3.3 Логические элементы бис с инжекционным питанием.

Логические элементы этого типа были разработаны специально для применения в цифровых БИС и не имеют аналогов среди ЛЭ на дискретных транзисторах. В БИС с инжекционным питанием электрическое питание осуществляется путем инжекции неравновесных неосновных носителей в полупроводниковый кристалл через специальный p-n переход, называемый инжекторным.

Логические элементы БИС с инжекционным питанием получили широкое распространение, крайне неудачное название – интегральная инжекционная логика (И²Л). Корректнее было бы использовать термин «логика с инжекционным питанием». В конструкциях БИС с инжекционным питанием используются сложные биполярные структуры, в которых совмещаются области многоколлекторных транзисторов типов n-p-n и p-n-p. Поэтому для элементов И²Л не существуют принципиальные электрические схемы – их работа описывается с помощью эквивалентных схем.

На рис. 3.14 а, б показаны вид сверху части кристалла БИС, содержащей четыре ЛЭ, и поперечный разрез А – А соответственно. Кристалл БИС создают по изопланарной технологии. Структура содержит подложку 1n+ типа, эмиттерный слой 2 n-типа, базовые области 3-p типа, коллекторные области 4 n+-типа, инжекторную область 5p-типа, и разделительные области 6 из диоксид кремния. Общий контакт к эмиттерным областям многих ЛЭ делают через подложку n+-типа. К базовой, коллекторным и инжекторной областям создают омические контакты, обозначенные соответственно Б, К, И.

Базовый вывод служит входом ЛЭ, а коллекторные выводы – его выходами. В рассматриваемом примере все ЛЭ имеют по два выхода. Обычно число выходов n = 1...4. источник питания подключают к выводам инжектора (плюс) и эмиттера (общая шина).

Эквивалентная схема двух последовательно соединенных ЛЭ представлена на рис.3.15. она содержит один двухколлекторный транзистор VT_T типа p-n-p, эмиттер которого включен в цепь питания через токозадающий резистор R_и. Последний показан штриховыми линиями, чтобы подчеркнуть, что он не входит в эквивалентную схему ЛЭ и является общим для всего кристалла БИС. Транзистор VT_T называют токозадающим. Он моделирует часть структуры ЛЭ, содержащую инжекторную область 5 (эмиттер VT_T ), базовую область 3(коллектор VT_T) и часть эмиттерного слоя, расположенную межу областями 5 и 3 (база VT_T). Расстояние от инжектора 5 до базы 3 должно быть значительно меньше диффузионной длины дырок у поверхности эмиттерного слоя, чтобы перечисленные области образовывали горизонтальный p-n-p транзистор с достаточно высоким коэффициентом передачи _Nт. В общем случае токозадающий транзистор является многоколлекторным: число коллекторов определяется числом ЛЭ, имеющих общую инжекторную область, и может доходить до нескольких сотен.

Транзистор VT_T задает постоянные токи в базы транзисторов VT_n1, VT_n2 типа n-p-n, равные _NтI_и, где I_и– ток инжектора, приходящийся на один ЛЭ (см. рис.3.15). Транзистор VT_п называют переключательным. Он моделирует часть структуры ЛЭ (см. рис. 3.14),содержащую эмиттерный слой 2 (эмиттер VT_п ), базовую область 3 (база VT_п) и коллекторные области4 (коллекторы VT_п). Транзистор типа n-p-n является вертикальным. Он отличается от обычных n-p-n транзисторов (см гл. 2), тем, что включен инверсно: его эмиттером служит нижний высокоомный слой n-типаn (коллектор обычных транзисторов), а коллекторами области 4, которые в обычных (многоэмиттерных) транзисторах являются эмиттерами. Переключательные транзисторы в модели ЛЭ включены по схеме с ОЭ, а токозадающий по схеме с общей базой (ОБ).

Термин инжекционное питание означает, что электрическая энергия, необходимая для работы ЛЭ, вводится в кристалл за счет инжекции неравновесных дырок в эмиттерную область из инжектора через инжекторный p-n переход. Это переход смещают в прямом направлении. Напряжение на инжекторном переходе составляет 0,7...0,8В (приТ=25С). Дырки, инжектированные в эмиттерную область, движутся в ней к базовой области за счет диффузии. Их движение создает внутренний базовый ток переключательного транзистора, равный _NтI_и. Таким образом, токозадающий транзистор VT_T моделирует эффект инжекционного питания. Его коэффициент передачи _Nт определяет коэффициент полезного действия цепи питания (для структуры на рис. 3.14 _Nт =0,5...0,6).

Поскольку транзистор VT_T задает постоянные коллекторные токи _NтI_и, его можно заменить двумя генераторами тока. Тогда получим упрощенную эквивалентную схему двух последовательно соединенных ЛЭ, показанную на рис. 3. 16. Токи I_г одинаковы и равны _NтI_и. Поясним принцип работы ЛЭ, используя рис. 3.16.

Если на входе ЛЭ1 напряжение U_вх1=U⁰ (для упрощения можно положитьU⁰ 0), то ток I_г этого элемента ответвляется во внешнюю цепь, ток базы транзистора VT_n1 равен нулю – он закрыт. Поскольку коллекторный ток транзистора VT_n1 равен нулю, то весь ток I_г генератора токаЛЭ2 течет в базу транзистора VT_n2 – транзистор открыт. Току I_г, протекающему через эмиттерный переход транзистора VT_n2, соответствует прямое напряжение база – эмиттер, равное 0,5...0,7 В (в зависимости от значения I_г). Такое же напряжение будет и на коллекторе VT_n1, т. е. на выходе ЛЭ1. Это напряжение соответствует напряжению U₁. Следовательно при U_вх1=U⁰ на выходе ЛЭ1 получаем U_вых1=U¹.

