Что такое полупроводниковые униполярные интегральные микросхемы?

Униполярными называют такие полупроводниковые интегральные микросхемы (ИМС), базовыми элементами которых являются униполярные (полевые) транзисторы. Униполярные, как и биполярные полупроводниковые ИМС, предназначенные для генерирования, обработки сигналов, записи, хранения и воспроизведения информации.

Классификация. Полупроводниковые униполярные ИМС классифицируют по тем же признаками, по которым классифицируют полупроводниковые ИМС вообще. Специфической для них является классификация по виду униполярных транзисторов. Различают полупроводниковые ИМС на униполярных МДП-транзисторах с индуцированным, или встроенным каналом n— или р-типа проводимости, на униполярных транзисторах с управляющим рn-переходом, схемы на комплементарных транзисторах.

Условные изображения и обозначения. Специальных условных изображений полупроводниковые униполярные ИМС не имеют.

Строение. Основными элементами полупроводниковых униполярных ИМС является МДП-транзисторы (рис. 1). Они имеют утечку и сток, отделенные друг от друга и от остальных кристаллов рn-переходами. С помощью поперечного электрического поля, сосредоточенного в пространстве между полупроводником и металлическим заслоном или технологическими методами между истоком и стоком, возникает проводящий канал. В первом случае (рис. 1, а, б) МДП-структуру называют транзистором с индуцированным каналом, во втором (рис. 1, в, г) — транзистором со встроенным каналом. Электрическое поле создается металлическим заслоном, изолированным от полупроводника слоем Безымянный или Безымянный. Последние называют МОП-транзисторами.

Структура интегрированных МДП-транзисторов: а- с n-индуцированным каналом; б- с р-индуцированным каналом; в - n-встроенным каналом; г - с р-встроенным каналомРис. 1. Структура интегрированных МДП-транзисторов: а- с n-индуцированным каналом; б- с р-индуцированным каналом; в — n-встроенным каналом; г — с р-встроенным каналом

Кроме МДП, в униполярных полупроводниковых ИМС используют еще униполярные транзисторы с управляющим р-n-переходом (рис. 2). В них узкий промежуток Безымянный ограничен управляющим p-n-переходом завеса и изолирующим p-n-переходом, что выполняет роль канала. В них, как и в МДП-транзисторов канал может быть n— или p-типа.

Интегрированный полевой транзистор с управляющим р-n-переходомРис. 2. Интегрированный полевой транзистор с управляющим р-n-переходом

Структура униполярных транзисторов с управляющим р-n-переходом значительной степени подобна структуре биполярных транзисторов. Поэтому их иногда изготавливают вместе в одном кристалле и в одном технологическом цикле. В таком случае они, как и биполярные транзисторы, размещаются в изолированных переходом участках кристалла и могут иметь скрытый Безымянный или Безымянный слоя (рис. 3).

Структура униполярных транзисторов с управляющим р-n-переходом, размещенных в одном кристалле вместе с биполярными транзисторами: а- с n-каналом; б- с р-каналом

Рис. 3. Структура униполярных транзисторов с управляющим р-n-переходом, размещенных в одном кристалле вместе с биполярными транзисторами: а- с n-каналом; б- с р-каналом

Кроме отмеченных выше, в униполярных полупроводниковых ИМС используют еще комплементарные (сдвоенные) МДП-транзисторы, которые имеют каналы n— и р— типа (рис. 4).

Структура пары комплементарных МДП-транзисторов

Рис. 4. Структура пары комплементарных МДП-транзисторов

В высокочастотных униполярных полупроводниковых ИМС применяют высокочастотные МДП-транзисторы с совмещенным молибденовым затвором (Рис. 5) и транзисторы с V-образным вертикальным каналом (рис. 6).

Структура МДП-транзистора с совмещенным каналом

Рис. 5. Структура МДП-транзистора с совмещенным каналом

Структура МДП-транзисторов с вертикальным V-образным каналом

Рис. 6. Структура МДП-транзисторов с вертикальным V-образным каналом

Для изготовления диодов униполярных полупроводниковых ИМС могут быть использованы имеющиеся в униполярных транзисторах р-n-переходы. Конденсаторы униполярных полупроводниковых ИМС реализуют на основе МДП-структур (рис. 7). В них нижней обкладкой служит Безымянный — слой, верхней — алюминиевая пленка, диэлектриком — тонкий слой Безымянный или Безымянный.

