Транзисторов соединены

2. Миниатюризация и микроминиатюризация аппаратуры, способствующие уменьшению массы, габаритов и потребления энергии. Если представить комплекс аппаратуры, включающий в себя 10' элементов и выполненный на электронных лампах или даже на базе дискретных транзисторов, резисторов, конденсаторов и так

элементов стало возможным на базе микроэлектроники. Микроэлектроникой называют новое научно-техническое направление электроники, охватывающее проблемы создания микроминиатюрных электронных устройств, обладающих надежностью, низкой стоимостью, высоким быстродействием и малой потребляемой энергией. Основным конструктивно-техническим принципом микроэлектроники является элементная интеграция — объединение в одном сложном миниатюрном элементе многих простейших элементов (диодов, транзисторов, резисторов и т. д.). Полученный в результате такого объединения сложный микроэлемент называют интегральной микросхемой (ИМС).

Интегральная микросхема — микроэлектронное изделие, содержащее не менее пяти активных элементов (транзисторов, диодов) и пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, дросселей), которые изготовляются в едином технологическом процессе, электрически соединены между собой, заключены в общий корпус и представляют неразделимое целое.

Рисунок печатной платы ( 11.8), определяющий конфигурацию проводникового и диэлектрического материалов и подготовленный конструктором, переносят на поверхность печатной платы методом фотолитографии. Для этого поверхность платы покрывают светочувствительным слоем — фоторезистом, который засвечивают через фотошаблон, полученный при фотографировании рисунка печатной платы. Затем фоторезист проявляют, его незасвеченные участки удаляют и фольгу, находящуюся под этими участками, стравливают специальным раствором. Засвеченные участки, соответствующие проводящему рисунку, защищены слоем фоторезиста и поэтому не стравливаются. В печатной плате просверливают отверстия диаметром 0,6—1,5мм для установки навесных компонентов (интегральных микросхем, транзисторов, резисторов, конденсаторов), механического крепления печатной платы, а также электрического соединения проводников печатной платы, нанесенных на ее противоположных сторонах. Стенки отверстий металлизируют сначала химическим, а затем электрохимическим способом. Таким образом получают проводящий рисунок с однрй (односторонняя печатная плата) или двух (двусторонняя печатная плата) сторон. Гибкие выводы навесных компонентов запаивают в монтажных отверстиях, к которым подходят печатные проводники, и получают печатный узел ( 11.9).

интеграции возрастает сложность создания межсоединений, а также увеличивается площадь, занимаемая ими на' поверхности кристалла. В некоторых типах СБИС, за исключением регулярных схем, в частности ЗУ, площадь, занимаемая межсоединениями, превышает суммарную площадь компонентов (транзисторов, резисторов и т.п.). Одним из путей решения данной проблемы является разработка архитектуры систем, позволяющая перейти на регулярные схемы, аналогичные ЗУ.

ИМС малой степени интеграции представляли собой логические вентили, выполняющие простейшие логические функции, триггерные схемы (триггеры, сумматоры, дешифраторы и т.п.) или схемы усилителей. В топологическом отношении первые ИМС — это базовые кристаллы с набором транзисторов, резисторов и других компонентов, которые объединялись путем металлизации в различные логические и триггерные схемы. Схемотехническая организация таких ИМС практически совпадает с организацией базового логического элемента. По мере роста степени интеграции появились возможности реализовать в виде СИС простейшие блоки и узлы традиционных систем обработки и хранения дискретной информации. При этом область применения СИС сужается, что влечет за собой увеличение типов СИС при одновременном уменьшении производства и, следовательно, увеличении стоимости. Таким образом, рост степени интеграции входит в противоречие с экономическими факторами.

При переходе от контактных реле, представляющих собой точные механические устройства, качественное изготовление которых возможно только в заводских условиях, к бесконтактным значительно увеличиваются возможности электролабораторий энергосистем по созданию новых видов УРЗ. Расчеты бесконтактных УРЗ носят чисто электротехнический характер, а конструирование и монтаж разработанных устройств сравнительно несложны. Эта задача еще более упрощается при применении интегральных схем, поскольку резко сокращается объем расчетов по выбору парамет* ров элементов устройств (транзисторов, резисторов, конденсаторов

Базовый матричный кристалл-содержит сформированную заранее матрицу базовых ячеек, расположенную в центральной части, и группу буферных ячеек (ячеек интерфейса — ввода — вывода), расположенных по периферии кристалла ( 2.1). В состав ячеек входят группы нескоммутирован-ных элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов) и отрезков полупроводниковых шин для реализации пересекающихся электрических связей.

