2. Принципы построения и параметры базовых матричных кристаллов

Базовый матричный кристалл содержит сформированную заранее матрицу базовых ячеек, расположенную в центральной части, и группу буферных ячеек (ячеек интерфейса — ввода — вывода), расположенных по периферии кристалла (рис. 2.1). В состав ячеек входят группы нескоммутированных элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов) и отрезков шин для реализации электрических связей.

Из элементов ячеек с помощью электрических связей виде металлических (проводниковых) шин формируются различные функциональные элементы (логические элементы, триггеры, счетчики, регист­ры и др.), буферные элементы и соединения между ними.

В матричных БИС, как правило, основные функциональ­ные элементы работают в режиме малого потребления энергии, обеспечивающем необходимое быстродействие. Буферные элементы, предназначенные для осуществления внешних связей матричной БИС, потребляют повышенную мощность, что необходимо для согласования по уровням логического напряжения, нагрузочной способности и поме­хоустойчивости .

Для упрощения процесса проектирования и сокращения сроков разработки БИС на основе БМК широко исполь­зуются библиотеки функциональных элементов. Топология функционального элемента в виде фрагмента БИС с уни­фицированными размерами разрабатывается на основе эле­ментов одной или нескольких рядом расположенных ячеек. Вся информация о топологии фрагментов хранится в базе данных системы автоматизированного проектирования.

На основе БМК могут быть выполнены цифровые, анало­говые, аналого-цифровые и цифро-аналоговые БИС.

Для упрощения проектирования матричных БИС широко используются библиотеки функциональных элементов. Библиотечный набор должен обеспечить реализацию всех логических функций, характерных для данного класса устройств. В состав библиотечного набора могут входить как простые логические элементы типа НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ с разветвленными по входам –выходам, так и достаточно сложные узлы, широко применяемые в определенном классе аппаратуры, например различные триггеры, регистры, счетчики, полусумматоры, шифраторы и дешифраторы, мультиплексоры, усилители.

Электрические характеристики функциональных элементов определяются такими параметрами используемой элементной базы, как среднее время задержки, потребляемая мощность, абсолютная или относительная помехоустойчивость, перепад напряжений логических уровней и их абсолютные значения, коэффициенты объединения по входам и выходам, которые характеризуют возможность реализации функций большого числа переменных, число источников питания и требованиями к их параметрам.

В БИС на биполярных транзисторах используются сверхбыстродействующие логические элементы в виде одно – или двухступенчатых токовых ключей (ЭСЛ, МЭСЛ, ЭФЛ) логические элементы среднего или высокого быстродействия (ТТЛ, ТТЛШ ).

Рис. 2.6. Ячейка БМК на биполярных транзисторах

( 1 и 2 – катодная и анодная области диодов Шоттки ).

На рис. 2.6 приведена широко распространенная топология ячейки и схемотехническое изображение набора ее элементов. Такая ячейка может быть сформирована любым технологическим методом. Если используется эпитаксиально – планарная или изопланарная технология, то все резисторы не только ячейки, но и всей матрицы размещаются в одной изолированной области n-типа с высоколегированным поверхостным слоем n+-типа. Эта высоколегированная область используется в качестве шины источника питания +Uип. Коллекторные области транзисторов, формируемые из островков высокоомного эпитаксиального слоя n-типа, используются для изготовления диодов Шоттки, фиксирующих напряжение открытых коллекторных переходов. На рис. 2.6 показаны катодные n-области диодов Шоттки, расположенные внутри баз транзисторов. Металлические контакты к базовым областям перекрывают эти n-области и одновременно выполняют роль анодов диодов Шоттки. Для улучшения характеристик диодов Шоттки между n-областью и металлическим контактом формируется слой силицида платины Pt5Si2. Общая коллекторная область транзисторов T3 и T2 с двумя выводами может выполнять роль полупроводниковой перемычки. Такую же функцию выполняет резистор R6, если в качестве резистивного слоя используется высоколегированная область n+-типа. В рассматриваемой конструкции R4=R5=R, R1=R2=R3=R/2.

На основе элементов ячейки быть сформированы цифровые логические элементы РТЛ, ТТЛ, ТТЛШ ( рис. 2.7), ЭСЛ, операционный усилитель. Логический элемент ЭСЛ строится подобно входному каскаду усилителя ( транзисторы T2, T3, T6, T8, T9, T11, резисторы R2, R3, R5 - R7).

рис. 2.7. Логический элемент 2И – НЕ ТТЛШ.

Базовые матричные кристаллы являются универсаль­ными полуфабрикатами. Для изготовления БИС на их основе требуется спроектировать и изготовить необхо­димые (заказные) электрические соединения элементов кристалла. Так как часть конструкции БИС проекти­руется и изготовляется по заказу, то такие специализи­рованные БИС называются полузаказными. При разработке современной аппаратуры применяются БМК, со­держащие десятки и сотни тысяч транзисторов.

Специализированные БИС на основе БМК могут из­готовляться как на предприятиях электронной промышлен­ности по заказам предприятий аппаратостроения, так и на самих предприятиях аппаратостроения при использовании покупных полупроводниковых пластин-заготовок с БМК. Последнее очень выгодно, так как на предприятиях аппарато­строения не требуется организовывать сложное полупро­водниковое производство. Заключительные технологичес­кие операции, связанные с изготовлением электрических соединений, выполняются методами тонкопленочной технологии (напыление тонких пленок и фотолитография).