Основы микроэлектроники (курс лекций)

Вид материала

Курс лекций

Содержание Раздел 4. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ДИОДЫ И ПАССИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Лекции 12–13 Второе применение Третье применение Uд) по сравнению с кремниевым p-n Четвертое применение Раздел 5. ЛОГИЧЕСКИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ Нагрузочная способность Коэффициент объединения по входу Среднее время задержки сигнала Umin. 5. Мощность, потребляемая ИМС — это средняя мощность за достаточно большой промежуток времени: Р – 32 – Лекция 16 ИМС с инжекционным питанием (Степаненко, ОМ, с. 359–363, Мурога, Системное проектирование СБИС, с. 141–151) Ионизирующая радиация Нейтронное излучение Технология изготовления радиационно-устойчивых схем Раздел 7. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ МОП-ТРАНЗИСТОРНЫХ ИМС – 37 – Лекции 18 - 19

Подобный материал:

• Лекция №11 Сжатие изображений Курс лекций «Алгоритмические основы машинной графики», 54.41kb.
• Основы семейной психопедагогики (курс лекций), 11111.59kb.
• О. В. Свидерская Основы энергосбережения Курс лекций, 2953.76kb.
• Курс лекций введение в профессию "социальный педагог", 4415.45kb.
• Курс лекций по дисциплине " основы компьютерных технологий" Часть I. Microsoft Word, 432.92kb.
• Курс лекций Барнаул 2001 удк 621. 385 Хмелев В. Н., Обложкина А. Д. Материаловедение, 1417.04kb.
• Курс лекций. Учебное пособие / В. Е. Карпов, К. А. Коньков, 68.87kb.
• Курс лекций по автоматизированному электроприводу для итр проектный организаций с применением, 24.37kb.
• Программа курса лекций (1 курс магистратуры, 1 сем., 36 ч, экзамен) Профессор,, 34.75kb.
• Основы политологии: Курс лекций. 2-е изд., доп. Ростов на/Дону.: Феникс, 1999. 573, 14.9kb.

Влияние напряжения на коллекторе (Пасынков, ПП — с.187). На процессы в транзисторе существенное влияние оказывает напряжение на коллекторе: при изменении напряжения изменяется толщина ОПЗ и, соответственно, толщина базы, а при достаточно больших коллекторных напряжениях начинает сказываться лавинное умножение.

Смыкание переходов. При достаточно больших напряжениях на коллекторном переходе ОПЗ коллекторного перехода может достигнуть эмиттерного перехода — произойдет так называемое смыкание переходов. При этом потенциальный барьер эмиттерного перехода понижается, возрастает ток эмиттера, а значит, и ток коллектора. По внешним признакам смыкание напоминает пробой или короткое замыкание эмиттера с коллектором. Таким образом, смыкание переходов является одной из причин, ограничивающих напряжение коллектора.

Лавинный пробой. Второй причиной, ограничивающей напряжение коллектора, является лавинное умножение. При этом существенную роль играет режим цепи базы. Если ток в цепи базы не ограничен (как в схеме с ОБ), то пробой транзисторов не

отличается от пробоя полупроводникового диода. В этом случае на коллекторном переходе произойдет лавинный пробой при напряжении U_проб.

Лавинный пробой коллекторного перехода представляет собой обратимый процесс, если ограничить возрастающий при пробое ток. С увеличением тока коллектора при лавинном умножении лавинный пробой может перейти в тепловой пробой с появлением отрицательного дифференциального сопротивления на выходе транзистора. Этот переход к тепловому пробою наиболее вероятен в транзисторах, изготовленных из германия (материала с малой шириной запрещенной зоны).


Раздел 4. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ДИОДЫ И ПАССИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ (Л. Я. Коледов)


Любой из р-n-переходов планарно-эпитаксиальной структуры может быть использован для формирования диодов, но только переходы база-эмиттер и база-коллектор действительно удобны для схемных применений. Пять возможных вариантов диодного включения интегрального транзистора можно уяснить себе из рисунка:


– 25 – Лекции 12–13




а) переход Б-Э с коллектором, закороченным на базу;

б) переход К-Б с эмиттером, закороченным на базу;

в) параллельное включение обоих переходов;

г) переход Б-Э с разомкнутой цепью коллектора;

д) переход Б-К с разомкнутой цепью эмиттера.

Параметры интегральных диодов приведены у Коледова в табл. 1, с. 18. Из таблицы видно, что варианты включения различаются по электрическим параметрам. Пробивные напряжения больше для вариантов с коллекторным переходом, обратные токи — для вариантов только с эмиттерным переходом, имеющим наименьшую площадь. Емкость диода между катодом и анодом для варианта с наибольшей площадью переходов максимальна (Б-ЭК). Паразитная емкость на подложку (заземленную) минимальна для варианта БЭ. Оптимальными вариантами являются БК-Э и Б-Э (первый — чаще используется).

