Электроника

21

площадь элементов очень невелика, невелика и ёмкость МДП конденсатора. Благодаря хорошим диэлектрическим свойствам SiO2, его ёмкость отличается высокой температурной стабильностью и малыми потерями.

В ИС на биполярных транзисторах можно, не усложняя технологию, изготовить так называемый диффузионный резистор (рис. 12). Здесь слева –

Рисунок 12

БТ, справа – резистор. Его рабочей частью является р-слой, изготавливаемый одновременно с базами БТ. Базовый слой выбран, как наименее легированный и наиболее высокоомный слой БТ. Как и у обычного резистора, сопротивление определяется свойствами токопроводящей части и её размерами:

где ρ – удельное сопротивление, L и S – длина и площадь поперечного сечения токопроводящей части. Размеры такого элемента, как и всех других элементов ИС, очень ограничены. Поэтому сопротивление диффузионного резистора не превышает десятков килоом, что чаще всего недостаточно много.

Название такого резистора связано с изготовлением его рабочей части с помощью диффузии примеси.

3.5. Изоляция элементов ИС

Все элементы ИС расположены в кристалле полупроводника, т.е. в проводящей среде. Поэтому существует опасность возникновения электрической связи элементов с подложкой, а также возникновения связей между элементами через подложку. Схема соединений при этом нарушается, что недопустимо.

Основным методом изоляции элементов от подложки является

изоляция закрытыми p-n-переходами. Поскольку внешние, граничащие с

22

подложкой слои всех элементов являются полупроводником n-типа, а подложка – полупроводник р-типа, между элементами и подложкой существуют p-n-переходы (см. рис. 8 – 12). Достаточно закрыть эти переходы подачей обратного напряжения, чтобы перевести их в закрытое состояние, в котором тока в переходе почти нет.

На рис. 13 показано, как такая изоляция осуществляется в ИС с n-канальными МДП транзисторами.

Рисунок 13

Диоды здесь условно отображают существование p-n-переходов между всеми частями транзистора и подложкой. К подложке подведено отрицательное напряжение, которое должно быть по модулю больше, чем напряжение на любой части транзистора. В этом случае оно будет обратным для всех переходов, и они будут заперты.

Закрытый p-n-переход идеальной изоляции не обеспечивает. В нём протекает небольшой обратный ток, у p-n-перехода есть также некоторая барьерная ёмкость. То и другое должно учитываться при разработке ИС.

Принципиально возможна и диэлектрическая изоляция элементов ИС. Примером такой изоляции являются ИС «кремний на сапфире» (рис. 14).

Рисунок 14

23

Синтетический сапфир, в отличие от драгоценного природного сапфира, относительно недорог и довольно часто применяется в различных технических устройствах. Он является отличным кристаллическим диэлектриком, очень прочен, прозрачен, устойчив к самым разным воздействиям. Его отличительной особенностью является также идеальное совпадение параметров кристаллической решётки с параметрами решётки кремния. Поэтому на поверхности сапфировой подложки можно с помощью эпитаксии наращивать кристаллический кремний. С помощью фотолитографии и травления наращенный сплошной слой кремния разделяется на островки, в которых формируются транзисторные структуры. Изоляция в этом случае близка к идеальной, поскольку транзисторы отделяют друг от друга воздушные зазоры, а снизу – сапфир.

3.6. Корреляция параметров элементов ИС

Важнейшим общим свойством элементов ИС всех типов является сильная корреляция параметров. Функция корреляции – отражает степень близости случайных величин или функций. Так, типичной случайной функцией времени является уличная температура. В Москве и Подмосковье она отличается незначительно (сильная корреляция), в Москве и в какойнибудь удалённой точке земного шара эти температуры могут отличаться очень сильно (корреляция близка к нулю).

Параметры любых созданных человеком объектов, в том числе, параметры элементов ИС – это всегда случайные величины. Реальные параметры всегда, пусть незначительно, отличаются от идеальных из-за погрешностей производства. В ИС эти отличия обусловлены, в частности, несовпадением толщины слоёв полупроводника в изготовленных элементах с идеальными заданными значениями толщины. ИС создаются на основе принципа группового изготовления, т.е. изготавливаются сразу все элементы ИС. Поэтому погрешности технологических операций скажутся на отклонении толщин слоёв и параметров всех элементов одинаково. Их параметры будут отличаться от идеала на один и тот же процент (сильная корреляция).