Структура МДП-конденсатора униполярных полупроводниковых ИМС

Рис. 7. Структура МДП-конденсатора униполярных полупроводниковых ИМС

Резисторы униполярных полупроводниковых ИМС получают из униполярных МДП-транзисторов, или униполярных транзисторов с управляющим р-n-переходом, используя только два вывода — исток и сток (рис. 8). По структуре они напоминают пинч-резисторы биполярных ИМС.Резисторы униполярных полупроводниковых ИМС: а - на встроенном р-канале; б- на n-области униполярного транзистора с управляющим р-n-переходом

Рис. 8. Резисторы униполярных полупроводниковых ИМС: а — на встроенном р-канале; б- на n-области униполярного транзистора с управляющим р-n-переходом

Работа. Основу униполярных полупроводниковых ИМС составляют униполярные транзисторы с изолированным затвором, которые имеют МДП-структуру и канал n-типа. Утечка «канального МДП -транзистора чаще всего соединяют с кристаллом микросхемы. К нему прикладывают нулевой потенциал. Положительный потенциал завеса обусловлен внешним управляющим напряжением, что создает напряженность поля Безымянный — толщина подзатворного диэлектрика. Это поле вызывает перераспределение движущихся зарядов. Приповерхностный участок канала в
мере роста Безымянный обедняется движущимися зарядами (дырками), образуя обедненный участок. Дальнейшее увеличение напряжения завеса приводит к инверсии, то есть изменения типа проводимости под заслоном, в результате чего возникает n-канал, толщина которого составляет всего 1 … 2 мкм, что в сотни раз меньше толщины обедненного слоя. Напряжение завеса, за которой возникает индуцированный канал, называется пороговым напряжением Безымянный.

Распределение зарядов канала и обедненного участка при отсутствии канала (Безымянный) и в режиме насыщения (Безымянный) приведен на рис. 9.

Распределение зарядов канала и обедненного участка: а- при отсутствии канала; б- в режиме насыщения

Рис. 9. Распределение зарядов канала и обедненного участка: а- при отсутствии канала; б- в режиме насыщения

Если к стоку n-канала приложить положительное напряжение питания , возникает дрейфовый ток Безымянный от утечки через канал к стоку. Значением тока Безымянный можно управлять, изменяя напряжение на завесе или на стоке.

Свойства. Во время передачи завеса МДП-транзисторов рабочего смещение все диффузные и инверсные участки изолируются от подложки высокоомным обедненным слоем. Поэтому при изготовлении
МДП ИМС не требуется дополнительная изоляция элементов. В результате увеличивается плотность компоновки элементов, уменьшается количество технологических операций. При конструировании предпочтение отдают МДП-транзисторам с индуцированным n-каналом, которые имеют более высокое быстродействие, чем p-канальные МДП-транзисторы. Их статические выходные и передающая характеристики приведены рис. 10 Характеристики интегрированного n-канального МДП-транзистора с индуцированным каналом (н - начало режима насыщения): а - статические выходные; б - передающая

Рис. 10. Характеристики интегрированного n-канального МДП-транзистора с индуцированным каналом (н — начало режима насыщения): а — статические выходные; б — передающая

Конечно МДП-транзисторы работают на пологой области характеристик в режиме насыщения. Их эквивалентная схема приведена на рис. 11.

Эквивалентная схема интегрированного МДП-транзистора

Рис. 11. Эквивалентная схема интегрированного МДП-транзистора

Максимальная крутизна S вольт-амперных характеристик интегрированного МДП-транзистора составляет доли миллиампер на вольт, динамическое сопротивление — доли мегаОм, сопротивление диэлектрика завеса постоянному току — 1012 … 1014 Ом. большое сопротивление также в обратносмещеных переходов, которые изолируют участки истока и стока от подложки (около единиц мегаОм).
Быстродействие интегрированных МДП-трансзисторов определяется временем пролета носителей тока в канале и время подзарядки и разрядки паразитных емкостей заслон-исток, заслон-сток, сток -подложка. Типичные параметры интегрированных МДП-транзисторов с индуцированным n-каналом приведены в табл. 2.6.

