ЛЕКЦИЯ №6

Потенциальные системы элементов.

План:

1. Униполярный транзистор с индуцированным каналом.

2. Элементы на МДП – транзисторах.

3. Интегральные схемы на КМДП – транзисторах.

Ключевые слова:

Униполярный транзистор, МДП – транзистор с индуцированным каналом, использование МДП – транзистора в качестве резистора, комплементарные МДП – транзисторы.

Элементы на МДП – транзисторах.

Наряду с элементами на биполярных транзисторах в микроэлектронике используются схемы на униполярных (полевых) транзисторах.

Биполярные транзисторы представляют собой комбинацию двух р-n– переходов, работают на основе инжекции и переноса не основных носителей, для чего в рабочем состоянии один из р-n–переходов смещается в прямом, а другой в обратном направлении.

Принцип же действия полевых транзисторов основан на перемещении основных носителей, и в корне отличается от биполярного.

Биполярный транзистор управляется током, а полевой транзистор – прибор управляемый напряжением.

Наибольшее распространение получили полевые транзисторы, изготовляемые на технологии металла окисей полупроводников (МОП). Поскольку окисел играет роль диэлектрика, их называют МДП – элементами.

В элементах ЭВМ чаще используются структура МДП – транзисторы и индуцированным каналом. В простейшем n-типа выглядит следующим образом:

Основу структуры составляет высокоомная подложка p-типа, в которой путем диффузии формируется две низкоомные области n-типа. Затем на подложку наносится слой диэлектрика, через окна в котором к областям n-типа присоединены 2 металлических контакта: исток (И) и сток (С), через которые прибор соединен к источнику питания.

Поверх слоя диэлектрика между областями n-типа наносится слой металла, образующий управляющий электрод – затвор (З).

Наиболее просто представить работу МДП – транзистора с индуцированным каналом при рассмотрении конденсатора, верхняя обкладка которого – затвор, нижняя – полупроводник p-типа, лежащий между И и С n–типа.

Если на З подается, «+» напряжение, то в п/п р-типа индуцируется «–» заряд. С увеличением «+И» на 3, «–» заряд также увеличивается и это приводит к тому, что в рабочей области между И и С формируется п/п с проводимостью p-типа.

В результате сопротивление между И и С уменьшается, а следовательно увеличивается ток между И и С. Таким образом сопротивление канала, а следовательно и ток между И и С является функцией напряжения, приложенного к З.

И – соответствует – Э

С – соответствует – К

З – соответствует – Б

МДП – транзисторы бывают с каналом (проводимостью) n-типа и p-типа, которые управляются положительным и отрицательным сигналами.

У МДП – транзисторов есть, четвертый электрод – подложка (П), присоединяемый обычно к И или С.

Режим насыщения I_с позволяет использовать МДП – транзистор в схемах логических элементов аналогично биполярным транзисторам.

Отличительной особенностью МДП – транзисторов является возможность их подключения в качестве резисторов нагрузки, когда транзистор открывается напряжением смещения на затворе.

Исполнение МДП–транзистора в качестве резистора.

Логический элемент «И–ИЛИ–НЕ».

Последовательное соединение МДП транзисторов образуют элемент «И». Логика работы не зависит от типа МДП транзисторов. От этого зависит лишь полярность питания и сигналов в схеме.

Наибольшее распространение получили элементы на МДП – транзисторах со связанными истоками.

Логическая схема на МДП транзисторах одного типа проводимости.

Транзисторы Т₁÷Т₃ являются инверторами входных сигналов х₁÷х₃. Их стоки объединены и подсоединены к Т₄, выполняющему роль нагрузки. Выходной сигнал с Т₄ подается непосредственно на Т₇, а также предварительно инвертируется с помощью Т₅ и подается на Т₈ через нагрузку Т₆. Таким образом Т₅÷Т₈ представляет собой выходной парафазный усилитель, не выполняющий логической функции и необходимый лишь для увеличения К_разв и быстрого перезаряда емкости в нагрузке.

Достоинства МДП транзисторов:

– высокое входное сопротивление;

– малые размеры и высокая технологичность;

– возможность использования МДП – транзисторов в качестве нагрузки, что обеспечивает однофазность ИС.

– высокая помехоустойчивость (2÷6 В, по сравнению с 0,6 В для биполярных);

– малая мощность рассеяния;

– один источник питания, обеспечивающий простоту схемы;

– способность пропускать ток в обоих направлениях;

– устойчивость к нейтронному радиационному воздействию.

Недостатки:

– большое пороговое напряжение и высокое напряжение питания;

– невысокое быстродействие.

Схемы транзисторов p-типа дешевые и технологичнее, а схемы n-типа – более быстродействующие (в 8-10 раз) и не уступают ТТЛ (они обеспечивают меньшую мощность рассеяния и более высокую плотность компоновки по сравнению с ТТЛ).

Технологичность и невысокая стоимость схем на МДП – транзисторах делают их особенно перспективными в случае изготовления устройств в виде БИС.

ИС на комплементарных МДП – транзисторах (КМОП, КМДП)

Использование взаимодополняющих (комплементарных) МДП – транзисторов в схемотехнике ИС открывает новые возможности повышения их эффективности.

Если объединить затворы и стоки двух транзисторов p- и n-типа, то получится инверторный каскад, рассеивающий в любом статическом состоянии нулевую мощность.

Это объясняется тем, что постоянный ток через него проходить не может (исключение токи утечки через закрытый транзистор).

Действительно, положительный потенциал +U_ип на входе схемы открывает нижний n-типа МДП – транзистор и закрывает верхний p-типа МДП – транзистор. Нулевой потенциал открывает верхний и закрывает нижний.

Динамическая мощность рассеяния у этих схем на порядок ниже, чем у схем с одним видом проводимости, и определяется током I, проходящим через схему во время ее переключения. Она зависит от емкости нагрузки С_и, частоты работы схемы f и напряжения питания U_ип.

Свойства КМДП – схем:

– логические уровни у схемы равны: нижний – «0», верхний – U_ип. Последний сигнал на выходе равен напряжению питания;

– помехозащищённость по «0» определяется напряжением отпирания нижнего транзистора U_отп.n, по «1» определяется U_отп.p;

– работоспособность схемы не зависит от напряжения питания, начиная со значения U_ип ≥ 2U_отп, т.е. схема может работать при весьма больших разбросах по питанию, если его начальный уровень выбран с запасом.

Недостатки КМДП ИС:

– технологическая сложность;

– высокое напряжение питания.

Базовым принципом схемотехники логических элементов на МДП – транзисторах является организация схем, обеспечивающая отсутствие постоянного тока через схему при любой комбинации входных сигналов.

Вопросы для контроля:

1. Чем управляются униполярные транзисторы?

2. Каковы основные преимущества МДП – транзисторов?

3. В чем отличие комплементарных МДП – транзисторов от МДП – транзисторов?

4. Каковы недостатки КМДП – структур?

Литература:

1. Схемотехника ЭВМ. Учебник для ВУЗов под редакцией Соловьева Г.Н. – М.; Высш.шк., 1985, с.45-47.

2. Угрюмов Е.П. Проектирование элементов и узлов ЭВМ – М.; Высш.шк., 1987, с.38-41.

3. Микропроцессоры т.2/ Под редакцией М.Н.Преснухина – М.; Высш.шк., 1986, с.87-94.