(Конец лекции 12)

Лекция 13

Диоды Шоттки и их применение в интегральных схемах

Диод с барьером Шоттки (ДШ), названный по фамилии его создателя, немецкого ученого В. Шоттки — это полупроводниковый прибор, у которого несимметричность ВАХ относительно начала координат, т.е. выпрямляющий эффект, достигается за счет нанесения металлизированного слоя на поверхность полупроводника.

Кратко напомню кое-что из курса ФОЭП. Выпрямляющего эффекта здесь можно достичь не при любых сочетаниях металлов и полупроводников. Необходимым условием здесь должно быть создание обедненного (запирающего) слоя вблизи металлической поверхности при отсутствии внешних напряжений.

_____________________________ Если полупроводник — n-типа, то необходимы

- - | + + такие условия, чтобы электроны уходили в

Металл - - | + + Полупровод- металл из глубины полупроводника. Это может

- - | + + ник n-типа быть только тогда, когда работа выхода электро-

_____________________________ нов из металла больше работы выхода их из

полупроводника. Тогда электроны станут перетекать в близлежащие слои металла, оголять край доноров и создавать двусторонний объемный заряд — узкий отрицательный в металле и заметный по толщине положительный в полупроводнике.

_____________________________ Можно создать запирающий слой и с помощью

++ | – – полупроводника р-типа, но только работа выхода

Металл ++ | – – Полупровод- из полупроводника должна быть больше работы

++ | – – ник р-типа выхода из металла. Электроны металла будут

_____________________________ рекомбинировать с дырками и создавать в приле-

гающей к металлической поверхности области обедненный слой. Правда, из-за меньшей по сравнению с электронами подвижности дырок быстродействие таких диодов ниже, чем с полупроводником n-типа. В справочниках даже не приводится значений контактной разности потенциалов для контактов металл-полупроводник р-типа.

В остальных двух случаях мы получим просто омический контакт с избытком носителей в прилегающем к металлу слое, и никакого выпрямления.


Теперь перечислим некоторые применения контакта Шоттки.

– 26 – Лекция 13


Первое применение — диоды в цифровых схемах. ДШ часто используются в качестве быстродействующих ключей, занимая мало места. Однако их можно применять также как мощные выпрямительные диоды, так как эти приборы с большой площадью кристалла и отличной возможностью отвода тепла через металлический контакт позволяют пропускать большие токи. Причем, токи протекают при меньших падениях напряжения на открытом приборе, чем для диодов с p-n-переходами.

Второе применение контакта Шоттки — переменные конденсаторы, способные эффективно работать в СВЧ-диапазоне. На таком диоде постоянно поддерживается запирающее напряжение. Благодаря малой ширине ОПЗ, удельные емкости, реализуемые на основе контакта Шоттки, выше, чем на основе обратно-смещенного p-n-перехода.

Третье применение — в быстродействующих переключательных биполярных транзисторах (Степаненко, ОМ — с. 260). Одной из главных проблем при повышении быстродействия ключей является уменьшение задержки среза (заднего фронта), т.е.

времени рассасывания избыточного заряда (вспомним ФОЭП — раздел переходных процессов в p-n-переходе). Для этого нужно уменьшать ток в базе, открывающий

транзистор. Но тогда возрастает длительность переднего фронта. Кроме того, в реальных условиях степень насыщения должна превышать некоторое минимальное значение, иначе малейшее уменьшение коэффициента  или тока базы переводит транзистор в активный режим, а это сопровождается увеличением остаточного напряжения на ключе.

Общепризнанным способом предотвратить "засыпание" транзистора в режиме насыщения и в то же время избежать указанных осложнений является использование в ключе нелинейной обратной связи. Этот способ состоит в том, что между коллектором и базой транзистора включается диод (см. рисунок).

Когда транзистор заперт или работает в активном режиме, потенциал коллектора положителен относительно базы, следовательно, диод находится под обратным смещением и не влияет на работу ключа. Когда же в процессе формирования фронта потенциал коллектора относительно базы проходит через нуль и делается отрицательным, диод отпирается и на нем устанавливается прямое напряжение U_д⁺. Если это напряжение меньше 0,5 В (что характерно для диодов Шоттки), то коллекторный переход практически заперт, а значит — исключаются режим двойной инжекции и накопление избыточного заряда, свойственные режиму насыщения. Соответственно, при запирании ключа будут отсутствовать этап рассасывания избыточного заряда и задержка среза. Данная комбинация обычного транзистора и диода Шоттки получила название транзистора с барьером Шоттки.