Пусть, например, в ИС используется делитель напряжения вида рис. 15.

24

Рисунок 15

Главным параметром делителя является коэффициент передачи по

напряжению КU = UВЫХ / UВХ = R2 / (R1 + R2) = 1 / (R1/R2 + 1). Очевидно, что этот параметр зависит не от абсолютной величины сопротивлений, а от

отношения R1/R2. Поэтому, если в результате погрешностей технологии величины R1 и R2 отклонятся от идеала на один и тот же процент, главный параметр КU останется абсолютно точным.

Сильная корреляция параметров элементов ИС широко используется в разработке ИС. Отношения параметров элементов при этом являются своего рода эталонами, от которых зависят главные параметры.

4. ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

4.1.Особенности схемотехники цифровых ИС

Спереходом к интегральной технологии радикально изменилась схемотехника электронных устройств (всё то, что относится к выбору элементного состава и разработке схем их соединений). Технология дискретных элементов позволяла использовать практически любой набор типов элементов при ограниченном их количестве. Технология изготовления ИС, напротив, практически не ограничивает разработчика в количестве элементов, но ограничивает количество их типов до двух – трех, иногда даже одного типа. Это особенно характерно для цифровых ИС (ЦИС).

Ещё одна особенность ЦИС – использование ключей практически одного типа во всех её частях. Сегодня, почти всегда, это ключ на комплементарных МДП транзисторах. Остальные типы ключей используются сравнительно редко в ИС с невысокой степенью интеграции.

Для ЦИС характерен также специфический набор главных параметров. Очевидно, что очень важна скорость изменения состояния ключей, которое

определяет быстродействие (тактовую частоту fC) ЦИС. Чаще всего быстродействие оценивается средним временем переключения t:

25

где t01 и t10 – время перехода ключа из состояния 0 в состояние 1 и наоборот, соответственно. Иногда t называют также средним временем распространения сигнала.

Однако не менее важным является энергопотребление ключей, от которого зависит количество выделяющегося в ЦИС тепла и поэтому, предельное количество транзисторов и степень интеграции. Энергопотребление ключей оценивается средней потребляемой мощностью Р:

где Р0 и Р1 – мощности, потребляемые ключом в состояниях 0 и 1.

Ни один из этих параметров сам по себе не характеризует качество применяемых ключей. Быстродействие можно увеличить за счёт увеличения расхода энергии (потребляемого тока), расход энергии можно снизить ценой уменьшения быстродействия. Поэтому главным критерием качества ключей ЦИС является средняя энергия переключения Pt – энергия,

затрачиваемая на одно изменение состояния ключа. В настоящее время эта величина приближается к 10-12 Дж.

Зная Pt, можно оценить среднюю потребляемую мощность ЦИС в целом. Так как вся потребляемая ИС электрическая энергия переходит в тепловую, т.е. рассеивается в виде тепла, эту мощность называют

рассеиваемой мощностью Ррасс. Очевидно, что Ррасс пропорциональна Pt, количеству ключей m и количеству их переключений в секунду, т.е. тактовой

Выражение (8) даёт оценку максимального значения Ррасс, поскольку предполагает, что на каждом тактовом периоде 1 / fC изменяются состояния всех ключей ЦИС. В действительности, выделение тепла может быть значительно меньшим, например, при небольшой загрузке процессора.

В настоящее время Ррасс наиболее высокоинтегрированных ЦИС – процессоров достигает нескольких десятков Вт. Это позволяет относительно просто отводить от них тепло охлаждением вентиляцией воздуха.

26

Интересно, что по оценкам биологов, человеческий «процессор» – мозг, в процессе размышлений потребляет примерно такую же энергию. В ЦИС потребляется электрическая энергия потока электронов, в мозге потребляется химическая энергия потока крови.

Особенностью ЦИС является также высокая помехоустойчивость. На рис. 16 показан процесс наложения сильной помехи на цифровой сигнал (чередование 0 и 1). Очевидно, что если напряжение, которое отличает

Рисунок 16

нулевое состояние от единичного, выбрано правильно, а именно близко к U1/2, то помеха ошибок не вызывает.

4.2. Ключи на одинаковых МДП транзисторах

27

E пит.

