01Глава I (Полезная книги), страница 6

Базовая комплиментарная КМДП-схема приведена на рис. 6, б.

Когда входы А и В имеют высокий потенциал (состояние “I”), VT1 и VT2 закрыты, а транзисторы VT3 и VT4 открыты, и на выходе схемы устанавливается низкий потенциал (состояние “0”). Если А, В или оба входа находятся в состоянии “О”, то транзисторы VT1 и VT2 открыты, а транзисторы VT3 и VT4 закрыты, и на выходе устанавливается высокий потенциал (состояние “I”). Таким образом, данная. схема работает как схема И-НЕ. Если в ней поменять местами p – и n -канальные транзисторы, то она будет выполнять функцию ИЛИ-НЕ.

Так как входное сопротивление МДП-транзистора составляет , то ток во входной цепи фактически не потребляется. В связи с тем, что один из двух транзисторов, связанных с каждым входом (т.е. VT1… VT3 и VT2… VT4), всегда находится в состоянии насыщения, входное сопротивление будет низким, а коэффициент разветвления по выходу - высоким. Кроме того, в статическом режиме один транзистор в каждой из цепей, проходящих от Е к “земле” (т.е. VT1… VT3 и VT2… VT4), всегда находится в режиме отсечки, и поэтому отсутствует утечка на “землю”. Потребляемая мощность связана лишь с утечкой в МДП—транзисторах, которая в отдельных схемах достигает нескольких нановатт. Однако в динамическом режиме паразитные емкости в схеме вызывают повышенное потребление мощности. При частоте переключения I МГц потребляемая мощность может увеличиваться до I мВт на схему. В серийно выпускаемых сериях КМДП напряжение источника питания Ес имеет диапазон от 3 до I5 В. При напряжении питания Еc = 5 В номинальные величины других параметров схемы следующие: статическая потребляемая мощность — I0 нВт на схему, коэффициент разветвления по выходу — 50, задержка сигнала — 70 нс, помехоустойчивость — до 40% от Ес. Схемы по уровню напряжения совместимы с ДТЛ— и ТТЛ—схемами.

Логические схемы, описанные выше, называются статическими, поскольку их нагрузочный транзистор всегда находится в открытом состоянии. Недостатком таких схем является то, что они имеют относительно высокую мощность рассеяния. Для ее уменьшения может быть использована периодическая коммутация U3 внешними трактующими сигналами. Если частота следования тактирующих импульсов достаточно высока, то существующее выходное состояние будет запоминаться благодаря наличию паразитной емкости С и не изменится за время паузы между тактирующими импульсами. При этом предполагается, что транзисторы закрыты, а к выходу подключена высокоомная нагрузка, например затвор следующего логического каскада. Подобные схемы называются динамическими. Пример такой схемы, выполняющей логическую операцию штрих Шеффера, приведен на рис. 6, в. Когда тактирующий сигнал UТ имеет отрицательный уровень, транзисторы VT3 и VT4 открыты. В зависимости от состояния входов конденсаторы С1 и С2 либо заряжены, либо разряжены. Когда UТ становится положительным, закрывается нагрузочный транзистор VT3. Однако, поскольку транзистор VT4 также закроется, напряжение на С2 не изменится. Транзистор VT4, называемый транзистором переноса, должен иметь достаточно высокое отношение сторон, чтобы его сопротивление, включенное последовательно с сопротивлением транзистора VT3 и емкостью нагрузки, существенно не повлияло на общее сопротивление цепи и чтобы не было потерь в скорости переключения.

Отметим, что выходные логические уровни определяются тем, что VT1, VT2 и VT3, подключены последовательно к источнику питания, и поэтому отношения сторон различных транзисторов должны сохранять точные пропорции.

2.6. БАЗОВЫЕ СХЕМЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ СО СТАТИЧЕСКОЙ ИНДУКЦИЕЙ

Транзистор со статической индукцией (ТСИ) конструктивно подобен обычному полевому транзистору. В то же время ряд конструктивно—технологических особенностей обеспечивает ему своеобразие электрических свойств. К таким особенностям структуры ТСИ (рис. 7) относятся:

- наличие многочисленных каналов (мультиканалов), расположенных вертикально, т. е. перпендикулярно плоскости кристалла-подложки;

- наличие затвора в виде сетки из участков сильнолегированного полупроводника с противоположным столу и истоку типом проводимости;

- очень малая длина каналов и вертикальных участков затвора, а также небольшое расстояние от истока до затвора.

Принцип действия ТСИ основан на управлении током основных носителей заряда, инжектированных из истока в обедненную область канала под воздействием поля стока. Прибор называется транзистором со статической индукцией, поскольку потенциальный барьер для основных носителей заряда подвергается электростатической индукции со стороны потенциалов затвора и стока.

В транзисторе со статической индукцией канал даже при отсутствии смещения на затворе находится в состояния отсечки, что при условии малости величины сопротивления истока обеспечивает появление ненасыщеных по току характеристик.

Рис. 7. Транзистор со статической индукцией

Основными параметрами ТСИ являются коэффициент усиления по напряжению µ ; внутреннее сопротивление r и крутизна g , которые связаны между собой соотношением

µ = r g

Коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение приращения напряжения исток — сток ΔUи.с. к приращению напряжения затвор — исток ΔUз.и :

Изменение высоты потенциального барьера затвора ΔUз связано с изменением напряжения исток — сток ΔUи.с. линейкой зависимостью

где η- коэффициент пропорциональности.

