Тема 1. Базовые полупроводниковые приборы и логические элементы.

Конспект лекционных занятий

Тема 1. Базовые полупроводниковые приборы и логические элементы.

Интегральные схемы, изготавливаемые на основе полупроводниковой технологии, широко применяются в современных электронных устройствах для выполнения различных функций, основными из которых являются: обработка и преобразования электрических сигналов, задаваемых в виде напряжения или тока. Электрические сигналы могут представлять собой информацию в аналоговой или цифровой форме. Интегральные схемы, выполняющие обработку этой информации, называются соответственно аналоговыми или цифровыми.

По типу основного активного компонента различаются биполярные ИС (на биполярных транзисторах) и МДП ИС (на МДП-транзисторах). Биполярные ИС, как правило, характеризуются высоким быстродействием и большой потребляемой мощностью. Процесс изготовления их весьма сложен и требует применения кристаллов большой площади. В этом отношении МДП-структуры являются их противоположностью. Именно поэтому в СБИС более широкое применение находят МДП-транзисторы. Таким образом, в тех случаях, когда требуется высокое быстродействие применяются ИС на биполярных транзисторах, а когда к схеме не предъявляются особые требования в отношении быстродействия, тогда применяются МДП ИС, которые обеспечивают сравнительно малую потребляемую мощность и имеют низкую стоимость.

Цифровыми ИС называются микросхемы, предназначенные для преобразования и обработки сигналов, представленных в двоичном или другом цифровом коде. Цифровые ИС разрабатываются и выпускаются сериями. Серия представляет собой комплект ИС, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение. В состав серий цифровых ИС наряду с простейшими логическими элементами, триггерными, комбинационными и последовательностными схемами, реализующими функции: хранения, шифрования, дешифрования, мультиплексирования, подсчёта и распределения импульсов и т. д., входят также микросхемы, представляющие собой целые узлы и блоки арифметических и запоминающих устройств.

В настоящее время наиболее широкое применение в цифровой вычислительной технике получили серии биполярных ИС ТТЛ, ЭСЛ и ИИЛ, а также схемы на основе nМОП-транзисторов и КМДП (комплементарных МДП)-структур.

Современная технология позволяет изготавливать сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), содержащие десятки миллионов элементов, которые широко применяются в цифровых вычислительных устройствах и системах для выполнения самых сложных операций обработки и преобразования информации. При этом практически любые сложные операции преобразования и обработки в конечном счете сводятся к простейшим операциям НЕ, И - НЕ, ИЛИ - НЕ и т. д., выполняемым логическими элементами. Основные электрические параметры этих ЛЭ определяют характеристики более сложных по уровню интеграции и функциональному назначению ИС, входящих в состав серии. Параметры ЛЭ, которые делятся на статические и динамические, позволяют сравнивать между собой ИС различных типов и серий и определяют возможности их совместной работы в составе одной аппаратуры.

К основным статическим параметрам относятся:

- входные и выходные напряжения логического 0 и логической 1 (U⁰_вх, U¹_вх, U⁰_вых, U¹_вых);

- входные и выходные пороговые напряжения логического 0 и логической 1 (U⁰_{вх п}, U¹_{вх п}, U⁰_{вых п}, U¹_{вых п});

- входные и выходные токи логического 0 и логической 1 (I⁰_вх, I¹_вх, I⁰_вых, I¹_вых);

- помехоустойчивость;

- нагрузочная способность;

- потребляемая мощность.

Логические элементы при работе в составе цифрового устройства могут находиться либо в статическом режиме, который характеризуется одним из двух состояний («0» или «1»), либо в стадии переключения. Обычно ЛЭ, выполненные по биполярной схемотехнологии, потребляют в основном мощность в статическом режиме, которая лишь незначительно увеличивается в динамическом режиме. Другие, например КМДП-элементы, наоборот характеризуются очень незначительной мощностью в статическом режиме и некоторым увеличением её во время переходных процессов.

Динамические параметры характеризуют быстродействие ЛЭ и к ним относятся t^1,0 и t^0,1 – длительности, соответственно, отрицательного (спадающего) и положительного (нарастающего) фронтов выходного сигнала; t^1,0_{зд р} и t^0,1_{зд р} – задержки распространения сигнала при включении и выключении, соответственно; t_и – длительность входного импульса; f_p – рабочая частота.