Iп

с

Рисунок 17

Т2 здесь является так называемым МДП резистором. Рабочей частью такого резистора является канал Т2. Состояние канала зависит от напряжения затвор-исток. Так как затвор соединён со стоком, это напряжение одновременно является напряжением U на МДП резисторе.

На рис. 18 показана зависимость сопротивления R МДП резистора от приложенного напряжения U. Пока U невелико и меньше порогового

Рисунок 18

напряжения U0, канала нет и R практически бесконечно. При U > U0 появляется канал, с ростом U канал всё более насыщается электронами, R

28

уменьшается. Таким образом, сопротивление R существенно нелинейно. Этот недостаток МДП резистора в ключе несущественен, поскольку транзисторы ключей всегда работают в нелинейных режимах отсечки и насыщения и линейность элементов необязательна.

На рис. 19 изображены временные диаграммы рассматриваемого ключа в предположении, что на его вход подаётся отпирающий прямоугольный

импульс. Пока UВХ = 0, т.е. меньше порогового U0, канала в Т1 нет и

Рисунок 19

потребляемого тока Iп также нет. Когда UВХ > U0, Т1 открыт, потребляется

некоторый ток Iп. Непрерывное потребление тока и энергии в одном из состояний является большим недостатком рассматриваемого ключа. Поскольку существуют ключи, не обладающие этим недостатком, ключи на одинаковых МДП-транзисторах применяются редко. Их достоинством является предельная простота изготовления.

Рис. 19 отражает также невозможность мгновенного изменения состояний. Располагая такими диаграммами, можно определить t01, t10 , Р0, Р1 и главный параметр ключа Pt. В закрытом состоянии мощность ключом не

потребляется, Р0 = 0, в открытом состоянии существует Iп , и поэтому

Р1 = Епит · Iп.

29

4.3.Ключ на комплементарных МДП транзисторах

Впроцессе переключения транзисторных ключей заряжаются и разряжаются так называемые паразитные ёмкости. Как правило, именно этот переходной процесс ограничивает быстродействие. Паразитные ёмкости

вМДП ИС это, прежде всего, ёмкость между затвором и каналом и ёмкость транзистора по отношению к подложке. В ИС на биполярных транзисторах это ёмкости p-n-переходов и также ёмкость по отношению к подложке. Некоторую ёмкость по отношению к подложке имеют и соединительные проводники между транзисторами ИС. Условно можно считать, что на каждый ключ приходится некоторая суммарная ёмкость С.

На рис. 20 изображена схема ключа на комплементарных МДП транзисторах (КМДП ключ). В нём нижний транзистор - с индуцированным n-каналом, верхний – с индуцированным p-каналом. Суммарная ёмкость С учитывает ёмкость затвор-канал транзисторов, их ёмкость по отношению к подложке, ёмкость соединения с нагрузкой и ёмкость самой нагрузки. Нагрузкой такого ключа в КМДП ЦИС всегда является вход другого такого же ключа или несколько таких ключей. Так как затворы МДП транзисторов, т.е. входы ключей, изолированы от всего остального слоем диэлектрика, можно пренебречь активной составляющей сопротивления нагрузки и считать сопротивление нагрузки ключа чисто ёмкостным.

n-канал

Рисунок 20

На рис. 21 представлены временные диаграммы КМДП ключа при подаче на вход одиночного прямоугольного импульса.

30

Рисунок 21

Если входное напряжение Uвх = 0, у n-канального транзистора Uзи = 0, у р-канального Uзи = - Епит. Поэтому нижний транзистор закрыт, верхний открыт. Цепь от + Епит к земле разорвана, потребляемого тока нет.

Если Uвх = + Епит, нижний транзистор открыт, верхний закрыт. Потребляемого тока также нет. Поэтому в обоих статических (неизменяющихся) состояниях такой ключ тока и энергии не потребляет. Это делает КМДП ключ «чемпионом» экономичности и объясняет его исключительно широкое распространение.

Небольшой потребляемый ток (ток заряда i возникает здесь только на короткое время t01, когда открывается верхний транзистор и через его канал заряжается суммарная ёмкость С. При этом С накопит энергию СU2/2 = СЕпит2/2. Такая же энергия превратится в тепло при протекании iзар в канале верхнего транзистора. Когда состояние ключа изменяется на противоположное, возникает ток разряда iразр. Он протекает через канал нижнего транзистора, в котором накопленная в С энергия превращается в тепло. Следовательно, согласно (7), средний расход энергии от источника