Вводый курс цифровой электроники (К.Фрике, 2003)

160 Дополнение

Сопротивления каналов Ri транзисторов прямо пропорциональ­ но ширине затвора, поэтому для уменьшения времени заряда Сп на каждой ступени необходимо увеличивать ширину затворов. Но при этом будет возрастать входная емкость Ci и возрастать время, необхо­ димое для отпирания транзисторов. Поэтому при заданном Т суш;ествует оптимальное число ступеней Nonm^ определяемое выражением:

где m = 3, Т — заданное время зарядки, Тср — среднее значение постоянной времени входной цепи транзисторов.

Величина Тср определяется выражением:

Общее количество энергии, диссипированной при разряде и за­ ряде Сп, будет определяться по формуле:

При оптимальном количестве ступеней Л^опт (Д'6.12) значение количества энергии, диссипированной при заряде и разряде Сп^ бу­ дет определяться выражением:

где: S — площадь, Ig — удельное значение тока насыщения, NA — концентрация акцепторной примеси. No — концентрация допорной примеси, щ — собственная концентрация носителей заряда, Dn — коэффициент диффузии электронов, Dp — коэффициент диффузии дырок, Тп — время жизни электронов, Тр — время жизни дырок.

График вольт-амперной характеристики приведен на рис. Д.7.2. Поскольку вольт-амперная характеристика проходит через четвер­ тый квадрант, это означает, что прибор служит источником энер­ гии. При соответствующем подборе нагрузочного сопротивления R^ вырабатываемая энергия может достигать 80% произведения /кз • Vxx {1кэ — ток короткого замыкания, Vxx — напряжение холо­ стого хода элементов).

1 и

Рис. Д.7.2. Вольт-ампернал характеристикар-п-перехода: 1—неосвещен­ ного; 2 — освещенного.

Из уравнения (Д.7.1) получаем, что напряжение холостого хода при RL = ОС равно

(Д.7.3)

q \is

Следовательно, при заданном токе II напряжения холостого хо­ да возрастает логарифмически при уменьшении тока насыщения Ig- Выходная мощность равна

Дополнение

Максимальная выходная мощность определяется выражением

Величина Em соответствует максимальной энергии, которая вы­ деляется на нагрузке при поглощении одного фотона и при опти­ мальном согласовании элемента с внешней цепью.

Минимальное значение Ig А^ля Si при 300 К составляет приблизи­ тельно 10~^^А/см^.

Идеальная эффективность преобразования равна отношению мак­ симальной выходной мощности к мощности падающего излучения

Максимальная эффективность оказывается равной 30% и дости­ гается при Eg = 1,35эВ, если использовать параметры материала, характерные для полупроводников типа А^^^В^.

Кривая зависимости эффективности преобразования от шири­ ны запрещенной зоны имеет широкий диапазон, в пределах которо­ го она слабо зависит от Eg, Поэтому все полупроводники, которые имеют ширину запрещенной зоны от 1 до 2 эВ пригодны для созда­ ния интегральных цифровых схем с питанием от излучения.

Значение мощности падающего излучения определяется мощно­ стью источника света, состоянием окружающей среды, взаимным расположением приемника (поверхности интегральной схемы) и ис­ точника (искусственного или естественного).

При использовании солнечного света характерными значениями интенсивности излучения являются интенсивность в свободном про­ странстве, равная 1353 Вт/м^, на поверхности Земли — 925Вт/м^ (когда Солнце стоит в зените), на поверхности Земли — 691 Вт/м^ (при угле 60° к горизонту).

Для эффективного использования света д^ля непосредственного питания интегральных цифровых схем можно использовать оптиче­ ски сконцентрированное излучение. Солнечный свет можно сфоку­ сировать до 844кВт/см^ (интенсивность 1000 Солнц).

ДЛ. Вентили с нетрадиционной организацией энергопитания

Из изложенного выше ясно, что р-п-переход (или диод Шоттки), являясь преобразователем энергии излучения, может служить генератором тока в цепях питания цифровых вентилей. При этом такой источник питания может обеспечить приемлемую скорость поставки энергии для производства информации.

Вых Вых Вых Вых

Р и с . д . 7 . 3 . Электрические схемы инверторов с питанием от излучения: а) И^Л типа, б) ИПЛ типа, в) ИПС вариант; г) п-МОП типа.