Легко заметить, что отсутствие насыщения в транзисторе с барьером Шоттки обусловлено меньшим прямым напряжением на диоде ( U_д⁺) по сравнению с кремниевым p-n-переходом (U^*). Если бы вместо диода Шоттки использовался обычный диод (p-n-переход), пришлось бы как-то уменьшать не нем прямое напряжение, включая последовательно с ним э.д.с. е = –(0,2 0,3 В).

Остаточное напряжение на ключе с барьером Шоттки несколько больше, чем на обычном ключе:

U_ост = U^* – U_д⁺ = 0,2  0,3 В,

однако этот недостаток окупается более высоким быстродействием, поскольку транзистор все время работает в активном режиме.

Что касается интегральных реализаций, то для получения хорошего барьера "металл-полупроводник" удельное сопротивление эпитаксиального _эп слоя должно быть больше 0,1 Ом^.см. Сама конструкция "транзистор + ДШ" очень проста:


– 27 – Лекция 13



К недостаткам данного технического решения можно отнести некоторое увеличение емкости коллекторного перехода и усложнение технологии.

Четвертое применение контакта Шоттки, в котором, как и в случае 2, тоже используется модуляция ширины ОПЗ — это полевой транзистор с барьером Шоттки, называемый также полевым транзистором со структурой металл-полупроводник (МЕП-транзистор). Одна из возможных конструкций МЕП-транзистора показана на рисунке.




Чаще всего такие приборы применяются в ВЧ арсенид-галлиевых сборках.

И еще один вопрос, связанный с повышением пробивного напряжения переходов Шоттки. Вообще говоря, это тема намного более широкая. Оказывается, что пробивное напряжение реальных p-n-переходов (не только в ДШ, но и любых) ниже, чем это описано в классической теории. Точнее — в донной части все нормально, но в искривленных участках, выходящих на поверхность кристалла, пробивные напряжения намного ниже. Все это подробно исследовано, но здесь будет сказано лишь главное.

(Более подробно — см. Кремниевые планарные транзисторы, под ред. Я. А. Федотова.)

Концентрация электрического поля на стыке металла с пассивирующим окислом снижает предельно допустимые напряжения U_кб. Чтобы это предотвратить, обычно используют два метода — как поодиночке, так и в комбинации.




Конец лекции 13

– 28 – Лекция 15

Примечание. Описание и расчет пассивных элементов ИМС (резисторов и конденсаторов) читается в компьютерном классе для лабораторных работ по материалам электронной методички rclab.doc (Лекция 14).

Лекция 15

Раздел 5. ЛОГИЧЕСКИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ


Логические ИМС на биполярных транзисторах (Калниболотский... РиКМС, с. 139)


Логические ИМС можно классифицировать по типу транзисторных структур, составляющих данную схему, режиму работы транзисторов, типу основной логической схемы, виду характеристик и др.

По типу транзисторных структур логические ИМС делятся на два больших класса: схемы на основе биполярных структур и схемы на основе МДП.

Кроме того, ИМС можно разделить на схемы с одним типом транзисторов (n-p-n, МДП-р-канальные) и схемы, содержащие транзисторы разных типов (n-p-n- и p-n-p или МДП-транзисторы с р- и n-каналом). ИМС с одним типом транзисторов составляют большинство логических схем, так как этот тип проще в технологии.

Использование взаимодополняющих (комплементарных) транзисторов, несмотря на дополнительные трудности в изготовлении, позволяет снизить потребляемую мощность или повысить быстродействие и коэффициент разветвления ИМС по выходу.

По режиму работы транзисторов логические ИМС можно разделить на схемы насыщенного и ненасыщенного типов.

В схемах насыщенного типа в открытом состоянии инвертирующий транзистор работает в режиме насыщения. Таких схем большинство. Они характеризуются в открытом состоянии меньшими выходными напряжениями и высокой помехоустойчивостью. К ненасыщенным относятся логические схемы с объединенными эмиттерами и некоторые типы диодно-транзисторных схем. Основное преимущество таких схем — их высокое быстродействие.

Среди основных логических схем можно выделить следующие типы: схемы с непосредственными связями (ТЛНС) на биполярных и МДП-структурах с резистивными или резистивно-емкостными связями (РТЛ); диодно-транзисторные (ДТЛ); транзисторно-транзисторные (ТТЛ); схемы с объединенными эмиттерами (ЭСЛ); с инжекционным питанием (И²Л); комплементарные схемы на МДП.

Основные параметры логических ИМС:

1. Нагрузочная способность n — число схем, которые могут быть подключены к выходу ИМС без искажения сигнала. Чем больше n, тем меньше ИМС требуется для построения сложного вычислительного устройства. Логические ИМС имеют n = 4  25 в зависимости от типа схемы.