Условные обозначения интегральных микросхем по принятой системе [4] обозначения ИС состоят из четырёх элементов:

– первый элемент – это цифра, соответствующая конструктивно-технологическому исполнению микросхемы;

– второй элемент – две или три цифры, обозначающие порядковый номер серии ИС от 00 до 99 или от 000 до 999;

– третий элемент – две буквы, соответствующие подгруппе и виду по характеру выполняемых ИС функций;

– четвёртый элемент – порядковый номер разработки ИС по функциональному признаку в данной серии.

Первые два элемента определяют номер серии ИС. Буквы К, КМ, КР в начале условного обозначения микросхем характеризуют условия их приёмки на заводе-изготовителе и особенности конструктивного исполнения. Например, обозначение ИС КР1533ЛА3 означает, что данная микросхема находит широкое применение в цифровых устройствах (К), изготовлена в пластмассовом корпусе (Р) и на основе полупроводниковой технологии (1) и выполняет логическую функцию

И – НЕ, имеет порядковый номер в данной серии, равный 3.

Микросхемы на основе транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) широко применяются для построения различных цифровых устройств современных ЭВМ. Существует несколько разновидностей ИС ТТЛ (TTL), наиболее распространенными среди них являются микросхемы ТТЛ серии К155(и их функциональные аналоги серий SN74, разработанные фирмой Texas Instruments), К531(SN74S), КР1531(SN74F), КМ555(SN74LS) и КР1533(SN74ALS). Буквы Н, L и S в обозначе-ниях функциональных аналогов характеризуют: H – повышенное быстродействие; L – малую по-требляемую мощность; S – наличие в структурах транзисторов Шоттки.

Схемотехнически почти все логические элементы, входящие в состав указанных серий, могут быть получены комбинированием двух базовых схем: логического элемента (ЛЭ) И – НЕ (рис.1, а) и расширителя по ИЛИ (рис. 1, б). ЛЭ И – НЕ совместно с расширителем по ИЛИ образует логический элемент И – ИЛИ – НЕ. Присоединяя расширитель к точкам 1 и 2 (рис.1, а), можно увеличить число объединений по логическому входу ИЛИ. Для всех серий ИС ТТЛ, имеющих возможность расширения по ИЛИ, максимальное число объединений равно 8. Сравнительно невысокие входные и большие выходные токи обеспечивают хорошее согласование элементов между собой и большую нагрузочную способность (n 10).

Рассмотрим состав и назначение компонентов схемы ЛЭ ТТЛ стандартной серии К155 (рис.1, а). Схема элемента состоит из следующих каскадов:

– входного каскада, состоящего из многоэмиттерного транзистора (МЭТ) Т₀ с малым инверсным коэффициентом усиления по току, и резистора R₀;

– фазоразделительного каскада, построенного на транзисторе Т₁, резисторе R₁ и корректирующей цепи, состоящего из резисторов R₂ и R₃ и транзистора Т₄;

– двухтактного выходного каскада, выполненного на транзисторах Т₂ и Т₃, резисторе R₄ и диоде D₀.

а) б)

Рис. 1. Схемы базового логического элемента ТТЛ серии К155 (а) и логического расширителя по ИЛИ (б)

Входной каскад с МЭТ Т₀ и резистором R₀ реализует логическую функцию И в случае прямых сигналов (положительной логики), когда логической единице (лог. 1) соответствует высокий уровень сигнала, а логическому нулю (лог. 0) – низкий. В случае инверсных сигналов (отрицательной логики), когда лог. 1 представляется низким уровнем сигнала, а лог. 0 – высоким, МЭТ Т₀ вместе с R₀ реализуют функцию ИЛИ. К эмиттерам МЭТ Т₀ присоединены демпфирующие диоды D₁ и D₂, которые предназначены для ограничения импульсов напряжения помехи отрицательной полярности.

Корректирующая цепь R₁, R₂ и Т₄ улучшает форму передаточной характеристики (приближая ее к прямоугольной) и тем самым повышает помехоустойчивость ЛЭ в состоянии логической 1.

