СХЕМОТЕХНИКА БЛЭ КМОП-ТИПА

Увеличение быстродействия ИС МДП требует увеличения токов перезаряда емкостей нагрузки. Однако это, как было показано ра­нее, ограничивается ростом потребляемой мощности и увеличе­нием нестабильности выходных логических уровней. Преодолеть указанное противоречие можно либо технологическим путем, соз­давая транзисторы с меньшей входной емкостью, либо схемотехни­ческим путем, применяя схему ключа на транзисторах с каналами различного типа, т.е. комплементарные транзисторы. Эти ключи, с одной стороны, позволяют значи­тельно увеличить токи перезаряда емкости нагрузки, а с другой,— максимально уменьшить мощность, рассеиваемую в элементе. Напомним, что ключ на комплементарных транзисторах при правильном выборе параметров входящих в него элементов в статическом режиме работы практически не потреб­ляет мощность от источника питания.

Транзисторы на основе (MOSFET) МОП-структур называют полевыми, или МОП-транзисторами. Его характеристики отличаются от характеристик биполярных транзисторов:

• управляется не током, а напряжением;
• меньшая зависимость параметров от температуры;
• рабочее напряжение MOSFET, теоретически, не имеет нижнего предела благодаря использованию многоячеистых СБИС
• низкое сопротивление канала (единицы миллиом);
• Входное сопротивление транзисторов, используемых в схеме ключа, достигает значений до 10¹² Ом.

 

В отличие от биполярных транзисторов, которые управляются током, полевые транзисторы управляются напряжением. Входное сопротивление полевых транзисторов очень велико. Полевые транзисторы можно разделить на МДП- или МОП-транзисторы и полевые транзисторы с управляющим p-n переходом. Буквосочетание МДП расшифровывается как металл-диэлектрик-полупроводник, а сочетание МОП расшифровывается как металл-окись-полупроводник. В обоих случаях буквенное сочетание объясняется конструкцией полевого МДП-транзистора, в котором используется полупроводник, на поверхность которого нанесён диэлектрик или окись кремния, то есть тоже диэлектрик, а на поверхности диэлектрика располагается металлический электрод, называемый затвором.

Исток – электрод, который формирует носители заряда, от которого эти заряды перемещаются под затвором к стоку. Сток – электрод, который принимает, на который стекают заряды. Создается полевой транзистор на полупроводнике n или р типа, который образует подложку, т.е. дополнительный четвертый электрод. Подложка обычно соединяется с истоком.

Рассмотрим принцип работы МДП транзистора. В полупроводнике p-типа образованы две области полупроводника n-типа с повышенной концентрацией свободных электронов, которые образуют исток и сток. Если под диэлектриком при нулевом напряжении на затворе относительно истока присутствует полупроводник p-типа, то между стоком и истоком образуются два встречно включенных p-n-перехода, проводимость между стоком и истоком в этом случае отсутствует.

При подаче положительного напряжения на затвор относительно истока вблизи поверхности увеличивается концентрация свободных электронов, что при превышении напряжения на затворе величины Uпор приводит к формированию канала проводимости n-типа. То есть между стоком и истоком образуется канал электронной проводимости. С ростом напряжения канал проводимости расширяется, проводимость растёт. Транзистор описанного типа называют МДП-транзистором с индуцированным каналом. Условное обозначение

 

 

Если при изготовлении транзистора вблизи диэлектрика сформирован канал проводимости конструктивно, то есть между стоком и истоком при нулевом

напряжении на затворе присутствует проводимость, то это МДП-транзистор со встроенным каналом. Его условное изображение на схемах

 

Если транзистор строится на полупроводнике n-типа, а носители заряда в

канале p-типа, то в условном обозначении направление стрелки на линии, обозначающей подложку, должно быть противоположным.

 

Схемотехнически БЛЭ КМОП-типа всегда используются пары транзисторов. При этом если для реализации заданной логической функции транзисторы с каналом n-типа включаются последовательно, то парные им транзисторы p-типа включаются параллельно и наоборот. Приведены принципиальные электрические схемы, реали­зующие логические операции 2И—НЕ и 2ИЛИ—НЕ. Для упро­щения на приведенных схемах не показаны элементы входных и выходных цепей ключа.

