Цифровые микросхемы КМОП.

Цифровые микросхемы КМОП.

Рассмотрим цифровые микросхемы КМОП. На рисунке показано условно поперечное сечение р-канального полевого транзистора VT1, к которому подключен управляющий переключатель S1, подано напряжение питания U_и.п, и присоединен резистор нагрузки стока R_с. Транзистор VT1 имеет объем кремния с электронной проводимостью. Этот объем называется n-подложка. Методом диффузии в объеме сделаны две области с повышенной концентрацией положительных носителей — дырок. Это области истока И и стока С с проводимостью р⁺. Знак «+» означает повышенную концентрацию носителей, Чем запас носителей больше, тем больше может быть плотность тока в канале и тем значительнее крутизна полевого транзистора.

На поверхности n-подложки (это левая вертикальная плоскость на рисунке) создают специальным окислением поверхности кремния высококачественный слой кварцевого стекла Si0₂. Толщина этого слоя около 1 мкм. Поверх слоя Si0₂ напыляется металл — алюминий. Если транзистор VT1 в схему не включен, его исток не связан со стоком электрически, так как между этими областями р⁺ находится n-кремний подложки.

Подложку n надо присоединить к самой положительной по потенциалу точке схемы, в данном случае это провод U_и.п. Исток также присоединяем к этому проводу. Из области истока положительные носители р теперь могут уходить в канал к отрицательному полюсу питания U_и.п, если к нему присоединить электрод истока И.

В этом транзисторе канал создается методом электростатической индукции. Канал проводимости наведется, когда через переключатель S1 присоединим затвор 3 транзистора VT1 к низкому входному уровню Н. На затворе относительно подложки скопится отрицательный заряд, на поверхности полупроводника — положительный. Нетрудно видеть, что в этом случае области р⁺ замкнуты положительными носителями, поэтому через канал VT1 и резистор нагрузки R_c, течет ток стока I_c,а на выходе имеется высокий уровень напряжения U_вых = U¹_вых таким образом получилась условная схема полевого элемента РТЛ. Входного тока затвора здесь нет, поэтому резистор ограничения тока затвора не требуется. Выходное напряжение высокого уровня

U¹_вых = U_и.пR_c/(R_c + R_к)

здесь несколько меньше, чем напряжение U_и.п, поскольку внутреннее сопротивление канала R_к составляет 1 кОм...10 кОм и более. Для примера, пусть R_с = 100 кОм и R_и = 10 кОм. При U_и.п. = 10 В получим U¹_вых, = 9,1 В.

Чтобы канал проводимости исчез и цепь выходного тока I_с, разомкнулась, следует движок S1 перевести в положение высокого входного уровня В. Тогда на «конденсаторе» затвор — подложка напряжения нет (U_з.и = О) и положительные носители в канале не индуцируются. На выходе логического элемента U_вых = 0, точнее: через R_с, выходной провод элемента присоединен к нулевому проводу питания ( к «земле»).

Если S1 заменить потенциометром R, можно снять передаточную переходную характеристику р-канального ключа. Постепенно уменьшая напряжение на затворе относительно истока U_зи до нуля, можем обнаружить, что выходное напряжение также начнет уменьшаться и канал проводимости исчезнет при пороговой разности потенциалов U_зи = U^p_пор. Для первых полевых транзисторов U_пор превышало 4...5 В, поэтому для надежного различения уровня 0 ( низкого порогового уровня 4...5 В) и уровня 1 приходилось выбирать U_и.п = 15...30 В, что было непрактично.

Пороговое напряжение открывания оказывается тем меньше, чем выше степень легирования канала и чище поверхность кремния под изоляцией. Этим начальным напряжением нейтрализуются, как бы «разгоняются», паразитные заряды, скапливающиеся на загрязнениях и дефектах поверхности. Для специальных особо низковольтных полевых транзисторов, предназначенных для микросхем, работающих от одного гальванического элемента с напряжением 1,5 В, пороговое напряжение технологи снижают до 0,2 ...0,3 В.

Вернемся к характеристике . Наклонная часть ее соответствует усилительному режиму полевого транзистора. Действительно, здесь приращением входного сигнала U_вх = U_зи уменьшается выходное напряжение между стоком и истоком U_вых = U_си. Коэффициент усиления:

К_u = SR_c

Учтем, что крутизна полевого транзистора S невелика и обратно пропорциональна сопротивлению его канала R_к. Следовательно, K_U ≈ R_c/R_к. Если взять цифры примера к формуле, получим значение К_U на уровне 10, что и определяет малую крутизну наклона характеристики. Увеличить наклон реально можно, если повысить сопротивление R_c. Но это приведет к низкому быстродействию ключа.

Аналогично строится схема полевого элемента РТЛ, для цифровых микросхем КМОП, на n-канальном транзисторе. Здесь дан разрез n-канального полевого транзистора VT1. По сравнению с р-канальным, у него подложка р-типа (кремний, бедный электронами), в которой сделаны легированием п⁺ области истока и стока, обогащенные отрицательными носителями электронами. К затвору (пленка алюминия на поверхности окисла Sio₂) подключен управляющий переключатель S1.

Каким образом можно создать канал с р-проводимостью между, п⁺⁺-областями истока и стока? Очевидно, если подать от S1 высокий потенциал на затвор (относительно заземлённой подложки), металл затвора будет заряжен положительно, поверхность полупроводника — отрицательно. Канал замкнут, и от плюса источника U^и.п, в нулевой провод течет ток стока I^с.

В данном случае выходное напряжение окажется на низком логическом уровне:

U⁰_вых = U_и.пR_c/(R_c + R_к)

Используя данные предыдущего примера получаем U⁰_вых = 0,9 В. Если подать на затвор через Sl нулевой потенциал, низкий уровень, n-канал разомкнется (поскольку затвор и исток будут коротко замкнуты). На выходе появится напряжение высокого логического уровня — потенциал U_и.п точнее выходной провод через R_c, окажется соединенным с положительным полюсом источника. Пороговое напряжение данного n-канального РТЛ - элемента Uⁿ_пор можно определить, собрав устройство согласно рисунка и сняв с его помощью передаточную характеристику элемента.

Как указывалось, р- и n-канальные цифровые элементы сами по себе оказались непрактичными как базовые для массовых микросхем прежде всего нз-за низкого быстродействия. Действо. тельно, при R_c = 100 кОм и емкости нагрузки С_н = 30 пФ время отключения составит

t^1,0 = 2,2R_cC_н = 6,6 мкс.

По-другому, быстродействие микросхем на базе однополюсных полевых ключей не должно превышать 150 кГц (что и подтвердилось практикой).

Увеличить быстродействие на порядок позволяет последовательное (столбиком) соединение р- и n-канальных МОП-транзисторов. Тогда резистор R_с, в схеме не нужен, а заряд и разряд паразитных нагрузочных емкостей будет происходить через относительно небольшие сопротивления р- и n-каналов R^p_к и Rⁿ_к. Таким образом, схема цифрового переключателя станет двухполюсной, аналогично выходной цепи ТТЛ-элемента.

Зарубежным аналогом цифровых КМОП микросхем К561, К176 являеюся микросхемы серии 40.