Таблица 2.6 Типичные параметры МДП-транзисторов с индуцированным n-каналом

Типичные параметры МДП-транзисторов с индуцированным n-каналом

Интегрированные МДП-транзисторы со встроенным каналом, в отличие от интегрированных МДП-транзисторов с индуцированным каналом, могут работать в режимах обеднение и обогащение канала подвижными носителями тока. Интегрированные полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом имеют низкий уровень внутренних шумов, поэтому чаще используются в аналоговых ИМС.
Входное сопротивление Безымянный полевого транзистора с управляющим р-n-переходом немного меньше, чем в МДП-транзисторов, он близок к 1010 Ом. Их быстродействие меньше, потому что длина канала больше, зато временная стабильность параметров выше.

Используя высокое сопротивление канала закрытого транзистора и хорошую изоляцию МДП-структур, можно создать очень экономичные схемы на комплементарных транзисторах. Если необходимо высокое быстродействие за малого порогового напряжения, применяют МДП-транзисторы с совмещеннымы заслонами, изготовленными из высокотемпературных материалов (молибдена или легированного кремния), которые могут выполнять роль маски при диффузии и вследствие этого уменьшать длину канала до величины, соразмерной с глубиной диффузии ( ≤1 мкм). Другой вариант структуры МДП -транзистора высокого быстродействия — транзистор с каналом V — типа. В них роль утечки выполняет Безымянный участок, выходит на поверхность кристалла, а стоком является нижняя часть объема полупроводника. Каналом есть приповерхностная часть полупроводника, размещенная между двумя р-n-переходами на стенках канавки под диэлектриком и металлизацией завеса. За счет этого уменьшается длина канала до 0,4 … 0,6 мкм и соответственно возрастает рабочая частота. Поскольку сопротивление канала МДП-транзистора достаточно большое, то соединяя параллельно несколько сот V-канальных транзисторов на одном кристалле, можно получить прибор с полезной мощностью около 1 кВт и частотой до 100 МГц и выше. Используя р-n-переходы, с униполярных транзисторов легко получить диоды с параметрами, близкими к параметрам диодов биполярных ИМС. Аналогично, применяя структуру МДП, с униполярных транзисторов можно получить конденсатор с параметрами, которые мало отличаются от параметров пленочных аналогов (табл. 2.7).

Таблица 2.7 Типичные параметры МДП-конденсаторов униполярных полупроводниковых ИМС