2. Коэффициент объединения по входу m определяет максимальное число логических входов. Увеличение m расширяет логические возможности ИМС за счет выполнения функций с бόльшим числом аргументов на одном типовом элементе. Для создания сложного устройства в этом случае обычно требуется меньше схем. Однако, увеличение m снижает быстродействие, помехоустойчивость и нагрузочную способность ИМС. В существующих сериях схем число входов невелико (m = 2  8).

3. Среднее время задержки сигнала t_з,ср — время прохождения его через одну ИМС. Оно состоит из задержек включения t_з⁰¹ и выключения t_з¹⁰:


– 29 – Лекция 15

t_з,ср = 0,5(t_з⁰¹ + t_з¹⁰).


4. Статическая помехоустойчивость К^_пм — максимально допустимое напряжение статической помехи. Различают помехоустойчивость закрытой ИМС по отношению к отпирающим помехам U⁺_пм и помехоустойчивость открытой ИМС по отношению к

запирающим помехам U^-_пм. Статическими называют помехи, не изменяющиеся по времени. Наиболее опасные помехи возникают в шинах питания, особенно — в заземляющей.

Иногда вводят коэффициент помехоустойчивости

К^_п = U ^_пм /U_min,


где К^_п — отношение напряжения статической помехи к минимальному напряжению перепада логического сигнала  U_min.

5. Мощность, потребляемая ИМС — это средняя мощность за достаточно большой промежуток времени:

Р_ср = ½ (Р₀ + Р₁),


где Р₀ и Р₁ — мощности, потребляемые схемой в состояниях "включено" и "выключено". Традиционно ИМС, потребляющие большую мощность, обладают наибольшим быстродействием. Уменьшение мощности одновременно с повышением быстродействия — одна из проблем микроэлектроники.


ИМС с непосредственными связями (ТЛНС)


Это — одни из первых логических схем (см. рис. (а)), реализующих функцию ИЛИ-НЕ. Основные достоинства их — простота, малая потребляемая мощность и высокое быстродействие.

Принцип работы схемы — нулевому потенциалу на всех входах соответствует единичный сигнал на выходе схемы. При поступлении единичного сигнала хотя бы на один из входов на выходе устанавливается нулевой сигнал.

Транзисторы в схеме работают в насыщенном режиме и в режиме, активном при малых токах на выходе. На базу поступает сигнал нулевого уровня, соответствующий напряжению ниже порога отпирания, или сигнал единичного уровня, соответствующий режиму насыщения транзистора.



(а) (б)


Недостатками данной схемы являются низкая нагрузочная способность и помехоустойчивость (U_пм = 0,1  0,15 В; n  4). На работу схемы большое влияние

– 30 – Лекция 15


оказывает разброс входных характеристик транзисторов. Поэтому необходимо подбирать транзисторы с одинаковым сопротивлением базы, которое невелико, так что малые отклонения напряжения на базе приводят к большим отклонениям базового тока.

Для повышения помехоустойчивости к базам транзисторов подключают дополнитель-ные сопротивления. В этом случае схема становится схемой РТЛ (рис. (б)). Такие схемы выполняются с общим карманом коллекторов, благодаря чему можно уменьшить общую площадь, занимаемую схемой, и, следовательно, паразитную емкость изолирующего перехода.


Диодно-транзисторные ИМС (ДТЛ)


Эти схемы выполняют функцию И-НЕ. При поступлении положительных единичных сигналов на все три входа схемы , показанной на рисунке, одновременно закрываются входные диоды Д1 – Д3, и ток от источника через диоды смещения Д4 и Д5 попадает в базу Т1. Уровень тока базы здесь достаточен для перевода закрытого транзистора Т1 в режим насыщения, напряжение на выходе которого понижается до уровня, соответству-ющего логическому нулю. Если хотя бы на одном входе схемы сохраняется уровень нуля, то соответствующий диод остается открытым, и практически весь ток от источника пита-ния U₁ замыкается через входную цепь. При этом ток базы Т1 остается ниже порога отпи-рания, транзистор будет закрыт, и потенциал на его выходе близок к U₂, т.е. к уровню "1".

Диоды Д4 и Д5 являются диодами смещения и всегда поддерживаются в открытом состоянии источ-ником U₃. При малых токах падение напряжения на диодах определяется характеристиками p-n-переходов. В качестве диодов смещения используется диодное включение транзисторов (U_КБ = 0), которое функцио-нирует и при небольшом напряжении источника U₁.

При запирании транзистора Т1 накопленный в нем заряд может рассасываться не только через резистор R3 цепи смещения, но также и через диоды и их емкость С_д. Большое значение емкости С_д приводит к замедлению процесса переключения схемы.