Напряжение низкого уровня (логический 0) будет на выходе элемента И-НЕ только при одновременной подаче напряжений высокого уровня (логических 1) на все входы X1-Х2. Если напряжение хотя бы на одном из входов (например, X1) будет низкого уровня? то закроется n-канальный транзистор VТ6, и откроется p-канальный транзистор VТ1, через канал которого выход элемента подключается к источнику питания. Таким образом, на выходе будет напряжение высокого уровня, соответствующее логической 1. Для реализации базового логического элемента ИЛИ-НЕ на КМДП структурах участки схемы, содержащие последовательно и параллельно включенные транзисторы, следует поменять местами.

Интегрально-инжекционной логики И²Л.

Особенностью элементов И²Л является:

1. Отсутствие резисторов, что резко упрощает технологию про­изводства МС;

2. Использование токового принципа питания, при котором в ИС задается не напряжение, а ток, который непосредственно ин­жектируется в область полупроводника, образующего структуру одного из транзисторов;

3. Пространственное совмещение в кристалле полупроводника областей, функционально принадлежащих различным транзисто­рам. При этом структура располагается как по горизонтали (планарно), так и по вертикали. Такое решение позволяет отказаться от применения специальных решений для отделения областей, при­надлежащих различным элементам, как это необходимо делать в элементах ТТЛ и ЭСЛ.

Элемент И²Л состоит из двух транзисторов: горизонтальный p-n-p-транзистор выполняет роль инжектора, а вертикальный многоколлекторный n-p-n-транзистор работает в режиме инвертора. Общая область n-типа служит базой p-n-p-транзистора, а также эмиттером n-p-n-транзистора и подключается к «заземлённой» точке. Коллектор p-n-p-транзистора и база n-p-n-транзистора также являются общей областью. Эквивалентная схема приведена на рисунке 16,б.

Рисунок 16 Транзистор с инжекционным питанием: а — структурная схема, б — эквивалентная схема, в — эквивалентная схема с генератором тока.

 

В цепь эмиттер-база инжектора подаётся напряжение питания U_ПИТ. Минимальное напряжение источника определяется падением напряжения на эмиттерном переходе: U_КЭ.нас =0,7 В. Но для стабилизации тока эмиттера I ⁰ последовательно с источником включается резистор R и берут напряжение источника питания U_ПИТ =1…1,2 В. При этом p-n-переход эмиттер-база VT1 открыт и имеет место диффузия дырок к коллекторному переходу. По мере движения к коллектору часть дырок рекомбинируют с электронами, но их значительная часть достигает коллекторного перехода и, пройдя через него, попадают в p-базу инвертора (транзистора VT2). Этот процесс диффузии, т.е. инжекции дырок в базу идёт постоянно, независимо от входного воздействия.

Если напряжение на базе VT2 U_вх = U ⁰, что соответствует замкнутому состоянию ключа S, дырки, попадающие в p-базу инвертора, беспрепятственно стекают к отрицательному полюсу источника питания. В цепи коллектора транзистора VT2 ток не протекает и это эквивалентно разомкнутому состоянию коллекторной цепи VT2. Такое состояние выходной цепи соответствует напряжению лог. «1».

При U_вх = U ¹ (ключ S разомкнут) дырки в p-базе инвертора накапливаются. Потенциал базы начинает повышаться и соответственно понижаются напряжения на переходах VT2 до тех пор, пока эти переходы не откроются. Тогда в коллекторной цепи транзистора VT2 будет протекать ток и разность потенциалов между эмиттером и коллектором инвертора (транзистора VT2) будет близка к нулю, т.е. этот транзистор представляет собой короткозамкнутый участок цепи, и это состояние будет соответствовать уровню лог. «0». Таким образом, рассмотренный элемент выполняет роль ключа.

Как известно, коллекторный ток транзистора, включённого в схему с общей базой, не зависит от изменения напряжения на коллекторе в широких пределах. Транзистор VT1 включён в схему с ОБ.

схема элемента ИЛИ-НЕ и реализация логической функции И

 

Применение многоколлекторного транзистора позволяет поделить общий коллекторный ток VT2 на несколько одинаковых порций, достаточных для управления входом одного аналогичного элемента. Благодаря этому становится возможным применение простейшей схемы логического элемента ИЛИ-НЕ. По быстродействию, вследствие глубокого насыщения транзисторов инвертора, И²Л-элементы уступают ТТЛШ-элементам.

