|
| |
|
Главная Журналы кой единицы потребление энергии чрезвычайно мало, так как через закрытые транзисторы протекают только токи утечки. Рассеиваемая инвертором мощность пропорциональна частоте переключения f, емкости нагрузки Сн и квадрату напряжения источника питания Uxm: Pcp=fCaUan. Эффективным средством уменьшения Рср являетси сниже-
Въых, %л 1/ъ ЛОр/7 •---и* иРис. 5.2.10. Передаточные характеристики КМДП-инвертора ние напряжения источника литания п, уровень которого ограничивается условиями 3 пор 71 Зпорр <яп при одновременном выполнении условия У 3 пор rt 3 пор р >- Минимальные уровни У 3 „„р „ - пор р определяются возможностями технологии (обеспечение повторяемых параметров в процессе производства) и допустимой помехоустойчивостью. Параметры интегральных схем на взаимодополняющих МДП-транзисторах характеризуются малой чувствительностью к достаточно большим колебаниям напряжения источники питания Уип, в пределах которых соблюдаются условия: зпорп + + t3noPP >-°; ип>/з„ор„ ; 1/„п>зпорр- Снижение требований к стабильности выходного напряжения источников питания позволяет упростить их конструкцию, снизить массу и габариты. Применение инверторов на взаимодополняющих МДП-транзисторах позволяет реализовать БИС с высокой помехоустойчивостью и малым потреблением энергии.. Однако ИС на взаимодополняющих МДП-транзисторах характеризуются также более сложной технологией, большими габаритами и стоимостью по сравнению со схемами на однотипных МДП-транзисторах. Размеры логических элементов увеличиваются за счет применения изолирующих н каналоограничи-вающих областей. Применение сапфировых подложек снимает все проблемы, связанные с изоляцией элементов, и позволяет в 2-3 раза повысить плотность компоновки и быстродействие ИС на взаимодополняющих МДП-транзисторах. § 5.3. Микросхемы с функционально-интегрированными элементами При создании БИС на биполярных транзисторах остро встают такие проблемы, как уменьшение площади, занимаемой отдельными элементами, количества элементов, устранение изоляции элементов, занимающей большую площадь кристалла, упрощение си- стемы коммутации для существенного уменьшения количества коммутационных проводников и контактных площадок. Одним из путей решения вышеуказанных проблем является использование новых принципов построения внутренней структуры логических элементов БИС. Например, применение так называемых функционально-интегрированных элементов позволяет перейти от простой интеграции (объединения) элементов на единой полупроводниковой подложке к структурному объединению (совмещению) однотипных полупроводниковых областей различных элементов микросхемы. Широко используется совмещение областей транзисторов, диодов, резисторов. Резисторы могут быть изготовлены на основе материала коллекторных или базовых областей транзисторной структуры. Поэтому в микросхемах применяют два вида совмещения областей транзисторов и резисторов: областей коллекторов с резисторами и областей баз с резисторами. В конструкции триггера, изображенной на рис. 5.3.1, нагрузочные резисторы ,R1, R2 совмещены с коллекторами транзисторов 2-1-  Рис, 5.3.1. Схема (а) и конструкция (б) триггера, в которой совме,„ены кол лекторы ключевых транзисторов с нагрзочными резисторами и базами тан- зисторов связи VTl, VT2 соответственно. Эти элементы сформированы.в изолированных прямоугольных областях эпитаксиального слоя п-типа Для уменьшения поперечного сечения резисторов R1, R2 п-области «пережаты» диффузионными р-областями, соединенными поверху с разделительными р+-областями. Добавление ёсего лишь двух р-областеи с контактами позволяет реализовать вертикаль- 8* . 227 ные р-л-р-транзисторы связи VT1" и VT2". Таким образом, в рассматриваемой конструкции совмещаются коллекторные /г-обла-?™JPa«3HCTopoB VT1, VT2, базовые области транзисторов VT1", VIJ и резистивные области резисторов Ц1, R2. Коллекторные области р-/г-р-транзисторов УТГ, VT2" совмещены с р-область№ подложки. Прим ер конструкции, в которой базовые р-области транзисторов совмещены с нагрузочными диффузионными резисторами противоположных плеч триггера, показа.ч на рис. 5.3.2. Здесь база г г  Рис. 5.3.2. Схема (о) и конструкция (б) триггера, в которой совмещены базовые области транзисторов с нагрузочными резисторами транзистора VTI совмещена с резистором R2 и анодом нагрузочного диода VDI, который применяется для создания нелинейной нагрузки. Эти совмещенные элементы, сосредоточенные в изолированной /г-области, на схеме рис. 5.3.2, а заштрихованы. Диоды VDI и VD2 образованы участками р-л-переходов, которые расположены в областях контактов для подключения источника питания t/iin- Для приконтактных р- и л-областей характерна максимальная разность потенциалов при протекании тока через резистор открытого плеча. Открывающийся участок р-л-перехода шунтирует нагрузочный резистор. Наибольшее распространение в БИС среднего быстродействия получили совмещенные транзисторные структуры с инжекцион-ньш питанием. На основе этих структур строят логические элементы интегральной инжекционной логики (ИЛ) и инжекционно-по-левой логики (ИПЛ). Использование совмещенных транзистор- НЫХ структур позволяет отказаться от применения специальных видов изоляции элементов и существенно повысить плотность компоновки БИС. В ИЛ-элементах совмещаются однотипные области л-р-л-и р-л-р-транзисторов. На рис. 5.3.3, а изображено поперечное сечение совмещенной транзисторной структуры с горизонтальным инжектором, в которой совмещаются области вертикального (поперечного) п-р-п- и горизонтального (продольного) р-п-р-транзисторов: эмиттер вертикального инверсно включенного л~р-л-транзистора Лэ1 (рис. 5.3.3, в) совмещен с базой Лег гори-  TffZ Рис. 5.3.3. Поперечные сечения совмещенной транзисторной структуры с горизонтальным инжектором (о), продольного р-и-р-транзистора (б) и поперечного л-р-л-транзистора (в) зонтального р-л-р-транзистора (рис. 5.3.3, б), база poi вертикального л-р-л-транзистора (рис. 5.3.3, в) совмещена с коллектором рк2 горизонтального р-л-р-транзистора (рис. 5.3.3, б). Схема структуры, соответствующая вышеуказанному объединению областей транзисторов, показана на рис. 5.3.4, а. Рис. 5.3.4. Упрощенные схемы совме щенных транзисторных структур с инжекционным питанием В схемах, построенных на основе совмещенных транзисторных структур, продольный р-л-р-транзистор выполняет роль активной нагрузки. В упрощенной схеме структуры (рис. 5.3.4, б) р-л-р-транзистор, включенный по схеме с общей базой, заменен генератором тока /р. .Эмиттер р-л-р-транзистора получил название «инжектор», потому что при положительном смещении он инжектирует дырки в Область базы Лб2 структуры, которые экстрагируются коллектором р-л-р-транзистора. Этот дырочный ток является током источника питания баз или коллекторов ключевых л-р-л-транзи-сторов (см. рис. 5.3.6), поэтому микросхемы, построенные на основе рассматриваемых структур, называются интегральными схемами с инжекционным питанием. Для совмещенных транзисторных структур с инжекционным питанием, применяемых в логических устройствах, характерно два граничных режима работы: база Б замкнута (рис. 5.3.5, а); база Б разомкнута (рис. 5.3.5, б). На схеме рис. 5.3.5, а роль ключа Кл для (т+1)-й структуры выполняет ключевой л-р-л-транзи-стор т-й структуры (см. рис. 5.3.6). в %к /1л\ Рнс. 5.3.5. Иллюстра- я/t/f \ff t/ дня двух граничных 4i"VHHrt режимов работы совмещенной транзисторной структуры в логических устройствах: а - база Б замкну» та; б -база Б ра-ffj зомкнута При работе совмещенной транзисторной структуры в режиме короткозамкнутой базы Б (рис. 5.3.5, а) ключевой транзистор заперт (ток коллектора /к~0), так как эмиттерный переход имеет нулевое смещение. Из базы Б вытекает ток 1 , равный дырочному току коллектора р-л-р-транзистора в режиме короткозамкнуто-го выхода, когда t/Pg ?кО; где aPjv - нормальный коэффициент передачи тока р-л-р-транзистора; /ия - ток инжектора. При разомкнутой базе Б (рис. 5.3.5, б) дырочный ток, втекающий в базу рб1 со стороны инжектора, является внутренним базовым током /ggg вертикального л-р-л-транзистора, который обеспечивает его открытое состояние (режим насыщения). Коллекторный ток структуры равен  нзяг Рнс. 5.3.6. Типовая схема последовательного соединения совмещенных транзисторных структур (а} и согласование их выходных и входных характеристик (6} рде В»ст i - инверсный коэффициент усиления тока базы вертикального л-р-л-транзистора; /Сгин =o,nB"ct i=lKUm - коэффициент использования тока инжектора. На рис. 5.3.6, а показана типовая схема последовательного (цепочного) соединения структур с инжекционным питанием в логических устройствах. Входная характеристика (т--1)-й структуры является нагрузочной характеристикой т-й структуры. На рис. 5.3.6, б совмещены выходные и входная характеристики соответственно т-й и (т-Н1)-й структур. Точка / соответствует режиму насыщения, а точка 2 - режиму отсечки т-й структуры. Коллекторный ток ш-й структуры в режиме насыщения /кнаст равен входному току {т+\)-й структуры в режиме отсечки (коротко-замкнутая база): /кнаст=аРлг/ин (m+u- Для гарантированного переключения нагрузки должно выполняться условие насыщения коллектора т-й структуры: < При одинаковых токах инжекторов /ив щ =/ин(т-ьп приведенное выще условие сводится к виду Б"от1>1. Необходимое значение В"ст / обеспечивается выбором структуры и топологии ключевого п-р-л-транзистора (см. § 4.2). Нагруженная совмещенная транзисторная структура с инжекционным питанием выполняет элементарную логическую операцию НЕ. Для разветвления выхода инвертора применяют многоколлекторные структуры с инжекционным питанием (рис. 5.3.7). На основе двухколлекторных инверторов можно построить RS-триггер) (рис. 5.3.8), в котором коллекторы К12, К21 совместно с базами Рис. 5.3.7. Поперечное сечение (а) н схема (б) многоколлекторной совмещенной транзисторной структуры с горизонтальным инжектором А- В КГ кг КЗ ин \ i*! I jL lAl LJ ~i "I" ffo- -0/2 KS   Swxf BuxZ a) Рнс. 5.3.8. Топология (a) и схема (б) RS-трнггера, построенного иа основе совмещенных транзисторных структур 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 [ 37 ] 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||