1.8. Интегральные схемы на полевых транзисторах

Полевым называется транзистор, в котором изменение тока происходит под действием перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом. Протекание рабочего тока в полевом транзисторе обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие транзисторы называются также униполярными (в отличие от биполярных). По физическим эффектам, лежащим в основе управления носителями заряда, полевые транзисторы условно делят на две группы: с управляющим p-n-переходом (находят применение при построении СБИС) и с изолированным затвором (МОП-транзисторы).

МОП ИС в настоящее время получили очень широкое распространение для создания устройств средней и высокой степеней интеграции. К устройствам средней степени интеграции относятся широко используемые регистры, счетчики, сумматоры, а к устройствам высокой степени интеграции – постоянные и оперативные запоминающие устройства, электронные калькуляторы, микропроцессоры и др. Современные МОП ИС содержат до 100000 элементов на одном кристалле, причем существует выраженная тенденция к дальнейшему повышению степени их интеграции.

Под МОП ИС понимается полупроводниковая, обычно кремниевая подложка с определенным набором соответствующим образом соединенных активных и пассивных элементов со структурами типа МОП. В некоторых устройствах МОП ИС могут содержаться также биполярные активные элементы. Свойства ИС в значительной степени определяются свойствами используемых в них активных элементов. МОП-транзисторы по своим свойствам дополняют биполярные транзисторы, поэтому МОП ИС обычно применяют не вместо биполярных ИС, а наряду с ними. Использование МОП-транзисторов позволяет реализовывать полупроводниковые ИС с более сложными электрическими функциями при одинаковых площадях исходных кремниевых подложек.

С помощью МОП-транзисторов достигаются наивысшая сложность и плотность компоновки элементов, дешевизна при больших объемах производства, малая потребляемая мощность. Кроме того, в МОП ИС обычно используются только одна ила две разновидности элементов, электрические свойства которых можно изменять путем изменения геометрической конфигурации соответствующего прибора. Важные преимущества МОП ИС связаны с технологией их изготовления.

Из сравнительного анализа технологических процессов изготовления биполярных и МОП ИС следует, что биполярная технология примерно на 30% сложнее МОП-технологии. При использовании МОП-технологии существенно уменьшается число необходимых технологических операций, особенно операций высокотемпературной диффузии. Поэтому выход годных МОП ИС значительно превышает выход годных биполярных ИС той же функциональной сложности. По сравнению с биполярной технологией МОП-технология позволяет получить ряд преимуществ.

Во-первых, поскольку технологический цикл включает меньшее число операций фотолитографии, диффузии и травления, уменьшается суммарный допуск на эти операции. Таким образом, на перечисленные допуски расходуется меньшая площадь МОП ИС. Во-вторых, в отличие от активных биполярных структур реализация МОП-структур не требует формирования изолирующих р-n-переходов или локальных областей, изолированных диэлектриком. Так, например, в биполярных ИС, элементы которых изолированы р-n-переходами, области изоляции могут занимать до 30% активной площади.

Следующим преимуществом МОП ИС является более низкая, чем у биполярных ИС, стоимость на реализацию одной схемной функции. Это обусловлено меньшей площадью используемой подложки и более высоким процентом выхода годных схем. Малые размеры МОП ИС опреде- ляются малой площадью, занимаемой одной МОП-структурой, и использованием МОП-структур в качестве высокоомных резисторов вместо относительно крупногабаритных диффузионных резисторов.

Площадь МОП ИС обычно составляет не более 20% от площади, занимаемой биполярными ИС той же функциональной сложности. Малые размеры МОП ИС по сравнению с биполярными ИС связаны также с тем, что для реализации схемных функций требуется меньшее число элементов и контактов между кремниевой подложкой и напыляемой металлической пленкой. По мере усложнения устройства это достоинство МОП ИС становится все более существенным.

МОП ИС характеризуются высоким коэффициентом разветвления по выходу (благодаря высокому входному сопротивлению МОП-транзисторов), значительной помехоустойчивостью, составляющей более 1 В, повышенной надежностью. Более высокая надежность МОП ИС по сравнению с биполярными ИС связана с меньшими размерами элементов. Кроме того, малые размеры и небольшая потребляемая мощность даже достаточно сложных МОП ИС дают возможность широко применять резервирование, что способствует дальнейшему повышению надежности. Однако главная причина повышения надежности МОП ИС обусловлена значительным уменьшением числа межэлементных соединений.

Развитие МОП-технологии, используемой для изготовления ИС, началось в 1962 г. Первые МОП-транзисторы выполнялись с каналами p-типа (рис. 1.19). Впоследствии удалось преодолеть ряд технологических трудностей и стало возможным изготовлять приборы n-МОП-типа (рис. 1.20), имеющие более высокое быстродействие и позволяющие достичь большей степени интеграции ИС.