Эффективность использования биполярного транзистора была ограничена несколькими недостатками. Например, необходимость большого тока базы для включения транзистора, что требовало от источника входного сигнала большой мощности.

В ТТЛ на вход поставлен транзистор по схеме включения с ОБ.

В МОП логике используется МОП-транзистор, который управляется не током, а напряжением.

IGBT (англ. Insulated-gate bipolar transistor — биполярный транзистор с изолированным затвором) — силовой электронный прибор, предназначенный в основном для управления электрическими приводами. Составные транзисторы с управлением мощным биполярным транзистором от полевого транзистора с изолированным затвором, выходные токи и напряжения составных структур определяются биполярным транзистором, а входные - полевым.

IGBT предназначенны для управления цепями трёхфазного тока.

Структура IGBT-транзистора Обозначение на схеме

IGBT сочетает достоинства двух основных видов транзисторов – биполярных и полевых с изолированным затвором:

• малые потери в открытом состоянии при больших токах и высоких напряжениях;
• характеристики переключения и проводимость биполярного транзистора;
• управление как у MOП — напряжением.

Диапазон использования — от десятков А до 1200 А по току, от сотен вольт до 10 кВ по напряжению.

 

IGBT-прибор представляет собой биполярный p-n-p транзистор, управляемый от сравнительно низковольтного MOП-транзистора с индуцированным каналом (рис. 1,а).

негатрон

Рис. 1. Эквивалентные схемы IGBT транзистора

IGBT-приборы являются компромиссным техническим решением, позволившим объединить положительные качества как биполярных (малое падение напряжения в открытом состоянии, высокие коммутируемые напряжения), так и MOП-транзисторов (малая мощность управления, высокие скорости коммутации). В то же время потери у них растут пропорционально току, а не квадрату тока, как у полевых транзисторов. Максимальное напряжение IGBT-транзисторов ограничено только технологическим пробоем и уже сегодня выпускаются приборы с рабочим напряжением до 4000 В. при этом остаточное напряжение на транзисторе во включенном состоянии не превышает 2…3 В.

Другая разновидность полевых транзисторов - ДМОП транзисторы, которые изготавливают методом двойной диффузии с горизонтальной структурой [n-p-n-n] и индуцированным каналом n - типа. Такой транзистор представляет собой интегральную схему, состоящую из множества МОП - транзисторных ячеек, соединённых параллельно.

Инжекционно - полевой транзистор (ИТП) представляет собой прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением на основе биполярного и полевого транзисторов – так называемого негатрона.

Демонстрационный вариант выполнения задания.

Задание1.

Укажите правильное определение.

А. Функция И равна нулю, если равен нулю только один аргумент.

Б. Функция ИЛИ равна нулю, если равен нулю только один аргумент.

В. Функция И равна единице, если равен единице хотя бы один аргумент.

Г. Функция И равна нулю, если равен нулю хотя бы один аргумент.

Д. Функция ИЛИ равна единице, если равны единице все аргументы.

 

Решение:

 

Функция И (конъюнкция) имеет условное обозначение и таблицу истинности

Х	У	Х.У

Функция И-НЕ (инверсия конъюнкции) имеет условное обозначение

и таблицу истинности

Х	У	Х.У

 

Функция ИЛИ (дизъюнкция) имеет условное обозначение и таблицу истинности

Х	У	Х+У

 

Функция ИЛИ – НЕ (инверсия дизъюнкция) имеет условное обозначение и и таблицу истинности

Х	У	Х+У

 

=1

Функция исключающая ИЛИ имеет условное обозначение

 

Х	У	Х+У

=1

Функция исключающая ИЛИ-НЕ имеет условное обозначение

 

Х	У	Х+У

 

Ответ: Г. Функция И равна нулю, если равен нулю хотя бы один аргумент.

 

Задание 2. Выберите правильный порядок следования логических элементов.

А. И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

Б. ИЛИ, И, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

В. ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, И.

Г. ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ИЛИ, И.

Ответ: Б. ИЛИ, И, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА.