Конспект лекций Москва 2008 Часть 1 Элементная база цифровой схемотехники условия работы и выбор элементной базы

Вид материала

Содержание

Базовые схемы на транзисторах со статической индукцией
Приборы с зарядовой связью
S связаны с одной емкостью С3
С3 при переходе заряда логической единицы через VT3
Q , имеет вид где Ic(t)
Q(τ) заряд, оставшийся на С3
Элементы r – логики

Подобный материал:

1 2 3

2.6 . БАЗОВЫЕ СХЕМЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ СО СТАТИЧЕСКОЙ ИНДУКЦИЕЙ

Транзистор со статической индукцией (ТСИ) конструктивно подобен обычному полевому транзистору. В то же время ряд конструктивно—технологических особенностей обеспечивает ему своеобразие электрических свойств. К таким особенностям структуры ТСИ (рис. 7) относятся:

- наличие многочисленных каналов (мультиканалов), расположенных вертикально, т. е. перпендикулярно плоскости кристалла-подложки;

- наличие затвора в виде сетки из участков сильнолегированного полупроводника с противоположным столу и истоку типом проводимости;

- очень малая длина каналов и вертикальных участков затвора, а также небольшое расстояние от истока до затвора.

Принцип действия ТСИ основан на управлении током основных носителей заряда, инжектированных из истока в обедненную область канала под воздействием поля стока. Прибор называется транзистором со статической индукцией, поскольку потенциальный барьер для основных носителей заряда подвергается электростатической индукции со стороны потенциалов затвора и стока.

В транзисторе со статической индукцией канал даже при отсутствии смещения на затворе находится в состояния отсечки, что при условии малости величины сопротивления истока обеспечивает появление ненасыщеных по току характеристик.

Рис. 7. Транзистор со статической индукцией

Основными параметрами ТСИ являются коэффициент усиления по напряжению µ ; внутреннее сопротивление r и крутизна g , которые связаны между собой соотношением

µ = r g

Коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение приращения напряжения исток — сток ΔUи.с. к приращению напряжения затвор — исток ΔUз.и :

Изменение высоты потенциального барьера затвора ΔUз связано с изменением напряжения исток — сток ΔUи.с. линейкой зависимостью

где η- коэффициент пропорциональности.

Величина

называется внутренним коэффициентом усиления по напряжению. Принимая во внимание геометрические параметры, а именно расстояние от точки максимума потенциального барьера до истока Wи и от той же точки до стока Wс , можно записать следующее соотношение:

Из этих выражений можно определить коэффициент усиления по

напряжению:

Эффективную крутизну g можно выразить через приращения токов и напряжений:

где ΔIc — приращение тока стока под воздействием изменения потенциалов затвора и стока.

Вольт-амперные характеристики ТСИ описываются уравнением

где N - число каналов; z - длина канала в направлении, параллельном плоскости стока; nи , Dи - концентрация носителей заряда истока и их коэффициент диффузии; Ф(y) - высота потенциального барьера над уровнем истока.

Величина потенциального барьера U для носителей заряда

где Nи, Nс , Nз — уровни легирования областей истока, стока и затвора; ψ1, ψ2 - коэффициенты, зависящие от характеристик структуры.

При работе ТСИ в качестве логического переключающего элемента в нем протекают следующие процессы. При отрицательных и небольших положительных (до 0,5 В) напряжениях на затворе p -типа ТСИ находится в состоянии отсечки и обеспечивает высокий уровень выходного напряжения, т.е. выключен. Если положительное напряжение на затворе превышает 0,5 В, транзистор переходит в режим инжекции носителей заряда из затвора в канал и обеспечивает низкий уровень выходного напряжения, т.е. включен. Повышение напряжения на затвора происходит в тех случаях, когда на всех выходах прибора первоначально установлен высокий уровень, напряжения, и осуществляется дырками из инжектора, втекающими в область затвора. Этот режим работы статической индукционной логической схемы (СИЛ) примерно аналогичен режиму работы биполярных ИИЛ-схем. В накал помимо дырок из затвора инжектируются такие электроны из истока, однако стока достигают только электроны; дырки благодаря наличию встроенного поля в изотопном nˉ - n+ -переходе образуют в канале статический заряд. Подобным же образом встроенное поле препятствует непосредственной инжекции носителей заряда из истока в затвор и наоборот. Ток затвора обусловлен в основном электронно—дырочной рекомбинацией в канале транзистора.

