Технология производства цифровых микросхем

В настоящее время для производства цифровых интегральных схем используются следующие основные технологические базисы [6]: транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ); ТТЛ с диодами Шоттки (ТТЛШ); маломощная ТТЛШ (МТТЛШ); инжекционная интегральная логика (И²Л) и ее различные варианты (И³Л, ИШЛ и т.д.); p-канальная МОП-технология (p-МОП); n-канальная МОП-технология (n-МОП); комплементарная МОП-технология (КМОП); эмиттерно-связанная технология (ЭСЛ).

Рассмотрим основные схемотехнические особенности распространенных технологий производства цифровых микросхем.

Электрическая принципиальная схема стандартного ТТЛ-вентиля кроме обычных n-p-n транзисторов содержит один многоэмиттерный транзистор, с помощью которого реализуется необходимая входная логическая функция. Напряжение питания вентиля 50,5 В. Стандартные уровни выходных сигналов U₀0,4 В, U₁2,4 В. По ТТЛ-технологии реализованы ИС серий К133, К134, К155.

Электрическая принципиальная схема стандартного ТТЛШ-вентиля, отличается от предыдущей применением диодов и транзисторов с барьером Шоттки. По сравнению с обычным ТТЛ, ТТЛШ-вентиль обеспечивает приблизительно вдвое меньшие задержки включения и выключения за счет использования ненасыщенного режима работы транзисторов, а также несколько меньшую мощность потребления и обладает в 1,5-2 раза меньшей площадью. Напряжение питания и стандартные входные-выходные напряжения ТТЛШ-вентиля унифицированы с аналогичными параметрами обычного ТТЛ-вентиля.

По ТТЛШ технологии реализованы ИС и БИС серий К533, К555, К589, К585, К1802, К1804 и др.

Электрическая принципиальная схема И²Л-вентиля содержит p-n-p транзистор, играющий роль генератора тока (инжектора) и многоколлекторный n-p-n транзистор, выполняющий функцию инвертора. Диапазон размаха логического сигнала И²Л-вентиля лежит в пределах 0,2-0,8 В, поэтому для сопряжения И²Л БИС с ТТЛ-схемами используются специальные входные и выходные каскады.

Стандартные И²Л-вентили имеют широкий диапазон рабочих токов питания, при этом их быстродействие прямо пропорционально току инжекции. По сравнению с ТТЛШ И²Л-технология обеспечивает приблизительно в десять раз большую степень интеграции БИС при меньшем (в 2-3 раза) быстродействии. В настоящее время развиваются многочисленные разновидности И²Л-технологии, такие, как изопланарная И²Л (И³Л) и инжекционная Шоттки (ИШЛ)-логика. На основе И²Л-технологии реализованы БИС серий К582, К583, К584, КА1808, К1815.

Различают электрические схемы МОП инверторов р-типа и n-типа.

р-МОП вентили имеют небольшую площадь, но обладают малым быстродействием (время переключения более 0,1 мкс). В настоящее время р-МОП-технология практически не используется в новых разработках. Ранее по ней разрабатывались БИС серий К145, К536, К1814.

Для работы n-МОП-инвертора необходимо подать напряжение питания U_CC=(50,25) В и напряжение смещения подложки U_BC=(2,40,2) В. Входные и выходные напряжения n-МОП БИС обычно обеспечивают прямое сопряжение с ТТЛ-схемами. Площадь n-МОП-вентиля в два раза меньше, чем у р-МОП и в 5-7 раз меньше, чем у ТТЛ-вентиля. Быстродействие в 4-10 раз меньше, чем у ТТЛ-схем. По n-МОП-технологии разработаны комплекты БИС серий К145, К580, К581, К586, К1801 и др.

В состав КМОП-инвертора входят два транзистора разного типа проводимости. КМОП-вентиль потребляет энергию только в процессе переключения и имеет очень высокую помехоустойчивость. Амплитуда помехи может составлять до 40% от напряжения питания ИС. На основе КМОП-технологии реализованы ИС серии К564, К561 и К1564.

Электрическая принципиальная схема ЭСЛ-вентиля обладает самым большим быстродействием, но занимает самую большую площадь и потребляет большую, чем у всех остальных вентилей, мощность. ЭСЛ-вентили возможно использовать совместно с ТТЛ-схемами только при наличии специальных схем сопряжения.

Сравнительный анализ различных технологий ИС приведен в таблице 1. Из нее следует, что n-МОП, КМОП, ТТЛШ, И³Л и ЭСЛ являются наиболее перспективными. Каждая из технологий имеет свои преимущества:

1. КМОП и И³Л позволяют строить микромощные системы;

2. n-МОП имеют высокую плотность компоновки и низкую стоимость ИС;

3. ЭСЛ - максимальное быстродействие;

4. ТТЛШ - высокое быстродействие при высокой степени интеграции.