Интегральные логические элементы на униполярных транзисторах

В интегральной схемотехнике применяются как биполярные, так и униполярные транзисторы (под полярностью понимается тип проводимости). Если биполярный транзистор состоит из двух переходов разных типов проводимости (p-n и n-p) и работают на основе инжекции и переноса неосновных носителей, униполярные состоят из одного перехода и работают на основе переноса основных носителей. Первые управляются током, вторые – напряжением.

Униполярный (полевой) транзистор – n n прибор, работа которого основана на изменении (модуляции) сопротивления слоя n n материала поперечным электрическим полем. Известны две разновидности FET (ПТ): с управляющими p-n переходами и со структурой МДП (МОП, так как в качестве диэлектрика обычно используется окисел кремния).

Первые нашли применение в линейных схемах (усилители, аналоговые ключи), вторые – в логических схемах.

МОП – транзистор является 4^-х – полюсным полупроводниковым прибором.

1 – nn пластина с проводником p-типа.

2 – области n-типа.

3 – металлический электрод.

4 – изолирующая пленка.

Истоком называют электрод, от которого начинают движение основные носители, стоком – электрод, к которому они движутся. Затвор – управляющий электрод. Четвертый дополнительный электрод присоединяется к подложке (nn области, на которой изготовлен транзистор).

Область под затвором между И и С – канал.

Различают МОП транзисторы с встроенными (объединенный тип) и индуцированными (обогащенный тип) каналами. Первый тип образуется технологическим путем, второй – под действием управляющего напряжения.

В цифровых устройствах – обычно МОП – транзисторы с индуцированным каналом. При отсутствии управляющего напряжения на затворе транзистора канал не проводит.

Если к затвору приложить большее по абсолютной величине относительно истока управляющее напряжение (больше ), то между стоком и истоком создается проводящий канал. Проводимость канала увеличивается с ростом напряжения на затворе:

По типу проводимости канала различают МОП транзисторы n- и p- типов. На рисунке была изображена структура, основание которой – кремний p типа проводимости и канал с n – типом проводимости, то есть n-тип МОП транзисторы.

Аналогичную структуру имеет p-тип кремниевая пластина с n проводимостью и канал p-типа.

Так как управляются напряжением – аналогично электрическим лампам. Исток – катод, затвор – сетка, сток – анод.

Усилительные свойства характеризуют крутизной:

при

и коэффициент усиления по напряжению

при

__________

При проектировании БК качество результата во многом зависит от топологических факторов.

Чтобы расширить возможности применения БК важно удачно подобрать состав и число БК, правильно расположить шины питания, места подключения внешних сигналов, обеспечить возможности отключения неисправных элементов от источника питания и так далее.

Проектирование БИС на основе БК связано с понятием библиотеки реализуемых на нем схем.

Чтобы избавить каждого из проектировщиков от повторения работы по созданию на кристалле возможных схем, при разработке БК предусматривают библиотеку возможных решений, в которую входят многие реализуемые на кристалле элементы, функциональные узлы и их части.

Пользуясь библиотекой, проектировщик воплощает схемы, работоспособность которых уже проверена, а параметры известны.

Проектирование БИС – САПР.

Обеспечивает высокий процент использования элементов кристалла (до 90%).

Проектирование БИС на основе БК отличается от проектирования полностью заказных БИС – при БК схема должна быть покрыта элементами из библиотеки, при проектировании заказной БИС на этапе логического проектирования можно пользоваться неограниченным ( в пределах выбранной схемотехники) набором функциональных элементов. В заказной БИС полностью используются схемные элементы, экономится площадь кристалла (но возрастает стоимость и время).

В целом стоимость ниже, но стоимость кристалла дороже

__________

МОП транзисторы имеют высокое входное сопротивление ( ), занимают на пластине малую площадь (в 20-30 раз меньше, чем биполярный транзистор и высокотехнологичны – в 2-3 раза меньше операций при изготовлении, чем для биполярного транзистора).