Простейший элемент ДТЛ обладает рядом недостатков: в схеме используется несколько источников питания; коэффициент усиления транзистора должен быть высоким, поскольку большая часть тока в открытой схеме протекает через резистор R3 и не попадает в базу транзистора; в закрытом состоянии схема имеет большое выходное сопротивление. Для устранения перечисленных недостатков разработан вариант схемы ДТЛ со сложным инвертором:




Когда Т1 заперт, эмиттерный повторитель Т2 дает высокое напряжение на выходе.

Когда Т1 открыт, Т3 (инвертор) открывается, а Т2 дает низкое напряжение.


Конец лекции 15

– 31 – Лекция 16


Лекция 16


Транзисторно-транзисторные ИМС (ТТЛ)


Эти схемы можно рассматривать как вариант схем ДТЛ. Главное преимущество их — активное действие механизма переключения входного транзистора. Во время выключения выходного транзистора заряд, накопленный в базе, разряжается через входной транзистор.




Эмиттерные переходы многоэмиттерного транзистора выполняют функцию, аналогичную входным диодам в схеме ДТЛ, а коллекторный переход играет роль смещающего диода. Таким образом, многоэмиттерный транзистор выполняет здесь функции четырех диодов, и его можно рассматривать как функциональный прибор.

Схема ТТЛ реализует функцию И-НЕ. Если на все входы схемы подано напряжение, соответствующее высокому уровню "1", то эмиттеры входного транзистора смещаются в обратном направлении. Ток, поступающий в его базу через резистор R1, идет в цепь коллектора, смещенного в прямом направлении, и далее в базу транзистора Т1. При этом транзистор Т2 находится в режиме насыщения, и напряжение на выходе схемы соответствует низкому логическому уровню "0". Транзистор Т1 работает в инверсном активном режиме, поскольку его коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерные — в обратном.

При подаче хотя бы на один из эмиттеров напряжения логического "0" эмиттерный переход транзистора Т1 будет открыт, и на базе устанавливается напряжение порядка 0,6 В. Это напряжение распределяется между двумя прямосмещенными переходами (Б-К в транзисторе Т1 и Э-Б в Т2), но оказывается недостаточным для прохождения через них заметного тока. Поэтому Т2 можно считать закрытым, и потенциал на его коллекторе будет высоким (логическая "1").

Данная схема тоже обладает рядом недостатков, которые частично устраняются при замене Т2 на составной транзистор.


ИМС эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ)


Этот тип схем с объединенными эмиттерами называют еще токовыми переключателями. Схемы относятся к классу сверхбыстродействующих с относительно высокой потребляемой мощностью. Большое быстродействие достигается из-за отсутствия режима насыщения и связанной с ним задержки, а также применением эмиттерных повторителей, ускоряющих процесс заряда нагрузочной емкости схемы. Уменьшение задержки получается из-за ограничения логического перепада, хотя это приводит к снижению помехоустойчивости схемы.

Примечание 1. Хуже всего для быстродействия, если транзисторы нужно запирать. Они этого не любят — долго рассасывается заряд в базе. Лучше, когда в обоих состояниях — "1" и "0" — транзисторы открыты. Но тогда — большое потребление от источника питания. Это и есть проблема. ТТЛ и ЭСЛ всегда открыты. 0 и 1 создаются обменом токами через транзисторы.

Основным признаком схем ЭСЛ является использование переключателя тока, транзисторы которого работают в активном режиме (см. рисунок). Здесь Т_вх — входной транзистор, Т_оп — опорный транзистор.

Примечание 2. Очень важно, что в эмиттерах обоих транзисторов стоит источник тока — вещь не очень привычная. Ток его всегда постоянен. И если в одной ветви сопротивление упадет, то ток в ней увеличится, но тогда во второй ветви — уменьшится (как у стабилитронов).

– 32 – Лекция 16

На базу Т_оп подано постоянное опорное напряжение –V_оп. Заданный ток I_э протекает

через одну или обе ветви схемы в зависимости от напряжения на входе. При V_вх = V_оп оба транзистора открыты и работают в активном режиме. Их эмиттерные токи одинаковы и равны по 0,5I_э. Напряжение на эмиттере V_э = –V_оп –V_эб, где V_эб — прямое напряжение на выводах Э и Б (0,6  0,7 В). Ток коллектора транзистора сильно зависит от V_бэ:

I_к = _N I_э0 е ^Vбэ/т ,

где _N — коэффициент передачи по току в нормальном активном режиме. Если V_бэ изменяется на 2,3_т (порядка 60 мВ), то I_к меняется в 10 раз. Значит, достаточно V_вх понизить на 60 мВ, и тогда ток транзистора T_вх будет в 10 раз меньше, чем ток через Т_оп. Напряжение на выходе 1 повышается и становится равным уровню "1".

