2.3.9. Арсенід-галієві логічні елементи
Усі розглянуті вище базові логічні елементи і інтегральні технології будуються на основі кремнієвих напівпровідників, які майже повністю задовольняють вимогам сучасної електроніки. Але найбільш сучасні напрямки електроніки вимагають забезпечення швидкодії приладів, яка не може бути забезпечена електронною елементною базою, що виготовляється на основі кремнію. Для побудови таких приладів використовується арсенід галію (GaAs) – напівпровідник на основі галію, що розміщений у 3-й колонці періодичної таблиці елементів, і арсеніду з п’ятої колонки. Тому він відомий як Ш-V- напівпровідник. Головна перевага GaAs полягає в тому, що n-напівпровідник на його основі має рухомість основних носіїв – електронів – у 5-10 разів більшу, ніж у кремнієвих напівпровідниках. Це означає, що напівпровідник на основі солі GaAs має набагато більшу провідність і, відповідно, більші робочі струми. Це, в свою чергу, дає можливість значно підвищити швидкість заряду-розряду паразитних ємностей.
Арсенід-галієві прилади використовують в останні роки для виготовлення дискретних компонентів підсилювачів для мікрохвильової техніки. Зовсім недавно GaAs почав використовуватись для побудови аналогових (операційні підсилювачі) і цифрових (мікропроцесори) ІС з робочими частотами, які перевищують 1 ГГц.
Базовим елементом, який використовується для побудови різноманітної схемотехніки, є n- канальний польовий транзистор зі скороченою назвою MESFET (Metal-Semiconductor Field Effect Transistor). Технологічно такий транзистор, на відміну від кремнієвих, будується не на домішкових структурах, а на підкладці з чистого GaAs, який має дуже низьку провідність і є напівізолюючою структурою. Така особливість суттєво спрощує технологічні задачі ізоляції різних приладів однієї мікросхеми і тим самим дає можливість суттєво зменшити паразитні ємності як між окремими транзисторами, так і між транзисторами і заземленням.
Канал у структурі транзистора будується на основі n- домішкових структур. Тільки на них будуються MESFET. Поряд з транзистором технологічно легко виготовляються діоди Шоткі, які широко використовуються в схемотехніці надвисокочастотних приладів. p-MESFET не мають таких переваг, як n- домішкові прилади. Цей недолік приводить до ускладнення схемотехніки базових логічних елементів.
Реальні величини затримок інверторів на базі MESFET-транзисторів складають від 10 до 100 пікосекунд, що є головною перевагою технології. Недоліками є порівняно висока споживана потужність, вузький діапазон робочих напруг, вища, ніж інших технологій, вартість. Напруга живлення логічних елементів лежить у межах 1,2…1,5 В.
Однією з перших серій, які почали виготовлятись на базі арсенід-галієвих напівпровідників, є DCFL (Direct Coupled FET Logic). Схема її базового елемента приведена на рис. 2.52, а. Вона використовує збіднений транзистор VT1 і збагачені транзистори VT2, VT3, призначені для прийому вхідних сигналів. Логічний елемент реалізує операцію 2АБО-НІ.
Розглянемо особливості роботи цього елемента. Коли вхідна напруга, представлена логічним сигналом Х0 , прикладається до затвору транзистора VT2 і має величину меншу, ніж її порогове значення UП , транзистор VT2 знаходитиметься у виключеному стані. Величина порогової напруги для MESFET є позитивною з типовим рівнем 0,1…0,3 В. Якщо вихід базового елемента вільний (не приєднаний до входів інших мікросхем), то напруга на виході буде близькою до Е, оскільки кола для протікання струму від транзистора VT1 немає. Транзистор VT1 працює у режимі джерела струму і при відсутності кола для протікання струму переходить у режим насичення. Реально схема працює на аналогічний логічний елемент (транзистор VT4 слідуючої мікросхеми). У такому випадку струм, генерований транзистором VT1, проходить через транзистор навантаження. Вище було відмічено, що поряд з арсенід-галієвим транзистором монтується діод Шоткі. У розгляданій структурі базового логічного елемента він приєднується паралельно входу MESFET. При прямому протіканні струму через діод на ньому має місце падіння напруги близько 0,7 В. У цьому полягає суттєва різниця між цими схемами і КМОН-структурами.
На рис. 2.52, б приведена схема DCFL-інвертора з навантаженням у вигляді діода Шоткі. При величині вхідної напруги, меншій порогового рівня, струм через ключ VT2 і2 = 0 і весь струм і1 від транзистора VT1 протікає через прямозміщений діод Шоткі, забезпечуючи падіння напруги 0,7 В. Оскільки напруга живлення низька (1,2…1,5 В), то транзистор VT1 працюватиме в активному режимі. Як тільки вхідна напруга перевищить порогове значення транзистора VT2, останній включиться і почне пропускати струм і2 . Спочатку величина цього струму буде малою, але вона зменшуватиме струм, що протікав через діод Шоткі. Напруга на VD також зменшуватиметься. Як тільки забезпечиться виконання рівністі і1 = і2 , діод Шоткі перестане проводити струм і закриється, а подальше зростання вхідної напруги приведе до зниження падіння напруги на транзисторі VT2 до величини 0,1…0,2 В. Звідси маємо, що діапазон вихідних напруг такого ключа знаходиться в інтервалі 0,1…0,7 В, що суттєво сприяє зниженню потужності на перемикання і інтервалу затримки.