Фазоразделительный каскад обеспечивает управляющие сигналы для противофазного переключения транзисторов Т₂ и Т₃ выходного каскада. Диод D₀ обеспечивает смещение уровня открывания транзистора Т₃ и надежное запирание его на тот момент, когда Т₂ открыт. Для ограничения сквозного импульсного тока в выходном каскаде, например, во время выключения схемы, когда транзистор Т₂ еще находится в режиме насыщения, а транзистор Т₃ уже открылся, в коллекторную цепь Т₃ включают резистор R₄. Величину сопротивления R₄ в быстродействующих элементах ТТЛ выбирают порядка 100 Ом, а в элементах с малой потребляемой мощностью R₄ = 300 Ом.

В ИС ТТЛ стандартной серии К155 используются обычные транзисторы, которые в прово-дящем состоянии находятся в режиме насыщения, что приводит при выключении элемента к дополнительной задержке, связанной с рассасыванием избыточного заряда и, следовательно, к снижению быстродействия. Для повышения быстродействия ИС ТТЛ серии К531, К555, К1531 и К1533 в них вместо обычных транзисторов используются транзисторы Шоттки, которые не входят в режим насыщения.

Кроме отмеченных выше схем элементов ТТЛ в цифровой схемотехнике широко применяются также схемы ТТЛ с тремя состояниями и ТТЛ с открытым коллекторным выходом, для согласования с нагрузками специального типа (лампой накаливания, светодиодом и др,)

Элементы эмиттерно-связанной логики(ЭСЛ).

Применение ИС ЭСЛ в качестве элементной базы целесообразно при разработке высокопроизводительных цифровых устройств и менее эффективно при проектировании устройств невысокого быстродействия. Последнее объясняется повышенной потребляемой мощностью элементов ЭСЛ ИС, что является их главным недостатком.

Основными достоинствами элементов ЭСЛ являются: очень высокое быстродействие, большая нагрузочная способность, высокая стабильность динамических параметров при изменении рабочей температуры и напряжения питания, способность работать на низкоомные согласованные линии связи и нагрузки, хорошая относительная помехоустойчивость.

Из числа разработанных цифровых ЭСЛ ИС наибольшее распространение получили микросхемы серии К500 и К1500, которые являются функциональными аналогами микросхем МС 10000 и F100K.

Микросхемы серии К500 выпускаются в пластмассовом и керамическом корпусах со штыревыми выводами, а микросхемы серии К1500 конструктивно изготавливаются в основном в керамических корпусах с планарным расположением выводов. Схема базового элемента ЭСЛ серии К500, которая показана на рис. 2 состоит из трех частей: токового переключателя (ТП), выходных эмиттерных повторителей (ЭП) и цепи источника опорного напряжения (ИОН). Обычно элементы ЭСЛ имеют два или три входа. Увеличение числа входов приводит к повышению входной паразитной емкости и, как следствие, к снижению быстродействия.

ТП построен на транзисторах Т₀, Т₁ и Т₂ и резисторах R_Э, R_К1 и R_К2. Основу ТП составляет дифференциальный усилитель, работающий в ключевом режиме, при этом транзисторы Т₀, Т₁ и Т₂ не входят в режим насыщения. ТП служит для усиления входных сигналов, обеспечения требуемой помехоустойчивости элемента, формирования парафазных (прямого и инверсного) выходных сигналов и реализации логических функций на этих выходах.

а) б)

Рис. 2. Схема базового элемента ЭСЛ серии К500 а) и ее условное обозначение б)

Выходные эмиттерные повторители, построенные на транзисторах Т₄ и Т₅, предназначены для усиления выходных сигналов по мощности (по току) и смещения уровней сигналов ТП по напряжению для обеспечения совместимости элементов ЭСЛ по уровням входных и выходных сигналов. Кроме того, ЭП, благодаря малому выходному сопротивлению, обеспечивает требуемую нагрузочную способность (n) при работе на линии связи с волновым сопротивлением 50 Ом. Типовые значения n для элементов ЭСЛ достаточно велики и составляют n= 10–20.