Типичные параметры МДП-конденсаторов униполярных полупроводниковых ИМС

Сопротивление канала полностью открытого МДП-транзистора составляет 50 … 300 Ом, закрытого — 10 … 100 МОм. Это позволяет получать с униполярных МДП-транзисторов резисторы с широким диапазоном номиналов. Необходимо отметить, что интегрированные МДП-транзисторы имеют как существенные преимущества перед интегрированными биполярными транзисторами, так и серьезные недостатки. Основными преимуществами является их простота и компактность. Отпадает необходимость в специальной изоляции транзисторных структур, поскольку р-n-переходы, которые отделяют
участок канала и стока от подложки, обеспечивают достаточно надежную изоляцию. Благодаря отсутствию изолирующих р-n-переходов МДП-структуры занимают сравнительно малую площадь. Это позволяет, например, на площади, которую занимает один биполярный транзистор, разместить 100 … 150 МДП-транзисторов. Благодаря этому МДП-структуры обеспечивают сегодня самую высокую интеграцию. Длина канала в них приближается к 1 мкм и даже меньше, потому МДП-транзисторы работают даже на частотах гигагерцевого диапазона. МДП-транзисторы по сравнению с биполярными удобнее для построения аналоговых ключей, поскольку в открытом состоянии они могут пропустить ток через канал в обоих направлениях при полном отсутствии в кругу канала ЭДС. Это дает возможность коммутировать слабые сигналы. Цепь управления МДП-транзистора идеально изолированное от сигнального круга и почти не потребляет энергии. МДП-транзисторы по сравнению с биполярными имеют меньший уровень собственных шумов, так как, в отличие от биполярных аналогов, у них не происходит инжекция носителей заряда. Вместе с тем, униполярные транзисторы имеют худшую повторяемость параметров. Униполярные транзисторы, как и их биполярные аналоги, в наибольшей степени используют для изготовления цифровых ИМС, которые имеют более активные элементы, чем пассивные.
Важным преимуществом униполярных цифровых ИМС является возможность реализации любых логических функций с помощью только МДП-транзисторов, выполняют роль управляющего (логического) и нагрузочного элементов. Вместе с тем, высокое входное сопротивление МДП-транзисторов (1012 … 1014 Ом) создает большие трудности при монтаже и эксплуатации униполярных ИМС. Для предотвращения случайного пробоя заслонов входных транзисторов параллельно входов цифровых МДП — ИМС часто включают обратносмещеные р-n-переходы — охранные диоды. Если потенциал завеса по какой то причине превысит напряжение логической единицы, начинается туннельный пробой этого высоколегированного р-n-перехода. В обычном режиме охранные диоды закрыты. В зависимости от типа электропроводности МДП-транзисторов различают цифровые ИМС на МДП-транзисторах p — типа, на МДП-транзисторах n— типа и на комплементарных (дополняющих) транзисторах р и n-типа.
Цифровые ИМС на МДП-транзисторах р-типа с заземленным истоком требуют отрицательного напряжения питания и поэтому относятся к категории схем отрицательной логики. В отличие от них, цифровые ИМС на МДП-транзисторах n-типа с заземленным истоком требуют положительного напряжения питания и поэтому относятся к категории схем положительной логики. При построении цифровых ИМС на основе комплементарных МДП-транзисторов возможно создание схем как отрицательной, так и положительной логики. В них «полярность» логики зависит от последовательности включения транзисторов р и n-типов. Если транзистор n-типа непосредственно подключен к «земле», а транзистор p- типу — к источнику питания, то схема работает в режиме положительной логики. Если же транзистор p — типа непосредственно подключен к «земле», а транзистор n-типа к источнику питания, то схема работает в режиме отрицательной логики. Цифровые ИМС на МДП: транзисторах разделяют на три группы: статические, квазистатические и динамические. Элементной основой для построения таких микросхем есть базовые логические элементы, которые выполняют функции ИЛИ-НЕТ, И-НЕТ, И-ИЛИ-НЕТ.
Широкое применение при построении базовых логических элементов имеют n-канальные МДП-транзисторы, которые обеспечивают более высокое быстродействие, занимают меньшую площадь на поверхности подложки, имеют меньшое пороговое напряжение и за логическими уровнями, и за порогами совместимы с элементами ТТЛ. Типовые схемы логических элементов на n-канальных МДП транзисторах приведены на рис. 12.Схемы базовых логических элементов: а - ИЛИ-НЕТ; б - И-НЕТ; в - И-ИЛИ-НЕТ, построенные на n-канальных МОП-транзисторах

Рис. 12. Схемы базовых логических элементов: а — ИЛИ-НЕТ; б — И-НЕТ; в — И-ИЛИ-НЕТ, построенные на n-канальных МДП-транзисторах

Особое место среди цифровых МДП-ИМС занимает логика на комплементарных транзисторах, ее основу составляет инвертор на комплементарных транзисторах, показанный на рис. 13.

Электрическая схема инвертора на комплементарных - транзисторахРис. 13. Электрическая схема инвертора на комплементарных — транзисторах

Важными преимуществами цифровых ИМС на комплементарных транзисторах являются:

— Высокая помехоустойчивость, которая объясняется высоким уровнем порогового напряжения;
— Способность устойчиво работать при изменении напряжения питания в довольно широких пределах (~ 3 … 15 В), которая обусловлена активным характером нагрузок (ток МДП-транзисторов, работающих в режиме насыщения, практически не зависит от напряжения стока);
— Высокая экономичность, которая обеспечивается малыми токами, протекающими через комплементарную МДП-структуру в статическом режиме (заслоны обоих транзисторов соединены между собой, поэтому если один из транзисторов открыт, то второй закрыт).