Рассмотрим второе состояние ЛЭ1, когда его входная цепь разомкнута, т. е. вход подключен к коллектору выключенного транзистора VT_п предыдущего ЛЭ (на рис. 3.16 не показан). В этом состоянии ток I_г генератора тока ЛЭ1 втекает в базу транзистора VT_n1, напряжение на его базе равно U¹. Транзистор открыт, ток в его коллекторной цепи равен I_г (он вытекает из входа ЛЭ2). Следовательно для транзистора VT_п1 I_Б= I_к = I_г. При достаточно большом коэффициенте передачи _Nп  1 выполняется условие насыщения I_Б  I_к/_Nп и транзистор находится в режиме насыщения. На его коллекторе (выходе ЛЭ1) устанавливается напряжение U⁰ 0,02В. Значит при U_вх1=U¹ на выходе ЛЭ1 U_вых1=U⁰. Аналогичные рассуждения справедливы и для второго выхода ЛЭ1, если к нему подключен нагрузочный ЛЭ. Таким образом, рассматриваемый элемент выполняет логическую операцию инверсии по всем выходам. Условное графическое обозначение инвертора с двумя выходами приведено на рис. 3.17.

Разделительные области 6 устраняют паразитную связь между базами переключательных транзисторов соседних ЛЭ (например, ЛЭ1 и ЛЭ3 на рис. 3. 14,а), обусловленную инжекцией дырок в эмиттерный слой в режиме насыщения.

Если соединить выходы нескольких инверторов, например двух (I и II на рис. 3.18), и подключить к точке соединения О нагрузочный инвертор III, то в этой точке будет реализовываться логическая функция ИЛИ-НЕ F=A+B относительно входных переменных А и В. Действительно, уровень U⁰ появится в точке О, когда либо U_вх1=U¹ (А=1) и U_вх2=U⁰ (В=0), либо U_вх2= U¹(В=1) и U_вх1= U⁰(А=0), либо U_вх1= U_вх2 =U¹ (А=В=1). Уровень U¹ (со входа элемента III) появится в точке О лишь в случае, когда U_вх1= U_вх2 =U⁰ (А=В=0).

Логический элемент с n выходами представляет собой многоэлектродный биполярный транзистор, содержащий n+2 взаимодействующих p-n переходов: инжекторный, эмиттерный и n коллекторных p-n переходов. Анализ модели Эберса-Молла для многоэлектродного транзистора показал, что ее можно свести к известной модели трехэлектродного транзистора, характеристики которой по одному из коллекторов совпадают с характеристиками модели много электродного транзистора. Для двухколлекторного транзистора влияние инжектора и второго коллектора учитывается с помощью тока генератора в цепи базы (см. рис. 3.16)

I_г = _Nт I_и+ (1-_Iп) I_К2 (3.11)

и эквивалентных параметров

_Nэк=_Nп/1+(1 -_Iп) _Nп; (3.12)

I_{Э0 эк}= I_Э0 (1+_Nп)/ (1+2_Nп). (3.13)

Здесь _п = I_К/ I_Б= (_Nп /(1-2_Nп)- коэффициент передачи переключательного транзистора в схеме с ОЭ; _Iп – инверсный коэффициент передачи того же транзистора в схеме с ОБ; I_Э0 – тепловой обратный ток эмиттерного p-n перехода. При измерении _Nп - на инжекторный и второй коллекторный переходы подаются обратные напряжения. Величина _Nт I_и в (3.11) имеет смысл тока дырок, прошедших без рекомбинации от инжектора до базы, поэтому она непосредственно складывается с внешним базовым током I_Б (см. рис. 3.16).

Ток I_К2 в (3.11) считается положительным, если он втекает во второй коллектор. Положительные значения тока I_К2 могут быть только при I_Б  0 или I_И  0, они ограничены значением тока, соответствующим границе активного режима и режима насыщения по второму коллектору.

Используя выражения (3.11) – (3.13) и известные формулы для статических характеристик обычного транзистора (3), можно получить аналитические выражения для всех характеристик двухколлекторного транзистора и ЛЭ.

На рис. 3.19 приведены входные характеристики U_БЭ=f(I_Б) при заданном токе инжектора и Т = 25С. Для I_и =0 форма ВАХ такая же, как для обычного транзистора в схеме с ОЭ. При I_и0 характеристика, сохраняя форму, сдвигается влево по оси тока базы на _Nт I_и. Для ЛЭ рабочая область характеристик соответствует I_Б 0. Значение U_БЭ при I_Б=0 и заданном токе инжектора определяет напряжение U¹.

Для рассмотренной структуры ЛЭ (см. рис. 3.14) характерны низкие значения коэффициента передачи _Nп переключательного транзистора, что обусловлено, прежде всего, его инверсным включением. Концентрация примесей в эмиттерной области 2 невелика, так как она создается на основе эпитаксиального слоя n-типа. Поэтому при прямом напряжении через эмиттерный p-n переход кроме полезного тока инжекции электронов в активные области базы, расположенные под коллекторами, течет значительный ток встречной инжекции из баз в эмиттер, уменьшающий коэффициент инжекции эмиттерного p-n перехода. Кроме того, часть электронов инжектируется из эмиттера не в активные, а в пассивные области базы, расположенные, например, между коллекторами и под базовым контактом. Эти электроны рекомбинируют в пассивной базе, на ее поверхности, на базовом контакте и не достигают коллекторов. По этим причинам значения _Nп невелики, и даже для одноколлекторных транзисторов _Nп =5...10.