Цепь ИОН, выполненная на транзисторе Т₃, резисторах R₁–R₃ и термокомпенсирующих диодах D₁ и D₂, предназначена для формирования опорного напряжения И_оп, которое подается на базу транзистора Т₀. Обычно одна цепь ИОН обеспечивает опорным напряжением несколь-ко (до 5–10) элементов ЭСЛ, размещенных на одном кристалле. Диоды D₁ и D₂ обеспечивают стабильность тока через резистор R_Э и, следовательно, стабильность уровней выходного на-пряжения элемента ЭСЛ при изменении температуры в рабочем диапазоне. Коллекторные цепи ЭСЛ ИС заземлены, что обеспечивает меньшую зависимость уровней выходных напря-жений от наводок по цепи питания и, как следствие, лучшую помехоустойчивость, что осо-бенно важно для схем с малым логическим перепадом. С целью получения возможности организации монтажной логики на выходе элемента ЭСЛ нагрузочные резисторы ЭП R_Н1 и R_Н2 (с сопротивлениями 50, 75 и 100 Ом) вынесены за пределы микросхемы. Для уменьшения потребляемой мощности резисторы R_Н1 и R_Н2 подключены к дополнительному источнику напряжения Е₂ = –2 В. Для расширения логических возможностей элементов ЭСЛ используются различные схемотехнические приемы. Например, одноименные выходы двух или более микросхем элементов ЭСЛ объединяются на одном нагрузочном резисторе R_н. При отрицательной логике такое монтажное объединение, называемое эмиттерным объединением, обеспечивает реализацию функции “И”. При объединении прямых выходов схем элементов ЭСЛ получается расширение функции “И”, выполняемое в две ступени, т. е. увеличивается число входов элемента И, а при объединении инверсных выходов получается функция “И – ИЛИ – НЕ”.

Элементы на МДП-транзисторах. В МДП (металл – диэлектрик – полупроводник)-транзисторах роль диэлектрика выполняет двуокись кремния SiO₂, поэтому эти транзисторы также обозначают аббревиатурой МОП (металл – окисел – полупроводник). Широкое применение нашли МОП-транзисторы с изолированным затвором, которые бывают двух типов:

– с встроенным каналом (транзистор обедненного типа), при отсутствии напряжения на затворе U_з имеет проводящий канал;

– с индуцированным каналом (транзистор обогащенного типа), канал закрыт, если U_з = 0.

МОП-транзистор характеризуется очень большим входным сопротивлением (10¹⁴ Ом), и, следовательно, малым входным током. Поэтому такой транзистор управляется не током (как биполярный транзистор), а напряжением.

В цифровых интегральных схемах наибольшее применение нашли МОП-транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом. В зависимости от типа проводимости канала различают pМОП- и nМОП-транзисторы (транзисторы с каналами p- и n-типов проводимости, соответственно). На их основе строятся элементы pМОП-, nМОП- и комплементарные МОП (КМОП)-интегральные схемы, реализующие различные логические функции. Схемы этих элементов по сравнению с биполярными ИС ТТЛ и ЭСЛ конструктивно просты, более технологичны, имеют более высокую помехоустойчивость и малую мощность потребления, а также занимают гораздо меньшую площадь на кристалле полупроводника. Однако их быстродействие существенно меньше. МОП-схемы допускают более широкий диапазон питающих напряжений.

Рассмотрим принципы построения и работы базовых логических элементов (ЛЭ) на основе nМОП-транзисторов, имеющих более высокое быстродействие, чем pМОП-транзисторы, при равенстве других их параметров (при одинаковых их возможностях по другим параметрам).

На рис. 3 приведены электрические схемы двухвходовых ЛЭ, реализующих логические функции И - НЕ и ИЛИ - НЕ. В этих схемах, использующих положительное напряжение стокового питания, сигналу логической 1 соответствует высокий уровень, а логическому 0 – низкий уровень положительного напряжения. Обе схемы содержат по три транзистора, один из которых – Т₀ выполняет роль нагрузки, а Т₁ и Т₂ являются переключательными транзисторами, реализующими логические функции. В схеме ЛЭ, выполненного на основе nМОП-транзисторов (рис. 3, а), и реализующего функцию И - НЕ, ключевые транзисторы Т₁ и Т₂ соединены последовательно. Поэтому для появления на выходе схемы напряжения низкого уровня на затворы транзисторов Т₁ и Т₂ необходимо подать напряжение высокого уровня. Таким образом, при наличии сигналов логической 1 на обоих входах элемента И - НЕ на ее выходе будет сигнал логического 0.

