергетические особенности.

С точки зрения энергетики ЭСЛ вентили являются самыми за­ тратными потому, что они предназначены р^ля максимальной ско­ рости производства информации. С этой целью величина напряже­ ния питания, параметры компонентов схемы (транзисторов и ре­ зисторов) выбираются таким образом, чтобы обеспечить макси­ мальное значение токов при отсутствии насыщения транзисторовпереключателей. Для достижения максимального быстродействия используется и дорогостоящие технологические методы минимиза­ ции величин паразитных емкостей. При высоких значениях токов и малых значениях паразитных емкостей достигаются малые зна-