Таким образом, статические индукционные схемы, сочетающие большое быстродействие ( td = 0,1 нс), минимальный расход энергии (0,01 пДж), высокую степень интеграции (2000 логических схем на 1 мм²), превосходят по этим показателям биполярные и МДП-интегральные схемы.

Недостатком СИЛ является небольшой коэффициент разветвления по выходу (N = 3.. .5) из—за сравнительно низкого усиления инверсной структуры ТСИ.

2.7. ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ

Приборы с зарядовой связью (ПЗС) — структура МДП (рис. 8, а). Принцип действия ПЗС основан на хранении заряда неосновных носителей тока в потенциальных ямах, возникающих вблизи поверхности полупроводника под действием внешнего электрического поля, и перемещении этого заряда вдоль поверхности при сдвиге потенциальных ям. Для ПЗС характерны два режима работы: хранения и передачи информационного заряда. В режиме хранения на один из затворов ПЗС подается отрицательное напряжение хранения. Под действием этого напряжения под затвором ПЗС возникает обедненная носителями область, которая является потенциальной ямой для неосновных носителей тока. Если имеется источник неосновных носителей тока, то потенциальная яма заполняется неосновными носителями, которые притягиваются к поверхности и локализуются в узком приповерхностном слое. Информационный заряд не может долго храниться в ПЗС, вследствие процессов термогенерации, которые приводят к накоплению паразитного заряда дырок в потенциальной яме. Таким образом, ПЗС могут работать только в динамическом режиме.

Рис. 8. Приборы с зарядовой связью:

а – структура; б – логическая схема

Для передачи заряда на соседний (второй) затвор поступает сигнал записи, который является более отрицательным по сравнению с сигналом хранения, подаваемым на первый затвор. Поэтому под вторым затвором (32) создается более глубокая потенциальная яма, к которой будут притягиваться дырки, хранившиеся под первым затвором (З1). Первоначальное условие хранения восстанавливается при снятии сигнала хранения на затворе З1 и уменьшении сигнала записи на затворе З2 до значения хранения. Как только установится режим хранения под затвором З2, процесс передачи заряда может быть повторен по отношению к следующему соседнему затвору. В процессе передачи основная часть заряда, находящегося в потенциальной яме, перетекает в другую, более глубокую и расположенную по соседству яму. Такая передача происходят быстро благодаря дрейфу носителей в электрическом поле, обусловленному распределением дырок под затворами, а также краевого электрического поля, возникающего в результате взаимодействия соседних затворов. Оставшаяся небольшая часть заряда в ПЗС переносится вследствие диффузии.

Для записи информации в ПЗС используют следующее:

- накопление заряда в потенциальной яме за счет процессов термогенерации;

- накопление заряда в результате инжекции неосновных носителей из p – n -перехода;

- накопление заряда неосновных носителей под действием светового импульса.

Считывание информации можно осуществить тремя способами:

- инжекцией заряда в подложку и регенерацией тока подложки;

- экстракцией неосновных носителей из потенциальной ямы;

- использованием плавающего затвора, потенциал на котором изменяется в зависимости от величины заряда.