Д.7.2. Схемотехнические и структурно-топологические решения базовых логических вентилей, питающихся излучением

На рис. Д.7.3 приведены электрические схемы простейших логиче­ ских вентилей с нетрадиционной организацией цепи питания. В от­ личии от классических вариантов И^Л в этих вентилях функцию ге­ нератора тока выполняет не р-п-р-биполярный транзистор, а облу­ чаемый диод. Все эти вентили имеют общий принцип действия, ко­ торый заключается в следующем. Ионизирующее изучение, напри­ мер, солнечный свет, через поверхность интегральной схемы про­ никает в объем полупроводника и поглощается в нем. При этом квантами света генерируются электронно-дырочные пары. Часть носителей заряда, сгенерированных на расстоянии, не превышаю­ щем диффузионную длину, достигает р-п-переходов (эмиттер-база и коллектор-база для ВТ, и затвор-сток и затвор-исток для ПТУП). В электронно-дырочных переходах происходит их разделение и под­ хваченные полем дырки переходят в р-область, а электроны оста­ ются в п-области. Вместе с ростом концентрации носителей заряда возрастает создаваемое ими электрическое поле, направленное про­ тив встроенного поля перехода. Возникшее поле будет препятство­ вать переходу дырок в р-область. Вместе с тем по мере возрастания этого поля возникнет обратное движение дырок в п-область, а элек-

166 Дополнение

тронов — в р-область. Как известно, генерированные светом дыр­ ки являются неосновными для п-области, а в р-области неосновными носителями заряда являются электроны. Следовательно, встроенное поле перехода способствует перемещению неосновных носителей в противоположные области, а возникшее поле способствует переме­ щению основных носителей.

Состояние равновесия наступит тогда, когда потоки носителей заряда, проходящие через переход в обоих направлениях, не ста­ нут равными. В это время между электродами р-п-перехода устана­ вливается некоторая разность потенциалов, называемая фото-ЭДС. Таким образом, р-п-переход непосредственно преобразует энергию света в электрическую энергию.

И^Л с питанием от излучения. Приведенная на рис. Д.7.3 а) схема инвертора воплощается в интегральную структуру на рис. Д.7.4. Особенностью интегрального воплощения данного варианта логиче­ ской схемы является совмещение диода — преобразователя энергии излучения в электрическую энергию с j9-п-переходом 1 эмиттер-база переключательного биполярного транзистора п-р-п-типа. Такое ис­ полнение цепи питания не требует дополнительной площади на по­ верхности кристалла и позволяет достигнуть высокой плотности компоновки еще и потому, что на поверхности нет традиционных шин питания и общей шины (роль которой выполняет п+ подлож­ ка). Простота конструкции обеспечивает и малооперационную тех­ нологию изготовления интегральных схем данного типа. Как видно из рис. Д.7.4, в структуре имеются также р-п-переходы 2, которые могут в принципе выполнять функции диодов — преобразователей энергии. Однако их вклад в в ток питания незначителен из-за вы­ соких уровней легирования коллекторов и базы. Сгенерированные квантами света электронно-дырочные пары в областях базы и кол­ лектора в большинстве своем не достигают области объемного за­ ряда р-п-перехода, где происходит их разделение и не вносят вклада в фототок, поскольку эта диффузионная область является нерекомпрессированной, и носители заряда имеют в ней малую диффузион­ ную длину.

Основной вклад в фототок дает нижняя область р-п-перехода, находящаяся в нескомпенисрованной эпитаксиальной пленке. При этом в верхней диффузионной области поглощается значительное количество квантов света.

В интегральной структуре используется, так называемый, ин­ версный транзистор (эмиттером служит подложка 3, а коллекто-

ДЛ. Вентили с нетрадиционной организацией энергопитания

ром — верхние п+ диффузионные области). Инверсный транзистор имеет существенные недостатки: коэффициент усиления составляет несколько единиц, его быстродействие сравнительно невелико изза эффекта накопления избыточного заряда в базовой и эмиттерной областях в режиме насыщения. Первый недостаток определяет особенности структуры и схемотехники логических схем. Для логи­ ческих схем данного класса является характерным использование многоколлекторных структур (см. рис. Д.7.4) и минимальная нагру­ зочная способность. Каждый коллектор-выход соединяется только с одной базой-входом последующего каскада. Типичная схемная кон­ фигурация приведена на рис. Д.7.5. В схемах широко используется простейший логический элемент «монтажное И». Второй недостаток И^Л схем — сравнительно низкое быстродействие (время задержки переключения составляет сотни наносекунд).

