Инжекционная интегральная схемотехника

Изобретение в 1972 г. элементов интегральной инжекционной логики (И²Л) явилось результатом работ по совершенствованию БИС на биполярных транзисторах. Для построения микросхем И²Л используется базовая структура, показанная на рис. 5.17а. Области p₁-n₁-p₂ образуют горизонтальный транзистор p-n-p-типа, а области n₂-p₂-n₁ – вертикальный транзистор n-p-n-типа. Горизонтальный транзистор VT1 выполняет функции инжектора дырок из эмиттерной области p₁ в область n₁, служащую одновременно базой этого транзистора и эмиттером вертикального транзистора VT2. Инжектированные в область n₁ дырки собираются расположенными вокруг эмиттерной области p₁ областями p₂, являющимися одновременно коллекторами горизонтального и базами вертикальных транзисторов. Вертикальные транзисторы имеют по несколько коллекторов, образуемых областями n₂. Подложка n₁⁺, являясь конструктивной основой ИМС, объединяет эмиттеры всех вертикальных транзисторов. При этом отпадает необходимость в изоляции отдельных элементов друг от друга, что приводит к существенному уменьшению площади, занимаемой элементом, и повышению коэффициента интеграции.

Рисунок 5.17 Принцип действия элемента И²Л

Схема замещения рассмотренной структуры приведена на рис. 5.17б. Питание инжектора осуществляется от источника напряжения Еип через токозадающий резистор R_И, который не входит в эквивалентную схему ЛЭ и является общим для всего кристалла БИС. Возможно также питание от внешнего источника тока или путем облучения поверхности кристалла. Транзистор VT1 типа p-n-p называют токозадающим: он задает ток базы переключательного транзистора VT2 и токи баз других переключательных транзисторов, имеющих общую инжекторную область. В общем случае токозадающий транзистор VT1 является многоколлекторным, количество которых может доходить до нескольких сотен. Если ключевой транзистор предыдущего элемента (VT0) насыщен, то напряжение на эмиттерном переходе транзистора VT2 (U_БЭ2) снижается примерно до 50 мВ и коллекторный ток I_К транзистора VT1 течет через насыщенный транзистор VT0. При этом транзистор VT2 оказывается закрытым и на его коллекторах устанавливаются напряжения высокого уровня. Если ключевой транзистор VT0 заперт, то напряжение на его коллекторе возрастает до уровня, ограниченного напряжением отпирания эмиттерного перехода ключевого транзистора VT2. Этот уровень у транзисторов И²Л составляет 0,6…0,75 В. Ток I_К транзистора VT1 потечет в базу транзистора VT2, вводя его в режим насыщения. На коллекторах транзистора VT2, подключенных ко входам аналогичного элемента, образуются напряжения низкого уровня порядка 50 мВ. Таким образом, рассмотренный базовый ЛЭ И²Л реализует операцию НЕ с уровнями напряжений в ПЛ U¹=0,6…0,75 В, U⁰=0,05 В и логическим перепадом U_Л=0,55…0,65 В. Число выходов такого элемента равно числу коллекторов переключательного транзистора. Условное графическое обозначение инвертора с двумя выходами показано на рис. 5.17в.

Параллельное соединение выходов нескольких инверторов позволяет получить элемент ИЛИ-НЕ в ПЛ, либо элемент И-НЕ в ОЛ. При этом не происходит нарушения нормального электрического режима. Параллельное соединение баз транзисторов не разрешается с целью исключения неравномерного распределения токов между несколькими переключательными транзисторами.

Элементы И²Л могут работать с очень малыми токами, причем быстродействие элементов растет с увеличением силы потребляемого тока. Эта особенность позволяет получать требуемое быстродействие без разработки каких-либо модификаций элементов И²Л, поскольку нужное быстродействие можно получить с помощью изменения режима работы.

Из-за отсутствия резисторов и наличия общих для обоих транзисторов областей p и n схемы элементов И²Л в 1,5…2 раза технологичнее схем элементов ТТЛ и занимают меньшую площадь на кристалле. Плотность элементов И²Л может в 50 раз превышать плотность элементов ТТЛ. Низкое напряжение питания (порядка 1,5 В), малые логические перепады и малые паразитные емкости (обусловленные малыми размерами элементов) позволили уменьшить энергию переключения до долей пикоджоуля (у стандартного элемента ТТЛ А=100 пДж).

Малые уровни сигналов и существенно отличающиеся по значениям выходные сопротивления для состояний логического 0 и 1 делают неперспективным применение элементов И²Л в схемах малой и средней степени интеграции, т.к. при этом очень трудно обеспечить надежную передачу сигналов по внешним линиям связи без использования специальных буферных элементов. Поэтому элементы И²Л ориентированы на реализацию только в БИС или СБИС.