Коллекторный ток опорного транзистора при этом увеличивается, и можно считать, что

I_к,оп  _NI_э  I_э .

Этот ток создает на резисторе R_к падение, примерно равное R_кI_э. Поэтому напряжение на втором выходе соответствует напряжению низкого уровня:

V⁰  –R_к I_э.

Если же на входе V_вх повышается на 60 мВ, то ток I_э переключается на транзистор Т_вх, а через транзистор Т_оп понижается в 10 раз. На выходе 1 выделяется сигнал Ā, а на выходе 2 — сигнал А. Выход 1 называется инверсным, выход 2 — прямым.

Таким образом, для переключения схемы достаточно изменить входное напряжение на 2(2,3_т) = 0,12 В относительно среднего уровня V_вх = –V_оп.




Схема, изображенная на рисунке рядом, содержит, помимо переключателя тока с тремя входами, еще два эмиттерных повторителя — для прямого и инверсного выходов. В остальном работа схемы подобна показанной на предыдущем рисунке.

ИМС с инжекционным питанием

(Степаненко, ОМ, с. 359–363, Мурога, Системное проектирование СБИС, с. 141–151)

Схемы с инжекционным питанием появились в 1972 г. Они не имеют аналогов в дискретных транзисторных схемах, т.е. специфичны именно для интегрального исполнения. Однако по-существу они являются еще одной, наиболее совершенной модификацией схем ТЛНС. Имеет смысл пояснить эту преемственность, так как внешне схемы И²Л выглядят несколько необычно и непосредственно не ассоциируются с ТЛНС.

Как известно, обычные схемы ТЛНС содержат в себе резисторы и транзисторы. Заметим, что при работе таких схем изменения тока в коллекторном резисторе оказываются незначительными, т.е. ток слабо зависит от того, единица или ноль будет на выходе (нижнем конце резистора): при напряжении питания 3  5 В логический перепад V_л составляет 0,5  0,6 В.

Конец лекции 16


– 33 – Лекция 16–17

Лекция 17

Дело в том, что ток идет либо через свои транзисторы (состояние "0"), либо в базу следующего транзистора (состояние "1") (см. рис. "а"). Это свойство дало возможность модифицировать логический элемент, заменив резистор генератором постоянного тока I* (рис. "б").


Теперь переключим все эти генераторы с шины +Е_к на шину земли. Согласно теории цепей, такое переключение не отразится на режиме транзисторов, поскольку ток генератора тока не зависит от наличия или отсутствия последовательно включенных источников э.д.с. (в нашем случае — +Е_к) (рис. "в").

Таким образом, особенностью схем И²Л является индивидуальное питание базы каждого транзистора от "своего" генератора тока. Сейчас мы покажем, что

индивидуальный генератор тока — это не обязательно отдельный инжектор.

Индивидуальные генераторы тока реализуются с помощью p-n-p-транзисторов, включенных по схеме с общей базой.


Как это выглядит в интегральном исполнении:





Обратите внимание на следующее: в интегральной структуре — один инжектор, а на принципиальной схеме — два источника тока. Вообще может быть один инжектор

на множество транзисторов. Ведь инжектор — это эмиттер для множества p-n-p-транзисторов. Даже из нашего рисунка видно, что эмиттеры и базы всех p-n-p-транзисторов можно заменить одним многоколлекторным транзистором, что весьма характерно для схем И²Л. Также типично здесь использование многоколлекторных n-p-n-транзисторов. Частично я это показал на предыдущем рисунке.

Нужно еще отметить следующее: поскольку напряжение Е_к подключено прямо к инжекторному переходу, здесь требуется малое напряжение питания — оно примерно равно удвоенному падению на открытом переходе (порядка 1,5 В).

Итак, ток инжектора распределяется между всеми коллекторами p-n-p-транзистора, число которых может составлять 10–20 и более. Поэтому, если общий коэффициент

– 34 – Лекция 17


передачи инжекторного тока (на n коллекторов) близок к единице ( > 0,9), то коэффициент передачи на каждый из коллекторов будет в n раз меньше. Отсюда следует, что токи I* и I_и сильно различаются:

I*  (1/n )I_и .

Соответственно, прямое напряжение U* на эмиттерном переходе n-p-n-транзистора (питаемого током I*) оказывается меньше напряжения U* на инжекторном переходе.

Посмотрите еще раз на рисунок интегральной структуры. Роль эмиттера, общего для всех n-p-n-транзисторов, играет эпитаксиальный n-слой с n⁺-подложкой (которая и обеспечивает омический контакт с n-слоем). В схемах И²Л, вообще говоря, нет нужды изолировать n-p-n-транзисторы друг от друга, так как общность эмиттерного слоя не только не мешает, но даже необходима по самой структуре схемы.