В целом ряде схемотехнических приложений наилучшие характеристики достигаются с помощью так называемых комплементарных МОП-транзисторов (КМОП-транзисторов) (рис. 1.21). КМОП-транзисторы – это два МОП-транзистора, изготовленных в одном полупроводниковом кристалле, один из которых имеет канал с проводимостью n-типа, а другой – p-типа. При изготовлении таких транзисторов в исходной полупроводниковой пластине, например, с проводимостью n-типа создают МОП-транзистор с каналом p-типа, а также область с проводимостью p-типа («карман»). Второй МОП-транзистор с каналом n-типа создают в этом «кармане».

МОП-структуры, применяемые в качестве элементов ИС, могут выполнять функции усиления, генерации и преобразования электрических сигналов, т.е. те же функции, которые выполняются биполярными приборами. Кроме того, МОП-структуры можно использовать в качестве конденсаторов и резисторов, номиналы которых изменяются в определенных пределах при изменении напряжения на затворе.

Базовым элементом цифровых МОП ИС служит инвертор (ключ). Электрические схемы инверторов на p-канальных (рис. 1.22) и n-канальных (рис. 1.23) МОП-транзисторах отличаются друг от друга лишь полярностью напряжения источника питания и характером сопротивления нагрузки, роль которого играет транзистор VT2. Активным же транзистором является VT1.

Применение в качестве нагрузочных резисторов нормально открытых МОП-транзисторов позволяет отказаться от высокоомных диффузионных резисторов, занимающих на исходной подложке большие площади. Если затвор нагрузочного транзистора VT2 подключается к источнику напряжения смещения (рис. 1.22), которое по модулю превышает напряжение источника питания, то транзистор VT2 представляет собой квазилинейную нагрузку. Если же затвор транзистора VT2 соединен непосредственно с источником питания (рис. 1.23), то нагрузочный транзистор является нелинейной квадратичной нагрузкой. Поскольку последнее обстоятельство при работе инвертора в ключевом режиме (для которого он собственно и предназначен) никакой роли не играет, то на практике чаще всего, чтобы не усложнять схему, используют соединение затвора нагрузочного транзистора с источником питания.

В процессе работы инвертор может находиться в трех различных состояниях: выключенном, включенном и переключения. В выключенном состоянии ключевой транзистор закрыт, и выходное напряжение инвертора соответствует уровню логической «1». Во включенном состоянии ключевой транзистор открыт, и выходное напряжение инвертора соответствует уровню логического «0».

В любом из этих трех состояний инвертор потребляет от источника питания мощность. Правда, мощность, потребляемую в процессе переключения, можно не учитывать, поскольку длительность переключения много меньше длительности пребывания инвертора в стационарных состояниях. Аналогично в большинстве практических случаев можно пренебречь и мощностью, потребляемой в выключенном состоянии, поскольку она близка к нулю.

Снижение мощности, потребляемой МОП ИС, за счет простого изменения электрического режима ухудшает ее быстродействие и ряд других параметров. Наилучшие результаты в этом направлении дает использование КМОП ИС, которым по сравнению с МОП ИС присущи следующие основные достоинства: малая потребляемая мощность в статическом режиме, высокое быстродействие, высокая помехоустойчивость (за счет большего перепада уровней логических «0» и «1»).

Принципы построения и функционирования КМОП ИС можно рассмотреть на примере инверторов, электрические схемы которых приведены на рис. 1.24 и рис. 1.25. Обе схемы состоят из двух последовательно соединенных МОП-транзисторов с каналами разных типов. Транзистор VT1 является ключевым, а VT2 – нагрузочным, причем затворы транзисторов объединены и служат входом инвертора. Схемы отличаются полярностью напряжения источника питания и соответственно полярностью входных и выходных логических сигналов.

Если к шине «земля» непосредственно подключен МОП-транзистор с каналом p-типа (рис. 1.24), то схема работает в режиме отрицательной логики (входные и выходные логические сигналы имеют отрицательную полярность). Если же к шине «земля» непосредственно подключен МОП-транзистор с каналом n-типа (рис. 1.25), то схема работает в режиме положительной логики (входные и выходные логические сигналы имеют положительную полярность).

Особенности построения и функционирования КМОП-каскада:

а) входное напряжение управляет не только ключевым, но и нагрузочным МОП-транзистором;

б) управление является противофазным.

При подаче на вход сигнала логической «1» ключевой транзистор VT1 открывается (его сопротивление между стоком и истоком приблизительно равно нулю), а нагрузочный транзистор VT2 закрывается (его сопротивление стремится к бесконечности). При этом на выходе формируется уровень логического «0», близкий к потенциалу шины «земля». Когда же на вход подается сигнал логического «0», ключевой транзистор VT1 закрывается, а нагрузочный транзистор VT2 открывается, что приводит к формированию на выходе уровня логической «1», близкого к напряжению питания Е.

