Конструктивно-технологические варианты исполнения элементов КМДП-БИС

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 U ⁰ _вх ≈ 0 и U ¹ _вх ≈U _и.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 U _и.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 U _{ЗИ n} +U _ЗИр ⁼ =U _и.п и уменьшение U _ЗИ одного транзистора приводит к увеличению U _ЗИ 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 (U _вых от U _вх ) (рис. 1, б) инвертора: параметры транзисторов будем считать одинаковыми, а токи утечки пренебрежимо малыми. При общем условии |U_op +|U_on |< |U _и.п |<|U _пр |, где U _пр —напряжение пробоя перехода сток—подложка n -канального транзистора, работа инвертора осуществляется следующим образом. При 0<U _вх <U _{0 n} активный транзистор n -типа закрыт, нагрузочный транзистор р -типа открыт и выходное напряжение U _вых =U _и.п =U ¹ (рис. 1). При увеличении U _вых от U_on до U _и.р —U_op происходит плавное запирание р -транзистора, отпирание п- транзистора и уменьшение напряжения на выходе U _вых . При U _вх = U _и.п — U_op нагрузочный транзистор VT 2 закрыт и U_вых =0= U ⁰ .

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 С _Н 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: U_on < U _и.п , U_op < U _и.п , U_on + U_op > U _и.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 мало