Инжектор делается в виде длинной р-полоски на этапе базовой диффузии. Базой p-n-p-транзистора служит эпитаксиальный n-слой, а коллекторами — базовые р-слои n-p-n-транзисторов. Следовательно, p-n-p-транзистор имеет горизонтальную структуру и однородную базу, т.е. является бездрейфовым.

Подводя итог сказанному, просуммируем преимущества И²Л:

• отсутствие изолирующих карманов (т.е. экономия площади);
  
• отсутствие резисторов (и связанные с этим экономия площади, уменьшение напряжения питания, мощности, времени задержки);
  
• малая емкость коллектора (из-за малой площади n⁺-слоев);
  
• малое остаточное напряжение на насыщенных транзисторах.
  

Последнее преимущество обусловлено, во-первых, тем, что слой n⁺-коллектора — низкоомный (т.е. мало сопротивление r_кк), а во-вторых, тем, что инверсный коэффициент усиления _ в схеме И²Л имеет значения 100–150 и более.


Раздел 6. ИМС В УСЛОВИЯХ РАДИАЦИИ


Влияние радиации на полупроводниковые схемы


Нас будут интересовать два вида излучений:

1. Ионизирующая радиация, т.е. рентгеновские и гамма-лучи.

2. Нейтронное излучение.

Каждый из этих типов излучений оказывает различное влияние на полупроводниковые устройства и характеристики схем.


Ионизирующая радиация


Основной вид ионизирующей радиации, которая оказывает влияние на схемы — это гамма-лучи. Действие гамма-излучения приводит к образованию избыточных носителей в кремнии (электронно-дырочных пар), а также к повышению температуры. Здесь действуют три механизма: возникновение фототока, полное нарушение работы активных элементов и ухудшение свойств поверхности.

Импульс ионизирующего излучения при воздействии на p-n-переход приводит к образованию электронно-дырочных пар в ОПЗ, которые диффундируют или дрейфуют через ОПЗ. Их движение создает фототок, который сохраняется в течение импульса ионизирующего излучения и затем спадает до нуля. Время спадания фототока после окончания импульса излучения определяется временем жизни ННЗ в материале.

Максимальная величина фототока от ионизирующего излучения пропорциональна площади p-n-перехода и возрастает с увеличением интенсивности излучения. Наиболее

чувствительны здесь переходы К-П и К-Б, т.к. они имеют наибольшую площадь.

– 35 – Лекция 17 – 18


В схемах с изоляцией p-n-переходом ионизирующие излучения могут привести к полному нарушению работы схемы из-за того, что переходы между коллекторами и подложкой во время действия излучения становятся проводящими. Это явление можно исключить, применяя изоляцию диэлектриком.

Образование фототока и нарушение нормальной работы n-p-n-транзисторов являются обратимыми процессами при условии, если величина полного тока ограничивается при помощи внешних схемных элементов. Но возможны и необратимые изменения на границе раздела между полупроводником и окислом. Электронно-ионные пары, образуемые в пассивирующем слое окисла, могут разойтись, так что у границы раздела остаются только положительные заряды. Они приводят к инверсии слаболегированной p-области у поверхности. Это особенно мешает, если ИМС несет в себе МОП-транзисторы. Биполярные схемы выдерживают в 100 раз большую радиацию, чем МОП.

(Конец лекции 17)


Лекция 18


Нейтронное излучение


При нейтронном излучении столкновения между нейтронами и атомами кремния приводят к необратимым дефектам в кристаллической решетке кремния. Атомы кремния, смещенные из узлов кристаллической решетки, действуют как центры рекомбинации и рассеивания и приводят к уменьшению времени жизни ННЗ и их подвижности. Этот эффект носит кумулятивный характер, т.е. может накапливаться. Так как многие параметры транзисторов, такие, как коэффициент усиления , обратный ток утечки I_к0 и время рассасывания _р зависят от времени жизни ННЗ, общие характеристики транзисторов сильно подвержены влиянию нейтронной бомбардировки.


Технология изготовления радиационно-устойчивых схем


Первый шаг, как я уже говорил — это исключить изоляцию p-n-переходом, которая имеет большую площадь. Кстати, обычные резисторы на основе базовой области тоже чувствительны к излучениям. Поэтому здесь желательно применять тонкопленочные (не диффузионные) резисторы — никель-хромовые, танталовые и кремний-хромовые.