Рис. д . 7 . 4 . Разрез структуры многоколлекторного И^Л-элeмeнтa: 1 — пе­ реход бс1за-эмиттер; 2 — коллектор; 3 — эмиттер.

ИПЛ вентили с питанием от излучения. Электрическая схема ИПЛ инвертора (рис. Д.7.3 б)) содержит нормально закрытый ПТУП, к истоку и затвору которого подключен р-п-переход, пре­ образующий энергию излучения в электрический ток (рис. Д.7.6 а)). Роль такого преобразователя может выполнять переход затвор-ис­ ток полевого транзистора. В отличие от большинства известных схем в ИПЛ схемах переключающие полевые транзисторы работа­ ют в режиме прямого смещения переход затвор-исток. При нуле­ вом смещении на затворе канал полевого транзистора должен быть перекрыт обедненными областями перехода затвор-исток, обусло­ вленными контактной разностью потенциалов между затвором и истоком. При положительном смещении на затворе ширина обеднен-

168 Дополнение

ных областей уменьшается, что вызывает уменьшение сопротивле­ ния канала. При этом имеет место инжекция неосновных носителей заряда из области затвора в исток.

ю(А+В)С

^ ' — "^ ' —

Р и с . Д.7.5. Типичная схемная конфигурация И Л с питанием от света.

Прямое смеш;ение на переходе затвор-исток полевого транзисто­ ра в ИПЛ инверторе создается при освеш;ении р-п-перехода — пре­ образователя энергии. Также как и в инжекционных схемах, питае­ мых излучением, каждый из ИПЛ инверторов снабжен источником тока — преобразуюш;им J9-n-пepexoдoм. Распределенный характер источника питания, функционально интегрированного с переключа- юищмж транзисторами, способствует повышению эффективности преобразования энергии излучения, а также повышению надежно­ сти ИПЛ схем.

Диод — преобразователь можно рассматривать как эквивалент­ ную нагрузку переключаюп];его полевого транзистора. Известно, что при освеп1;ении р-п-перехода его вольт-амперная характеристи­ ка (рис. Д.7.6б)) смеп],ается по оси токов на величину, равную фо­ тотоку Jp

где JG — ток затвора, JGO — начальный ток перехода затвор-исток, UGS ~ смеш;ение на переходе затвор-исток, тфт — эффективный температурный потенциал {т = 1... 2).

Сопоставление вольт-амперных характеристик освеп];енного р- п-перехода и полевого транзистора (рис. Д.7.6) позволяет опреде­ лить логические уровни и область работоспособности ИПЛ схемы. Как видно из рис. Д.7.6 величина минимального фототока, обес-

печивающая работоспособность ИПЛ инвертора, определяется на­ чальным током стока при нулевом смещении на затворе

С увеличением фототока логический перепад возрастает и до­ стигает максимума, а затем начинает уменьшаться. Уменьшение ло­ гического перепада при больших значениях фототока объясняется увеличением крутизны нагрузочной характеристики. Анализ нагру­ зочной и выходной вольт-амперной характеристик ИПЛ инвертора показывает, что логические перепады не превышают напряжения холостого хода на освещенном р-п-переходе и составляют десятки и сотни милливольт.

Конструктивно интегральный ИПЛ инвертор выполняется в ви­ де ПТУП с вертикальным каналом. Роль преобразователя энергии вьшолняет переход затвор—исток (рис. Д.7.7а)). Описанную структу­ ру можно создать, например, путем диффузии бора и фосфора в мо­ нокристаллическую подложку п-типа. В отличие от инжекционных схем, питаемых излучением, для ИПЛ схем необходима не низкоомная, а высокоомная подложка. Удельное сопротивление подложки определяется шириной канала полевого транзистора. Действитель­ но, из условия перекрытия канала с шириной 2а при нулевом смеш;е- нии на затворе для модели транзистора с резкими р-п переходами получаем следующее выражение для расчета концентрации доноров в подложке:

qa"^

где q — заряд электрона, s — диэлектричекая проницаемость полу-