Величина называется внутренним коэффициентом усиления по напряжению. Принимая во внимание геометрические параметры, а именно расстояние от точки максимума потенциального барьера до истока Wи и от той же точки до стока Wс , можно записать следующее соотношение:

Из этих выражений можно определить коэффициент усиления по

напряжению:

Эффективную крутизну g можно выразить через приращения токов и напряжений:

где ΔIc — приращение тока стока под воздействием изменения потенциалов затвора и стока.

Вольт-амперные характеристики ТСИ описываются уравнением

где N - число каналов; z - длина канала в направлении, параллельном плоскости стока; nи , Dи - концентрация носителей заряда истока и их коэффициент диффузии; Ф(y) - высота потенциального барьера над уровнем истока.

Величина потенциального барьера U для носителей заряда

где Nи, Nс , Nз — уровни легирования областей истока, стока и затвора; ψ1, ψ2 - коэффициенты, зависящие от характеристик структуры.

При работе ТСИ в качестве логического переключающего элемента в нем протекают следующие процессы. При отрицательных и небольших положительных (до 0,5 В) напряжениях на затворе p -типа ТСИ находится в состоянии отсечки и обеспечивает высокий уровень выходного напряжения, т.е. выключен. Если положительное напряжение на затворе превышает 0,5 В, транзистор переходит в режим инжекции носителей заряда из затвора в канал и обеспечивает низкий уровень выходного напряжения, т.е. включен. Повышение напряжения на затвора происходит в тех случаях, когда на всех выходах прибора первоначально установлен высокий уровень, напряжения, и осуществляется дырками из инжектора, втекающими в область затвора. Этот режим работы статической индукционной логической схемы (СИЛ) примерно аналогичен режиму работы биполярных ИИЛ-схем. В накал помимо дырок из затвора инжектируются такие электроны из истока, однако стока достигают только электроны; дырки благодаря наличию встроенного поля в изотопном nˉ - n+ -переходе образуют в канале статический заряд. Подобным же образом встроенное поле препятствует непосредственной инжекции носителей заряда из истока в затвор и наоборот. Ток затвора обусловлен в основном электронно—дырочной рекомбинацией в канале транзистора.

Таким образом, статические индукционные схемы, сочетающие большое быстродействие ( td = 0,1 нс), минимальный расход энергии (0,01 пДж), высокую степень интеграции (2000 логических схем на 1 мм²), превосходят по этим показателям биполярные и МДП-интегральные схемы.

Недостатком СИЛ является небольшой коэффициент разветвления по выходу (N = 3.. .5) из—за сравнительно низкого усиления инверсной структуры ТСИ.

2.7. ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ

Приборы с зарядовой связью (ПЗС) — структура МДП (рис. 8, а). Принцип действия ПЗС основан на хранении заряда неосновных носителей тока в потенциальных ямах, возникающих вблизи поверхности полупроводника под действием внешнего электрического поля, и перемещении этого заряда вдоль поверхности при сдвиге потенциальных ям. Для ПЗС характерны два режима работы: хранения и передачи информационного заряда. В режиме хранения на один из затворов ПЗС подается отрицательное напряжение хранения. Под действием этого напряжения под затвором ПЗС возникает обедненная носителями область, которая является потенциальной ямой для неосновных носителей тока. Если имеется источник неосновных носителей тока, то потенциальная яма заполняется неосновными носителями, которые притягиваются к поверхности и локализуются в узком приповерхностном слое. Информационный заряд не может долго храниться в ПЗС вследствие процессов термогенерации, которые приводят к накоплению паразитного заряда дырок в потенциальной яме. Таким образом, ПЗС могут работать только в динамическом режиме.

Рис. 8. Приборы с зарядовой связью:

а – структура; б – логическая схема

Для передачи заряда на соседний (второй) затвор поступает сигнал записи, который является более отрицательным по сравнению с сигналом хранения, подаваемым на первый затвор. Поэтому под вторым затвором (32) создается более глубокая потенциальная яма, к которой будут притягиваться дырки, хранившиеся под первым затвором (З1). Первоначальное условие хранения восстанавливается при снятии сигнала хранения на затворе З1 и уменьшении сигнала записи на затворе З2 до значения хранения. Как только установится режим хранения под затвором З2, процесс передачи заряда может быть повторен по отношению к следующему соседнему затвору. В процессе передачи основная часть заряда, находящегося в потенциальной яме, перетекает в другую, более глубокую и расположенную по соседству яму. Такая передача происходят быстро благодаря дрейфу носителей в электрическом поле, обусловленному распределением дырок под затворами, а также краевого электрического поля, возникающего в результате взаимодействия соседних затворов. Оставшаяся небольшая часть заряда в ПЗС переносится вследствие диффузии.

Для записи информации в ПЗС используют следующее:

- накопление заряда в потенциальной яме за счет процессов термогенерации;

- накопление заряда в результате инжекции неосновных носителей из p – n -перехода;

- накопление заряда неосновных носителей под действием светового импульса.

Считывание информации можно осуществить тремя способами:

- инжекцией заряда в подложку и регенерацией тока подложки;

- экстракцией неосновных носителей из потенциальной ямы;