Кроме того, мягкое рентгеновское излучение и гамма-излучение вызывают внутренний нагрев корпуса схемы. Дело в том, что такие лучи при взаимодействии с материалом корпуса отдают ему часть своей энергии. Она зависит от атомного веса материала и увеличивается с его возрастанием. Поэтому для повышения радиационной

устойчивости схем при их изготовлении сводят до минимума применение материалов с большим атомным весом, например, золота, либо исключают их полностью.

Теперь можно сформулировать основные правила проектирования такой техники. (Этот перечень правил — далеко не полный и дает лишь общее представление о подходах к разработке таких схем.)


Приборы

1. Минимизация площади p-n-переходов. Так как величина фототока, возникающего при действии радиации, пропорциональна площади p-n-перехода, эти переходы, особенно, коллекторные, должны быть как можно меньших размеров.

2. Использование транзисторов с тонкой базовой областью с целью уменьшения влияния нейтронных дефектов решетки на коэффициент усиления .


– 36 – Лекция 18


3. Обеспечение высокого исходного значения  с тем, чтобы минимально допустимое значение  при его уменьшении из-за излучения сохранялось при высокой радиации.

4. Обеспечение высокой поверхностной концентрации примесей во всех областях во избежание инверсии слоя у поверхности под действием ионизирующего излучения.

5. Устранение по возможности МОП-транзисторов, т.к. они менее устойчивы к действию радиации по сравнению с биполярными транзисторами и ПТУП.

6. Применение тонкопленочных резисторов вместо диффузионных.

7. Использование материалов с низким объемным удельным сопротивлением с целью уменьшения роста удельного сопротивления, обусловленного появлением дефектов в кристаллической решетке при нейтронном облучении.


Схемы

1. Применение схем компенсации фототока с целью уменьшения величины вторичного фототока. Величина фототока пропорциональна площади p-n-перехода. Поэтому фототок, образующийся в переходе К-Б и протекающий через базовую область, можно зашунтировать путем включения идентичного диода между базой и землей. Этот способ схематически показан на рисунке для усилительного каскада с общим эмиттером.

Транзисторы Т1 и Т2 имеют одинаковую площадь коллекторно-базовых переходов. Поэтому первичный фототок I₁, протекающий в цепи базы транзистора Т1, будет равен фототоку I₂ через коллекторно-базовый переход транзис-тора Т2. То есть, большая часть тока I₁ замыка-ется на землю, и лишь незначительная его доля умножается в  раз, вызывая образование вторич-ного фототока. Применение диодов для компенсации фототока позволяет снизить величину вторичного фототока примерно на порядок.

2. Применение резисторов, ограничивающих величину тока в каждой цепи схемы между источником питания и землей для ограничения пикового значения фототока до безопасного уровня.

3. Применение схем с малым отношением числа активных элементов к числу пассивных элементов. Это правило отходит от основного принципа проектирования

интегральных схем, когда большое число активных элементов совсем не мешает. Но надо помнить, что в условиях радиации активные элементы хуже работают, чем пассивные.

4. Когда не обойтись без транзисторов с широкой базовой областью (горизонтальный p-n-p или p-n-p c подложкой для коллекторной области), следует применять составные схемы из транзисторов p-n-p и n-p-n с целью минимизации зависимости характеристик всей схемы от коэффициента усиления по току p-n-p-транзисторов.

5. Обеспечение малой рассеиваемой мощности при работе в обычных условиях, чтобы в течение импульса фототока мощность не превысила допустимого предела. Правда, следует также избегать применения устройств очень малой мощности, так как снижение  из-за действия радиации у микромощных схем будет более заметно.

Раздел 7. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ МОП-ТРАНЗИСТОРНЫХ ИМС

Комплементарные МОП-структуры (КМОП) (Мурога, с. 234)


КМОП-ячейка состоит из двух частей, одна из которых построена на n-МОП, а другая — на р-МОП-структуре, причем все МОП-транзисторы работают в режиме обогащения

– 37 – Лекции 18 - 19

(вспомнить, что это такое: Т.В.К. могут работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения, а Т.И.К. — только в режиме обогащения, да еще с каким-то пороговым напряжением). Комплементарные МОП-структуры носят такое название потому, что n-МОП и р-МОП-части схемы являются взаимно дополняющими.

Рассмотрим состав и функционирование КМОП-структуры на простом примере инвертора: р-канальный МОП-транзистор включен между положительным полюсом Е₊ источника питания и выходом схемы, а n-канальный — между выходом схемы и отрицательным полюсом Е_­­– источника питания. Отрицательный полюс, как правило, заземлен и, таким образом, Е_– равно потен-циалу земли. Подложка р-МОП-транзистора обычно соединяется с Е₊, что обозначается на рисунке соедине-нием конца стрелки с Е₊. Вход х соединен с затворами и р-МОП- и n-МОП-транзисторов.