Пользуясь изложенными способами, можно в одном кристалле полупроводника сформировать большое количество транзисторов, резисторов,' конденсаторов, диодов и соединить их между собой таким образом, чтобы они могли выполнять вполне определенную функцию в радиоэлектронном устройстве (усилитель, триггер, сумматор и т. д.).

Изготовление кристаллов ИМС, каждый из которых содержит большое количество электрических элементов (например, транзисторов, резисторов и др.), соединенных между собой в соответствии с заданной электрической схемой, производят групповым методом. Его сущность состоит в том, что на пластине полупроводникового материала, имеющей диаметр порядка 30 мм, одновременно изготавливают несколько сотен одинаковых ИМС. После проверки каждой ИМС и отбраковки негодных производят разрезку пластины на отдельные кристаллы, после чего они поступают на сборку.

Методологические вопросы решения основных задач проектирования топологии БИС, а следовательно, построения автоматизированных систем для этих целей являются общими для полупроводниковых и гибридных БИС. Для обоих типов БИС в качестве базовых элементов используют преимущественно структурные схемы, выполняющие определенные функции и заранее отработанные в топологическом и конструктивном исполнениях. Исключение составляют отдельные виды полупроводниковых БИС, разрабатываемых на основе обычных элементов (транзисторов, резисторов и т. д.). В дальнейшем при рассмотрении вопросов проектирования топологии будем пользоваться термином «элемент», под которым понимают либо кристалл полупроводниковой ИМС, либо функциональный логический элемент, либо простой элемент схемы.

Особое место среди МДП ИС занимает логика на комплементарных (т. е. взаимнодополняющих) транзисторах, так называемая МКДП-логика. Основу МКДП-схем составляет инвертор на комплементарных транзисторах ( 3.11, а). Один из последовательно соединенных транзисторов имеет канал р-типа, другой— п-типа. Затворы обоих транзисторов соединены так,что когда один из транзисторов открыт, второй заперт и в статическом

В схеме ( 5.13) затворы и стоки управляющего транзистора VTl с индуцированным «-каналом и нагрузочного VT2 с р-каналом объединены. Подложки обоих транзисторов соединены с истоками, благодаря чему исключается отпирание />-и-переходов, изолирующих каналы транзисторов от их подложек.

а коллекторы — к источнику питания Е. При заводском изготовлении все эмиттеры транзисторов соединены с разрядными шинами, что означает запись двоичного слова 1111. Необходимая информация записывается пользователем. Для записи нулей выжигают плавкие перемычки, соединяющие эмиттеры с разрядными шинами.

соединена с коллектором закрытого транзистора Т\ триггера ///, а базы остальных транзисторов соединены с коллекторами открытых транзисторов. После переброса триггера / напряжение на коллекторе его транзистора TZ упадет до нуля, а на коллекторе Т\ возрастет до напряжения источника питания. Отрицательное смещение на базе транзистора Т% триггера // увеличится по абсолютному значению по сравнению со всеми закрытыми транзисторами, что подготовит триггер к перебросу при приходе очередного импульса. В таком же порядке далее будет переброшен триггер ///.

Пример топологического решения буферных МОП-транзисторов при изоляции с помощью /7-п-переходов показан на 2'.35. Транзистор с р-каналом расположен в п-кар-мане, соединенном с источником питания + ?/„„. Площадь /j-канального транзистора больш^ площади п-канального, так как WKP « 3 WKn при LKn « LKp. Истоки р- и я-кэналь-ного транзисторов соединены с шинами питания и заземления соответственно, а стоки — с выходной контактной площадкой. Если используются оксидная изоляция и поликремниевые затворы, то шины питания и заземления могут проходить поверх буферных транзисторов, что позволяет сократить площадь периферийной области БМК и повысить степень интеграции БИС благодаря увеличению числа ячеек в матрице.

Для выполнения триггера вовсе не обязательно применять операционный усилитель, в простейшем случае вполне достаточно иметь двухкаскадный усилитель с гальванической связью между каскадами и соединением выхода со входом (т. е. охватом усилителя 100 %-ной положительной обратной связью). Для облегчения узнавания триггера в составе радиоэлектронных схем его принято изображать в симметричном виде ( 85, а), как и в случае симметричного мультивибратора (см. 81, в, г). Однако, если в мультивибраторе межкаскадная связь выполнена на конденсаторах, обеспечивающих два неустойчивых (временных) состояния равновесия, то в триггере связь между каскадами непосредственная. Это приводит к тому, что триггер имеет два устойчивых, независимых от времени состояния равновесия. В принципе триггер — полностью симметричная схема, все элементы которой попарно симметричны. Однако на практике хотя бы один из элементов несколько отличен от ему подобного. Вследствие этого система оказывается несимметричной: через один из транзисторов, например VTI, начинает протекать чуть больший ток, чем через транзистор VT2, и поэтому напряжение коллектор — эмиттер транзистора VT1 оказывается меньше, чем транзистора VT2. Но коллекторы транзисторов соединены перекрестно с базами: коллекторное напряжение одного транзистора подается в отпирающей полярности на базу другого. Поэтому на базу VT2 с коллектора VT1 подается меньшее напряжение, чем на базу VT1 и, следовательно, VT2 отпирается меньше, чем VT1. Это, естественно, приводит к еще большему усугублению несимметрии: ток через VТ1 еще больше возрастает, а через VT2 — еще больше уменьшается. Этот процесс, обусловленный действием положительной обратной связи в системе, протекает очень быстро, лавинообразно, и в конечном итоге приводит к полному отпиранию транзистора VT1 — переводу его в режим насыщения, в котором ток через транзистор максимален, а падение напряжения на участке коллектор — эмиттер минимально и для кремниевых транзисторов не превышает 0,2— 0,3 В. При этом транзистор VT2 оказывается полностью запертым, ибо для того, чтобы через кремниевый транзистор протекал ток, на его базу необходимо подавать напряжение не менее 0,5—

Рассмотрим принцип построения и функционирования КМДП-ИМС на примере инвертора, электрическая схема которого приведена на 3.13. Этот инвертор состоит из двух последовательно соединенных МДП-транзисторов с каналами п- и р-типов. Истоки транзисторов подключаются к соответствующим полюсам источника питания. Транзистор Т\ является ключевым, причем его исток соединен с заземленной шиной питания, а сток подсоединяется к стоку нагрузочного транзистора Т ч. Подложки обоих транзисторов соединены с истоками, а затворы объединены и служат входом инвертора. Особенности построения и функционирования комплементарного каскада:

ИМС статической логики с малой потребляемой мощностью создаются на комплементарных МДП-транзисторах. Такого типа схемы являются основой КМДП-логики. Инвертор КМДП состоит из двух транзисторов с каналами р- и «-типов, соединенных последовательно ( 4.21, а). Затворы транзисторов соединены между собой. При поступлении сигналов «1» или »0» на вход инвертора открывается соответственно транзистор с n-каналом или с р-кана-лом, а второй в это время остается закрытым. Таким образом, мощность потребляется инвертором только в процессе его переключения.

Эмиттеры всех транзисторов соединены в одной точке, что отражено в названии: эмиттерно-связанная логика. Схема имеет два выхода. На инверсном выходе / реализуется логическая функция ИЛИ-НЕ: F! = А + В, на прямом выходе 2 — функция ИЛИ: Fz — А + В. Передаточные характеристики элемента МЭСЛ для инверсного / и прямого 2 выходов показаны на 7.17. Поскольку напряжение источника питания ?/и.п и опорное напряжение U оп отрицательной полярности, то входные и выходные напряжения также отрицательны. При напряжениях UBX = ?/° <с — UOIl входные транзисторы закрыты, а опорный— открыт. Напряжение на инверсном выходе равно U1. Значение U1 определяется падением напряжения на резисторе в коллекторной цепи опорного транзистора при протекании выходного тока /JMX в нагрузке:

и VT6. Коллекторные цепи этих транзисторов соединены непосредственно с базами выходной пары комплементарных транзисторов VT7 и VT8.

Программируемые ПЗУ отличаются от масочных тем, что в них любая информация записывается пользователем. В программируемых ПЗУ ( 205) при заводском изготовлении все эмиттеры адресных многоэмиттерных транзисторов соединены с разрядными шинами, что означает запись слов, состоящих только из единиц. Для записи нулей удаляют выжиганием определенные плавкие перемычки, соединяющие эмиттеры с разрядными шинами.