В логической схеме ПЗС (рис. 8,6) три ключа S связаны с одной емкостью С3 и управляются тактовым импульсом Ф2. На вход схемы поступают логические сигналы А и В. Логической единице соответствует полный зарядный пакет, а логическому нулю - нулевой пакет. На выходе С реализуется логическая функция И, а на выходе D - функции ИЛИ. После прихода импульса Ф2 ключи S1 и S2 открываются. Емкость С3 заряжается до уровня логической единицы, если последняя поступила хотя бы на один из входов (А или В); поэтому на емкости С3 реализуется логическая функция ИЛИ. Если на оба входа поступили логические единицы, то заряжаются емкости С3 и С4 и на выходе последней реализуется логическая функция И. Эквивалентная схема такого логического элемента на МДП-транзисторной цепочке состоит из трех транзисторов VT3, VT3′, VT5 и двух емкостей С3 и С5 (С = С3 = С5). Если А=В=0, т. е. ни на один вход логические сигналы не поступают, напряжения U3 и U5 на выходах элемента колеблются между значениями Uф – Uоэ и Uф – UП – Uоэ , где Uф -верхнее, наиболее отрицательное (для p -канальных приборов) значение напряжения тактового импульса, UП — амплитуда перепада между верхним и нижним уровнями тактового импульса, Uоэ - эффективное пороговое напряжение МДП—транзистора, исток которого находится под потенциалом Uф – Uоэ.

Рассмотрим случай, когда только на один вход поступает логический сигнал. Емкость С3 при переходе заряда логической единицы через VT3 (VT3′) разряжается до уровня Uф – Uоэ. . При таком напряжении на истоке транзистора VT5 он остается закрытым, и напряжение на выходной емкости С3 не изменяется.

Дифференциальное уравнение, описывающее процесс передачи зарядового пакета Q , имеет вид

где Ic(t) -ток, протекающий через VT3 в пологой области его характеристик.

Решение этого уравнения следующее:

где

- крутизна МДП-транзистора; µ - эффективная поверхностная подвижность носителей; СД — удельная емкость диэлектрика; ND — концентрация примеси в подложке; εП — относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника.

Время нарастания импульса напряжения на стоке от уровня 0,1 (ε = 0,9) до уровня 0,9 ( ε = 0,1) амплитуды равно

Если на оба входа поступают сигналы логической единицы, то открываются оба транзистора VT3, VT3’, зарядовые пакеты поступают на емкость С3 , и она разряжается до более положительного уровня, чем Uф – Uоэ. Поэтому VT5 открывается, и один зарядовый пакет поступает на емкость С5 , разряжая ее до уровня Uф – Uоэ.

Неэффективность передачи в этом случае определяется из выражения

где Q(τ) заряд, оставшийся на С3, к концу передачи.

Логические элементы на ПЗС имеют следующие преимущества по сравнению с аналогами на МДП-транзисторах:

- IIЗС могут выполнять как логические функции, так и функция сдвигающего регистра;

- при передаче нулевых зарядовых пакетов мощность не потребляется;

- в ПЗС достигается полная совместимость входа и выхода.

2.8. ЭЛЕМЕНТЫ R – ЛОГИКИ

Рассчитать логическую схему R - логики.

1. Расчет делителя напряжений R2 R3 .

Работа схемы поясняется рис.2.5. Рис.9?

Для схемы справедливо:

Из (2.1) после подстановки (2.3)

Из (2.2) после подстановки (2.3)

Для “включено”:

Для “выключено”:

Принимая во внимание разброс номиналов, получим

или

Делитель, высокоомный , поэтому рабочая точка выбирается ближе к α , но так, чтобы четырехугольник допусков лежал в рабочей области (рис. 2.6.)

Определение изменения коллекторного напряжения,

Для схемы (рис. 2.7.) имеем

Определение запирающего напряжения на базе.

Минимальное значение UБ.Э.У при больших R2 и R3 . Оно увеличивается вследствие:

а) разброса номиналов R2 и R3 ;

б) разброса номиналов U2 и Uупр ;

в) изменения тока.

Из (2.4) и (2.5) следует: