Структуры комплементарных схем

 

МОП-транзисторная логика на комплементарных транзи­сторах (КМОП-логика или КМОПТЛ). Основное достоинство КМОП-ключей состоит в том, что изменение выходного напряжения не связано с изменением тока: он остается близким к нулю. Это преимущество — ничтожную потребляемую мощность — со­храняют и КМОП логические элементы. Два типовых варианта таких ИЛЭ показаны на рис. 1. Их принцип действия аналогичен принципам действия комплементарных ключей на МДП-транзисторах.

 

Рис. 1. КМОП логические элементы на комплементарных ключах: а — элемент ИЛИ-НЕ; б — элемент И-НЕ

 

На рис. 1 видна закономерность структуры КМОП логи­ческих элементов: параллельное соединение одного типа тран­зисторов сопровождается последовательным соединением транзисторов другого типа. Выполняемая логическая функ­ция определяется включением транзисторов «нижнего этажа». В рассматриваемой схеме — это n-канальные транзисторы. Если изменить полярность питающего напряже­ния, то в «нижнем этаже» окажутся транзисторы с p-каналом.

Пусть в схеме на рис. 1, а на оба логических входа пода­ны уровни U0 < Uo. Тогда в n-канальных транзисторах T1 и T2 канал отсутствует, т. е. они заперты. В p-канальных транзисто­рах Т2 и Т4 образуются каналы, так как разность потенциалов U0 - Еc = UЗИ превышает (по модулю) пороговое напряжение. Однако, поскольку через каналы протекают ничтожные токи запертых транзисторов Т1 и ТЗ, падение напряжения на кана­лах тоже получается ничтожным. Поэтому можно считать, что выходное напряжение равно напряжению пита­ния. Это и есть уровень единицы U1 = Ео.

Если подать на вход А уровень U1, то в транзисторе Т1 обра­зуется канал, а в транзисторе Т2 канал исчезает, т.е. этот тран­зистор запирается. Ничтожный остаточный ток транзистора Т2, протекая через канал Т1, дает на нем практически нулевое падение напряжения. Поэтому в данном случае можно считать U0 = 0. Соответственно логический перепад составляет UЛ = Ео.

Помимо высокой экономичности, дополнительными преиму­ществами КМОП-логики по сравнению с МОПТЛ являются ма­лые рабочие напряжения (до 2U0 и менее) и более высокое бы­стродействие. Схема на рис. 1, б ха­рактеризуется аналогичными параметрами. Ее работа по принципу аналогична схеме на рис. 1, а.

Еще одной разновидностью элемен­тов, выполненных на комплементарных транзисторах, являются ключи коммутации. Поскольку при размыкании и замыкании канала полевого транзистора управляющий сигнал гальванически не связан с коммутируемой цепью, такой ключ может замыкать и разрывать последовательные электрические цепи. На рис. 2 показана типовая схема КМОП-ключа коммутации.

 

Рис. 2. Ключ комму­тации на комплементарных МОП-транзисторах.

Ключ имеет вход (А) и выход (В) сиг­нала, а также вход (Е) разрешения про­хождения сигнала (названия «вход» и «выход» условные, т.к. ключ симметричен относительно этих функциональных выводов). В отличие от КМОП-инвертора, на затворы р- и п-канального транзисторов ключа подаются противоположные логиче­ские уровни, так что оба транзистора или одновременно закры­ты (при высоком уровне на входе Е), или одновременно открыты (при низком уровне на входе разрешения Е). Канал проводимо­сти в таком ключе двунаправленный и может пропускать логи­ческие уровни с амплитудой от 0 до + Ес. За счет одновременно­го использования в ключе п- и p-канальных транзисторов удает­ся снизить зависимость последовательного сопротивления ключа коммутации от уровня коммутируемого сигнала.

 

КМДП-инвертора

Как указывалось, р- и n-канальные цифровые элементы сами по себе оказались непрактичными как базовые для массовых микросхем прежде всего из-за низкого быстродействия. Действительно, при Rc = 100 кОм и емкости нагрузки Сн = 30 пФ время отключения составит t1,0 = 2.2RcCн = 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 Rc в схеме не нужен, а заряд и разряд паразитных нагрузочных емкостей будет происходить через относительно небольшие сопротивления р- и n-каналов. Таким образом, схема цифрового переключателя станет двухполюсной. Важнейшей особенностью комплементарных ключей является то, что они практически не потребляют мощности в обоих состояниях.

На рис. 1, а показано последовательное соединение комплементарных МОП-транзисторов: р- и n-канального. Их затворы соединены. Если на оба затвора сразу подается нулевой уровень, то полностью открыт только р-канал и разомкнут n-канал. Выходное напряжение Uвых = Uпит. На выходе устанавливается уровень логической единицы.

ё

Рис. 1. Инвертор КМОП: а — схема для снятия переходной характеристики, б — передаточная характеристика; в — управление инвертором, е — замкнут n канальный транзистор: д— замкнут р канальный тран­зистор, е — эквивалент выходной схемы инвертора КМОП

 

Если подать на вход инвертора напряжение соответствующее уровню логической единицы, то на выходном контакте появится нулевое напряжение Uвых = 0, потому что теперь n-канал будет замкнут, а р-канал разомкнётся. Когда на затворы посту­пает среднее напряжение Uпит/2, выходное напряжение также окажется близким к Uпит/2, если сопротивления каналов примерно. На рис. 2, б показана результирующая передаточная характеристика инвертора КМОП Uвых(Uвх). Точки изломов характеристики соответ­ствуют пороговым напряжениям включения n- и р-канала.