Максимальное число переключательных транзисторов (коэффициент объединения по входу m_и) обычно не превышает 4. Увеличение числа входных ключевых транзисторов в схемах И - НЕ усложняет топологию, снижает степень интеграции и помехоустойчивость за счет увеличения уровня напряжения логического 0.

В схеме ИЛИ - НЕ (рис. 3, б) транзисторы Т₁ и Т₂ включены параллельно, поэтому при подаче хотя бы на один из входов схемы сигнала логической 1 на ее выходе будет сформирован сигнал логического 0.

Коэффициент объединения по входу m_или равен 10. Объясняется это тем, что у схемы ИЛИ - НЕ число m_или ограничивается только снижением уровня «1» за счет падения напряжения на выходе схемы от суммарного тока утечки в цепях сток – исток входных транзисторов. Так как этот ток очень мал, m_или имеет сравнительно высокое значение. Благодаря высокому входному сопротивлению и существенно малому значению тока утечки МОП-транзисторов цифровые ИС, построенные на их основе, имеют высокую нагрузочную способность (n= 10–20).

Комплементарная МОП (КМОП)-структура представляет собой схему инвертора (рис. 3, в), составленную из МОП-транзисторов разного типа проводимости. Подложка транзистора n-типа проводимости Т₁ подключена к нулевому потенциалу (к земле), подложка транзистора p-типа Т₂ – к положительному источнику питания, а затворы обоих транзисторов объединены и являются входами схемы. КМОП-элементы выгодно отличаются от элементов nМОП малой мощностью потребления в статическом режиме (единицы и менее мкВТ), относительно высоким быстродействием, высокой нагрузочной способностью (n 15–20) и хорошей помехоустойчивостью за счет большего перепада уровней сигналов лог. 1 и лог. 0 (низкий уровень ближе к нулю, высокий – к напряжению питания). В статическом режиме мощность определяется величиной напряжения питания и токами утечки закрытого транзистора, которые очень малы. Мощность, потребляемая КМОП ИС, расходуется в основном во время переходного процесса на заряд паразитных емкостей нагрузки C_н.

Для реализации И – НЕ используется последовательное включение nМОП-транзисторов и параллельное включение pМОП-транзисторов. Для реализации функции ИЛИ – НЕ параллельно включаются nМОП-транзисторы, а последовательно – pМОП-транзисторы. Кроме того, затворы каждой пары транзисторов nМОП и pМОП, образующих КМОП-структуру, соединяются между собой и являются входами элементов КМОП. Обычно коэффициент объединения по входу элементов КМОП не превышает 4 (m 4). Сравнение элементов КМОП И – НЕ и ИЛИ – НЕ с аналогичными nМОП элементами показывает, что при реализации одних и тех же функций в элементах КМОП используется большее число транзисторов, что можно считать их недостатком.

а) б) (в)

Рис. 3. Схемы ЛЭ И – НЕ (а) и ИЛИ – НЕ (б) на nМОП-транзисторах и схема КМОП элемента(в)

Однако сверхмалая потребляемая мощность и высокое быстродействие обеспечивают хорошее применение элементов КМОП, особенно в разработках сверхбольших интегральных схем.

Основная литература

1[15:37], 2[9:15], 3[632:645]..

Дополнительная литература

5[47:70].

Контрольные вопросы

1. Какую функцию для положительной логики выполняет базовый элемент ТТЛ ИС серии К531?

2. Перечислите наиболее распространенные серии ТТЛ ИС.

3. Какие функции реализуются на выходах (при отрицательной логике) базового элемента ЭСЛ ИС серии К500?

4. Из каких условно частей состоит базовый элемент ЭСЛ ИС серии К500?

5. Как включены (при положительной логике) переключательные транзисторы в nМДП ЛЭ И –НЕ и ИЛИ –НЕ?

6. Перечислите достоинства КМОП логических элементов по сравнению с nМОП логическими элементами?