Конструктивно-технологические варианты исполнения элементов КМДП-БИС (стр. 1 из 2)
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
КАФЕДРА РЭС
РЕФЕРАТ
НА ТЕМУ:
«КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВАРИАНТЫ ИСПОЛНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КМДП-БИС»
МИНСК, 2009
Из всех возможных схем инверторов схема на транзисторах с разными типами проводимости обладает выдающимися свойствами и с развитием конструктивно-технологических способов ее изготовления выдвигается на первый план как основа для создания БИС и СБИС сложных полупроводниковых цифровых и аналоговых устройств. Такие схемы называют схемами с взаимодополняющими (комплементарными) транзисторами (КМДП). Подложки каждого из транзисторов соединены с их истоками, что предотвращает открывание р-п переходов. Затворы транзисторов объединены. На них подается управляющий входной сигнал, уровень которого изменяется от U0вх≈ 0 и U1вх ≈Uи.п Выходной сигнал снимается с объединенных стоков транзисторов.
Функционирование КМДП-инвертора
Характерной особенностью функционирования КМДП-инвертора является то, что входное напряжение управляет не только ключевым, но и нагрузочным транзистором. При низком уровне напряжения на входе (логический 0) открыт р-МДП-транзистор, n-МДП-транзистор закрыт и на выходе имеет место высокий уровень напряжения (логическая 1), близкий к напряжению источника питания Uи.п .При высоком напряжении на входе открыт n-МДП-транзистор, а р-МДП закрыт и выходное напряжение является низким. Таким образом, КМДП-ячейка (рис. 1, а) работает как инвертор, в котором р-МДП-транзистор играет роль переменной нагрузки. Запирание одного транзистора связано с отпиранием другого, и наоборот. Такая работа транзистора в КМДП-инверторе связана с тем, что в схеме всегда выполняется условие UЗИn +UЗИр= =Uи.п и уменьшение UЗИ одного транзистора приводит к увеличению UЗИ другого.
Рис. 1 Электрическая схема (а) КМДП-инвертора на основе взаимодополняющих п- и р-транзисторов с индуцированными канала-ми и его передаточная характеристика (б)
Рассмотрим в упрощенном виде передаточную характеристику (зависимость (Uвых от Uвх) (рис. 1, б) инвертора: параметры транзисторов будем считать одинаковыми, а токи утечки пренебрежимо малыми. При общем условии |Uop+|Uon|<|Uи.п|<|Uпр|, где Uпр —напряжение пробоя перехода сток—подложка n-канального транзистора, работа инвертора осуществляется следующим образом. При 0<Uвх<U0n активный транзистор n-типа закрыт, нагрузочный транзистор р-типа открыт и выходное напряжение Uвых =Uи.п =U1 (рис. 1). При увеличении Uвыхот Uonдо Uи.р—Uopпроисходит плавное запирание р-транзистора, отпирание п-транзистора и уменьшение напряжения на выходе Uвых. При Uвх = Uи.п — Uop нагрузочный транзистор VT2 закрыт и Uвых =0= U0.
Как мы видим, и в состоянии логического нуля и в состоянии логической единицы один из транзисторов находится в закрытом состоянии и ток от источника питания отсутствует. Потребление энергии происходит только в момент переключения инвертора из одного состояния в другое и расходуется на перезарядку емкости нагрузки. При этом рассеиваемая мощность пропорциональна частоте переключения f, емкости нагрузки СН и квадрату напряжения источника питания:
. Отсюда естественно вытекает, что самым эффективным средством снижения рассеиваемой инвертором мощности является уменьшение напряжения источника питания, на величину которого, как это видно из предыдущего рассмотрения, накладываются ограничения: Uon< Uи.п, Uop< Uи.п , Uon+Uop> Uи.п. Минимальные значения пороговых напряжений определяются возможностями технологии изготовления КМДП-инвертора, а также допустимыми уровнями помех. Напряжение источника питания обычно лежит в интервале 3,0... 12 В. Эти данные говорят также о том, что КМДП-инвертор малочувствителен к достаточно большим колебаниям напряжения источника питания.Преимущества, недостатки, перспективы использования КМДП-структур
Главное преимущество — минимальное энергопотребление, благодаря чему вначале основной областью применения КМДП-микросхем было создание интегральных устройств с батарейным питанием (для наручных часов, микрокалькуляторов и др.).
Новые области применения открываются перед КМДП-схемами не только благодаря их малому энергопотреблению, но и в не меньшей степени из-за их повышенной помехоустойчивости и обусловленной этим возможности работать при предельных температурах и в широком диапазоне температур. Имеются данные, что именно КМДП-микросхемы могут уверенно работать в температурном интервале —60...+125°С и при более высоких температурах.
Еще одно преимущество КМДП-микросхем — широкий диапазон напряжений питания Их способность работать при напряжениях питания от 3 до 15 В означает принципиально более высокую независимость от флуктуации напряжения источника питания, шумов, колебаний температуры. Высокая помехоустойчивость КМДП объясняется тем, что ее передаточная характеристика имеет очень крутой перепад.
Благодаря исключительно малому потреблению энергии в режиме хранения информации КМДП-технология является привлекательной для создания БИС памяти, так как в большинстве систем памяти их элементы в основном работают в режиме пассивного хранения, а не в режиме обращения, и поэтому малое потребление мощности в статическом режиме, свойственное КМДП-схемам, может обеспечить значительное снижение затрат на источники питания. И хотя у КМДП-микросхем плотность упаковки и быстродействие не достигли еще того уровня, что и в МДП-микросхемах на n-канальных транзисторах, по полной рассеиваемой мощности с ними могут соперничать очень немногие другие типы микросхем (рис. 3), а других подобных им приборов с автоматическим снижением потребляемой мощности при переходе в статический(хранение логического 0 или 1) режим работы вообще не существует.
Структуры КМДП не лишены недостатков. К их числу относится сравнительно низкое быстродействие, обусловленное малой скоростью переключения р-МДП-транзисторов из-за низкой подвижности дырок. Для повышения быстродействия ширину р-каналов необходимо увеличить в 1,5...2 раза по сравнению с шириной p-каналов, если длина каналов обоих типов выполнена минимальной. Другой недостаток — большая площадь кристалла, занимаемая КМДП-элементом (рис. 2). В тех случаях, когда можно обойтись невысоким быстродействием, ширину р-каналов лучше выбрать такой же, как у n-каналов (один и тот же проектный размер), чтобы не увеличивать без необходимости и без того большую площадь КМДП-ячейки
К отрицательным свойствам КМДП-структур относится изменение (сдвиг) передаточной характеристики элемента со многими входами с изменением числа входов, на которых сигнал изменяется одновременно. Это связано с изменением сопротивления цепочки р-МДП-транзисторов . Если в цепочке изменится сигнал только на входе 1, ее сопротивление будет вдвое больше, чем при его одновременном изменении на входах 1 и 2, и втрое больше при изменении сигнала одновременно на трех входах. Это ограничивает допустимое число входов КМДП. Если источник питания обладает хорошей стабильностью напряжения и помехоустойчивость схемы не вызывает беспокойства, то число входов в КМДП-ячейке может быть больше обычно принятого значения, равного четырем.
Одним из недостатков КМДП-микросхем, выполненных по традиционной технологии (см. рис. 2), является вероятность защелкивания: вследствие своей близости друг к другу р- и n-канальные приборы вместе могут образовывать сквозные р-п-р-п или п-р-п-р-структуры, которые ведут себя как кремниевые управляемые выпрямители (тиристоры), т. е. защелкивающиеся приборы, которые обычно срабатывают от бросков тока во входной или выходной цепи. Этот бросок тока попадает в базу п-р-п- или p-n-p-прибора, а раз открывшись, паразитная р-n-р-n-структура остается в этом состоянии вплоть до выключения питания. Решение проблемы защелкивания КМДП-микросхем — в создании изолирующих карманов для каждого типа транзисторов.
Одним из недостатков КМДП-микросхем, выполненных по традиционной технологии (см. рис. 2), является вероятность защелкивания: вследствие своей близости друг к другу р- и n-канальные приборы вместе могут образовывать сквозные р-п-р-п- или п-р-п-р-структуры, которые ведут себя как кремниевые управляемые выпрямители (тиристоры), т. е. защелкивающиеся приборы, которые обычно срабатывают от бросков тока во входной или выходной цепи. Этот бросок тока попадает в базу п-р-п- или p-n-p-прибора, а раз открывшись, паразитная р-n-р-n-структура остается в этом состоянии вплоть до выключения питания. Решение проблемы защелкивания КМДП-микросхем — в создании изолирующих карманов для каждого типа транзисторов.
б)n- канальный p- канальный
Рис. 2. Конструкция КМДП-инвертора с алюминиевыми затворами (а) и его топология (б): I— алюминий; 2— охранное кольцо р-канального транзистора; 3— охранное кольцоn-канального транзистора; 4— р-карман n-канального транзистора; штриховой линией показанаобласть тонкого окисла