Принцип работы и конструкция инжекционного вентиля.

Базовый логический элемент (ЛЭ) в литературе называемый вентилем. Элементы интегрально-инжекционной логики выгодно отличаются простотой технологии и конструкции, так как состоят из биполярных транзисторов и не требуют особой изоляции. Следовательно, имеют высокую плотность упаковки – более 1000 вентилей на кристалл, и функциональную плотность 500-600 кристаллов на мм² .

Изобретение в 1972 г. элементов интегральной инжекционной логики (И2Л) явилось результатом работ по совершенствованию БИС на биполярных транзисторах. Для построения микросхем И2Л используется базовая структура, показанная на рис. 18,а. Области p1-n1-p2 образуют горизонтальный транзистор p-n-p-типа, а области n2-p2-n1 – вертикальный транзистор n-p-n-типа.

Горизонтальный транзистор VT1 выполняет функции инжектора дырок из эмиттерной области p1 в область n1, служащую одновременно базой этого транзистора и эмиттером вертикального транзистора VT2. Инжектированные в область n1 дырки собираются расположенными вокруг эмиттерной области p1 областями p2, являющимися одновременно коллекторами горизонтального и базами вертикальных транзисторов. Вертикальные транзисторы имеют по несколько коллекторов, образуемых областями n2. Подложка n1+, являясь конструктивной основой ИМС, объединяет эмиттеры всех вертикальных транзисторов. При этом отпадает необходимость в изоляции отдельных элементов друг от друга, что приводит к существенному уменьшению площади, занимаемой элементом, и повышению коэффициента интеграции.

Рисунок 18

Питание инжектора осуществляется от источника напряжения Еип через токозадающий резистор R И, который не входит в эквивалентную схему ЛЭ иявляется общим для всего кристалла БИС. Возможно также питание от внешнего источника тока или путем облучения поверхности кристалла. Транзистор VT1 типа p-n-p называют токозадающим: он задает ток базы переключательного транзистора VT2 и токи баз других переключательных транзисторов, имеющих общую инжекторную область. В общем случае токозадающий транзистор VT1 является многоколлекторным, количество которых может доходить до нескольких сотен. Если ключевой транзистор предыдущего элемента (VT0) насыщен, то напряжение на эмиттерном переходе транзистора VT2 (UБЭ2) снижается примерно до 50 мВ и коллекторный ток IК транзистора VT1 течет через насыщенный транзистор VT0. При этом транзистор VT2 оказывается закрытым и на его коллекторах устанавливаются напряжения высокого уровня. Если ключевой транзистор VT0 заперт, то напряжение на его коллекторе возрастает до уровня, ограниченного напряжением отпирания эмиттерного перехода ключевого транзистора VT2. Этот уровень у транзисторов И2Л составляет 0,6…0,75 В. Ток IК транзистора VT1 потечет в базу транзистора VT2, вводя его в режим насыщения. На коллекторах транзистора VT2, подключенных ко входам аналогичного элемента, образуются напряжения низкого уровня порядка 50 мВ. Таким образом, рассмотренный базовый ЛЭ И2Л реализует операцию НЕ с уровнями напряжений в ПЛ U1=0,6…0,75 В, U0=0,05 В и логическим перепадом UЛ=0,55…0,65 В. Число выходов такого элемента равно числу коллекторов переключательного транзистора. Условное графическое обозначение инвертора с двумя выходами показано на рис. 18,в.

При анализе схем на элементах И2Л транзистор VT1 (см. рис. 18,б) обычно заменяют генератором тока в базовых цепях ключевых транзисторов VT2. Для получения необходимых логических функций применяют объединение коллекторов ключевых транзисторов. На рис. 19,а показана реализация функции ИЛИ-НЕ на двух базовых элементах. Штриховыми линиями показаны ключевые транзисторы предыдущих элементов. Если хотя бы один из сигналов (например, х 1) равен 1, то есть заперт транзистор VT0^’, то ключевой транзистор VT1 насыщен и y = 0 независимо от состояния VT2. И только в случае, когда х 1= х 2 = 0 токи генераторов тока будут протекать через насыщенные транзисторы VT0^’ и VT0’’, ключевые транзисторы VT1 и VT2 будут заперты и на выходе образуется сигнал y = 1.

Параллельное соединение выходов нескольких инверторов позволяет получить элемент ИЛИ-НЕ в ПЛ либо элемент И-НЕ в ОЛ. При этом не происходит нарушения нормального электрического режима. Параллельное соединение баз транзисторов не разрешается с целью исключения неравномерного распределения токов между несколькими переключательными транзисторами. Элементы И2Л могут работать с очень малыми токами, причем быстродействие элементов растет с увеличением силы потребляемого тока. Эта особенность позволяет получать требуемое быстродействие без разработки каких-либо модификаций элементов И2Л, поскольку нужное быстродействие можно получить с помощью изменения режима работы.

Из-за отсутствия резисторов и наличия общих для обоих транзисторов областей p и n схемы элементов И2Л в 1,5…2 раза технологичнее схем элементов ТТЛ и занимают меньшую площадь на кристалле. Плотность элементов И2Л может в 50 раз превышать плотность элементов ТТЛ. Низкое напряжение питания (порядка 1,5 В), малые логические перепады и малые паразитные емкости (обусловленные малыми размерами элементов) позволили уменьшить энергию переключения до долей пикоджоуля (у стандартного элемента ТТЛ А=100 пДж).Малые уровни сигналов и существенно отличающиеся по значениям выходные сопротивления для состояний логического 0 и 1 делают неперспективным применение элементов И2Л в схемах малой и средней степени интеграции, т.к. при этом очень трудно обеспечить надежную передачу сигналов по внешним линиям связи без использования специальных буферных элементов. Поэтому элементы И2Л ориентированы на реализацию только в БИС

или СБИС.