Противофазное управление транзисторами VT1 и VT2 обеспечивается тем, что истоки транзисторов подключаются к соответствующим полюсам источника питания: исток VT1 – к шине «земля», а исток VT2 – к шине «питание». В результате на затворе транзистора VT2 по отношению к его истоку всегда действует сигнал противоположной полярности, нежели на затворе транзистора VT1, логически инверсный входному сигналу, что и требуется для соответствующего управления транзистором VT2 с каналом другого типа проводимости.

Таким образом в КМОП ИС уровни логических «0» и «1» имеют экстремальные значения (соответственно 0 и Е), а логический размах равен напряжению питания. Благодаря этому быстродействие КМОП ИС оказывается выше по сравнению с обычными МОП ИС на транзисторах с каналами одного типа проводимости, у которых перезарядка паразитной емкости нагрузки осуществляется значительно меньшими токами.

КМОП ИС практически не потребляют мощности от источника питания ни в одном из логических стационарных состояний, что обусловлено самой конфигурацией инвертора. В статическом состоянии n- и p-канальный транзисторы не могут быть открыты одновременно, поэтому полный статический ток равен лишь току утечки закрытого транзистора. Такие схемы расходуют энергию только при переключении из одного логического состояния в другое.

Принципы построения логических ИС на МОП-транзисторах во многом соответствуют принципам построения ТЛНС. Так, для построения многовходовой схемы ИЛИ – НЕ к одному нагрузочному МОП-транзистору подключают стоками m логических МОП-транзисторов, истоки которых заземляют. На рис. 1.26 приведена логическая схема ИЛИ – НЕ на два входа, содержащая один нагрузочный и два логических МОП-транзистора.

При параллельном включении МОП-транзисторов ограничение их количества обусловлено снижением уровня логической «1» на выходе схемы за счет падения напряжения на нагрузочном МОП-транзисторе от суммарного тока утечки всех ключевых МОП-транзисторов. Так как ток утечки отдельного МОП-транзистора очень мал (≤ 0,1 нА), то число параллельно соединяемых МОП-транзисторов может достигать 10 и более.

Сверхвысокое входное сопротивление МОП-транзисторов по затвору (R_вх > 10¹²Ом) позволяет строить на их основе ИС с высокой нагрузочной способностью (n> 10 – 20). Нагрузочная способность МОП ИС ограничивается лишь быстродействием, которое снижается с ростом числа нагрузок за счет соответствующего увеличения паразитной емкости нагрузки.

Интегральная технология изготовления МОП-структур позволяет использовать последовательное (ярусное) включение МОП-транзисторов, когда в цепь между нагрузочным МОП-транзистором и шиной «земля» включают не один, а несколько логических МОП-транзисторов по схеме И. При этом исток нижнего логического МОП-транзистора подключается к шине «земля», а его сток – к истоку верхнего МОП-транзистора и т.д.

В подобной схеме ток через нагрузочный МОП-транзистор протекает лишь в случае, когда открыты логические МОП-транзисторы всех ярусов. По этому принципу строятся схемы И – НЕ (рис. 1.27). Как и схемы ИЛИ – НЕ, они имеют высокую нагрузочную способность, но параметр m_и значительно уступает параметруm_или. Количество последовательно соединяемых логических МОП-транзисторов обычно составляет не более четырех, так как при большем параметреm_и недопустимо повышается уровень логического «0» на выходе вследствие заметного возрастания суммарного сопротивления открытых ключевых МОП-транзисторов.

Ярусное включение МОП-транзисторов позволяет создавать логические МОП ИС, обладающие большей гибкостью, чем биполярные ИС, при построении сложных функциональных узлов. На рис. 1.28 и рис. 1.29 представлены сложные логические МОП ИС, реализующие соответственно функции ИЛИ – И – НЕ и И – ИЛИ. Аналогично могут быть построены МОП ИС, выполняющие любые другие сложные логические функции.

В заключение приведем типовые электрические параметры КМОП ИС:

задержка распространения сигнала на вентиль – 0,7 – 6 нс; потребляемая мощность – 0,3 – 0,5 мВт; помехоустойчивость – 1,5 – 5 В. Сравнение их с соответствующими характеристиками семейств биполярных цифровых ИС показывает, что если по быстродействию КМОП ИС находятся на уровне лучших биполярных ИС (ТТЛШ, ЭСЛ, И²Л), то уже по потребляемой мощности с ними может конкурировать лишь И²Л. Что же касается помехоустойчивости, то по этому показателю КМОП ИС заведомо опережают все семейства биполярных ИС.