Более полное представление о свойствах входной и выходной цепей КМОП-инвертора можно получить при рассмотрении поперечного сечения того участка кремниевой n-подложки, где расположен инвертор (рис. 2, а). По горизонтали размер этой структуры не более 50 мкм, а по вертикали менее 10 мкм (толщина в буквальном смысле несущей n-подложки 300 мкм). Вблизи поверхности подложки расположена диф­фузионная область р-примеси, чтобы сделать «карман». Знаками р+ обозначены области истока и стока р-канального МОП-транзистора с повышенной концентрацией дырок. Для n-канального МОП-транзистора сделаны в «кармане» две высоколегированные n+-области. Здесь избыток электронов, это области истока и стока.

Рис. 2. Особенности инвертора КМОП: а — поперечное сечение структуры КМОП, б — защитный диод на входе инвертора, в — полная схема инвертора с защитными и паразитными диодами

 

С помощью металлизации поверхности кристалла элементы структуры соединяются в схему инвертора (рис. 2, б). К затворам присоединен защитный стабилитрон VD1. На рис. 2,а стабилитрон не показан, но он присутствует в структуре обязательно, иначе вход инвертора будет пробит статическим электричеством Если потенциал между затвором и поверхностью подложки превысит напряжение пробоя тонкого слоя диэлектрика SiO2 (толщина примерно равна 1 мкм), произойдёт пробой. Следует отметить, что МОП- и КМОП-усилители без защитного стабилитрона суще­ствуют. Они предназначены для электрометрических цепей, т. е. фактически для измерения заряда q. Это специально оговаривается в сертификате прибора.

Цифровые микросхемы должны быть крайне устойчивы к таким явле­ниям, как пробой от статического или наведенного от силовых сетей элек­тричества. Прежде всего, защита гарантируется их структурой. На рис. 2, в показана полная эквивалентная схема инвертора К.МОП. Стоко­вое напряжение (плюс источника питания) подключается на n-подложку. Низкий уровень напряжения питания присоединяется к специальной шине, соединяющей «карманы» (рис. 2, а).

Конденсатор С на рис. 2, в символизирует входную емкость инверто­ра. Как правило, она составляет от 5 до 15 пФ. Диоды VD1—VD3 защища­ют изоляцию затвора от пробоя. Диод VD1 имеет пробивное напряжение 25 В, VD2 и VD3 — 50 В. Последовательный резистор R =200 Ом..2 кОм не позволяет скачку тока короткого замыкания передаваться в незаряжен­ную входную емкость затворов С. Тем самым защищается выход преды­дущего (управляющего) инвертора от импульсной перегрузки.

Диоды VD4—VD6 защищают выход инвертора от пробоя между n+ и p+-областями (рис. 2, а, по горизонтали). Здесь также верхний диод VD4 имеет пробивное напряжение 50 В, нижний VD5 — 25 В. Эти диоды, как правило, составная часть структуры (рис. 2, а). Диод VD6 защищает канал от ошибочной перемены полярности питания. Такие диоды делаются в структуре специально.

 

Применение диодов Шотки

Диод с барьером Шотки, полупроводниковый диод, выполненный на основе контакта металл - полупроводник; назван в честь нем. учёного В. Шотки, создавшего в 1938-39 основы теории таких диодов. При изготовлении Ш. д. на очищенную поверхность полупроводникового кристалла (Si, GaAs, реже Ge) наносят тонкий слой металла (Au, Al, Ag, Pt и др.) методами вакуумного испарения, катодного распыления либо хим. или электролитич. осаждения. В Ш. д. (в приконтактной области полупроводника), как и в диодах с электронно-дырочным переходом (в области этого перехода), возникает потенциальный барьер (см. также Шотки барьер), изменение высоты к-рого под действием внешнего напряжения (смещения) приводит к изменению тока через прибор. Ток через контакт металл - полупроводник, в отличие от тока через электронно-дырочный переход, обусловлен только осн. носителями заряда. Отличит, особенности Ш. д. по сравнению с полупроводниковыми диодами др. типов: возможность получать требуемую высоту потенциального барьера посредством выбора соответствующего металла; значит, нелинейность вольтамперной характеристики при малых прямых смещениях; очень малая инерционность (до 10-11 сек); низкий уровень ВЧ шумов; технологич. совместимость с интегральными схемами; простота изготовления. Ш. д. служат гл. обр. СВЧ-диодами различного назначения (детекторными, месительными, лавинно-пролётными, параметрическими, импульсными, умножительными); кроме того, Ш. д. применяют в качестве приёмников излучения, детекторов ядерного излучения, тензодатчиков, модуляторов света; их используют также в выпрямителях тока ВЧ, солнечных батареях и т. д.

Более высокое быстродействие позволяют получить схемы субсемейства ТТЛШ (транзисторно-транзисторная логика с использованием транзисторов с барьером Шотки; см. рисунок 5.2). В таких схемах барьер Шотки создает нелинейную обратную связь в транзисторе, в результате транзисторы не входят в режим насыщения, хотя и близки к этому режиму. Следовательно, практически исключается время рассасывания, что позволяет существенно увеличить быстродействие (И-НЕ в ТТЛШ)

Рис. 5.2. Транзистор Шотки.

ПТ с затвором Шотки – ПТШ. В ПТШ используется затвор – изготовленный в виде выпрямленного контакта Me – п/п

Так как электроны имеют самую большую подвижность в этом материале то частотный диапазон работы такого устройства позволяет работать на частотах 2 – 70 ГГц.

 

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: