Схемотехника логических элементов на полевых транзисторах

Из многочисленных серий цифровых ИС на полевых тран­зисторах наибольшее распространение получили микросхемы на комплементарных полевых транзисторах с изолированным за­твором. Полевые транзисторы с диэлектриком на основе окислов кремния принято называть МОП-транзисторами (металл - оки­сел - полупроводник). При использовании иных или слоистых диэлектриков транзисторы называют МДП-транзисторами (ме­талл - диэлектрик - полупроводник). Более общим названием является последнее, поэтому ИС на ком­плементарных полевых транзисторах с изолированным затвором называют КМДП ИС. Слово комплементарный означает взаимно дополняющий. Так называют пару транзисторов, имеющих при­мерно одинаковые значения основных параметров, но с противоположными полу­проводниковыми структурами.

Рассмотрим элементарную комплементарную структу­ру - инвертор, содержащий два МДП-транзистора с индуци­рованными каналами n- и p-типа. Структура и электрическая схема КМДП-инвертора приведены на рисунке 42.

Рисунок 42 - Комплементарный МДП-инвертор:а - структура; б - электрическая схема

В этой структуре для изоляции n-канального транзистора используется «карман» р-типа, играющий роль подложки для указанного транзистора.

Необходимое при этом обратное сме­щение p- и n-перехода между подложками n- и p-типов транзи­сторов обеспечивается при подаче на исток p-канального тран­зистора и на n-подложку положительного напряжения питания U_ип, при этом p-подложка соединена с общей шиной и истоком n-канального транзистора.

Допустим, в исходном состоянии напряжение на затворах равно нулю. При этом n-ка­нальный МДП-транзистор находится в режиме отсечки, т. е. закрыт, а p-канальный транзистор открыт и работает в линей­ной области с большим отрицательным напряжением на затворе (относительно его истока) и практически без тока стока. Поэтому падение напряжения между истоком и стоком p-канального транзистора минимально, а напряжение на выходе КМДП-инвертора практически равно U_ип.

При напряжении на затворах, близком к величине U_ип, p-канальный транзистор закрыт, а n-канальный работает в ли­нейной области без тока стока, поэтому на выходе КМДП-инвертора напряжение равно нулю.

Основным преимуществом КМДП-инвертора является малая статическая мощность, потребляемая от источника питания (порядка нановатт). Кроме этого, КМДП-инвертор имеет высокую помехоустойчивость, широкий диапазон рабочих напряжений (обычно от 3 до 15 В) и широкий диапазон рабочих температур (от -55 до +125°С). Эти качества КМДП-инвертора обеспечили популярность и высокие эксплуа­тационные показатели ИС на его основе.

В качестве других эксплуатационных характеристик КМДП ИС, следует назвать: высокую помехозащищенность, достигающую 30...45 % от значе­ния питающего напряжения, высокую нагрузочную способность, составляющую до 1000 входов таких же ИС на частотах до нескольких килогерц, высокое входное сопротивление (~10¹² Ом), упрощенное сопряжение со слаботочными источ­никами входного напряжения.

Кроме того, имеются и существен­ные преимущества в технологии КМДП ИС по сравнению с би­полярными ИС, к наиболее важным из которых относятся: меньшее (почти в 3 раза) число технологических операций; самоизоляция от других элементов, расположенных на одной подложке, более высокая степень интеграции (30 %) на кристалле. Исключительно малая потребляемая мощность открывает для КМДП ИС широкую перспективу применения, в первую очередь в устройствах с автономным питанием, автономных устройствах сбора и обработки данных, запоминающих устройствах, т. е. там, где энергетический фактор оказывается решающим.

Цифровые ИМС характеризуются следующими параметрами:

- функциональные возможности (число входов элемента и число входов аналогичных элементов, которое может быть подключено к выходу);

- быстродействие (время реакции логического элемента на изменение сигнала на входах);

- потребляемая мощность;

- помехоустойчивость (мера невосприимчивости логического элемента к изменению состояния под воздействием помех).

Функциональные возможности цифровых устройств расширяются при переходе от низкого уровня интеграции ИМС к более высокому – от простых логических элементов к логическим узлам - триггерам, регистрам и т.д. до микропроцессоров.