Высокая экономичность цифровых ИМС на комплементарных транзисторах делает их перспективными при изготовлении карманных калькуляторов, часов и других устройств, в которых этот показатель превалирует, а имеющая рассеиваемая мощность является ценным при построении ВИМС, в которых затруднены теплоотводы. Вместе с тем, цифровые ИМС на комплементарных транзисторах требуют
создание дополнительной изолированного участка. Сами логические элементы содержат большое количество вентилей. Поэтому плотность размещения логических элементов на кристалле с комплементарными транзисторами меньше, чем на кристалле с однородными транзисторами. Сравнение «самых распространенных типов полупроводниковой логики с точки зрения их пригодности для построения полупроводниковых цифровых схем высокой степени интеграции приведены в табл. 2.8. Анализ данных, приведенных в табл. 2.8, показывает, что для построения цифровых ВИМС и НВИМС целесообразно использовать элементы инжекционной логики, ее логические элементы меньше и экономичнее других логических элементов. ИМС Безымянный изготавливают по стандартной технологии. Они имеют малую работу переключения. Разрабатывая экономические ВИМС невысокого быстродействия, но с малым потреблением мощности в статическом режиме целесообразно использовать элементы
КНДН логики. Высокая плотность компоновки при высокой экономичности характеризует n-МДП ВИМС, что позволяет с успехом использовать их в схемах динамических запоминающих устройств. Для ВИМС высокого быстродействия пригодны элементы ЭСЛ, ТШЛ и ДТШЛ. Но сравнительно большая потребляемая мощность ЭСЛ и ТШЛ и невысокая плотность компоновки присущие схемам этих типов, затрудняют создание на их основе НВИМС.

Таблица 2.8 Основные характеристики наиболее распространенных полупроводниковых цифровых ИМС

Основные характеристики наиболее распространенных полупроводниковых цифровых ИМС

ТТЛ наиболее пригодна для построения цифровых ИМС средней степени интеграции и средней производительности. Ограничивающим фактором в них есть большая рассеиваемая мощность и сравнительно большая площадь. Другой разновидностью цифровых ИМС являются микросхемы — триггеры. Триггер — это логический элемент, который может занимать два устойчивых состояния. Электрические схемы триггеров синтезируют из простых логических элементов И-НЕТ, ИЛИ-НЕТ. К ним относятся собственно триггер и логика, предназначенная для управления работой триггера. Изготавливают их как на биполярных, так и на униполярных транзисторах. Различают ИМС тактируемых (синхронных) и нетактованых (асинхронных) триггеров. Первые из них имеют два входа: тактовый и управляющих, вторые — только один управляющей вход. Первые изменяют свое состояние только при наличии на тактовом входе тактового импульса, вторые — при наличии импульса на управляющим входе.
В виде цифровых ИМС изготавливают одновходови D- и N- триггеры, двух- входу RS, DV, JK-триггеры и другие. Логические схемы некоторых из них приведены на рис. 14, 15, на которых буквами Безымянныйобозначены элементарные логические элементы; Безымянный-тригеры; Безымянный— входы; Безымянный-выходы, Безымянный-связи между элементами.

 D-триггер: а - логическая схема; б - схемное обозначениеРис. 14. D-триггер: а — логическая схема; б — схемное обозначение

Т-триггер: а - логическая схема; б - схемное обозначение

Рис. 15. Т-триггер: а — логическая схема; б — схемное обозначение

Триггеры различных типов широко применяют в качестве ячеек памяти, регистров, счетчиков, делителей частоты, логических элементов устройств автоматики. Одной из разновидностей регистров является сдвижные регистры. Они образуют последовательным соединением триггеров (рис. 16), используют для хранения и передачи с задержкой во времени информации, представленной в виде двоичного кода.

Безымянный

Рис. 16. Регистр сдвига: а — функциональная схема; б — электрическая схема на D-триггерах

Сдвижные регистры можно использовать как счетчики тактовых импульсов, так как информация, представленная на вход регистра, появляется на выходе из N периодов тактовой частоты. Кольцевые подельники тактовой частоты — это сдвижные регистры, выход которых соединен с их входом (рис. 17). Их преимуществом является возможность просто осуществлять разделение с переменным коэффициентом деления.Кольцевой делитель тактовой частоты с переменным коэффициентом деления

Рис. 17. Кольцевой делитель тактовой частоты с переменным коэффициентом деления

В виде цифровых ИМС изготавливают устройства запоминания и сохранения цифровой информации (СП), которые являются важной составляющей ЭВМ. Различают внешние СП с записью информации на магнитную ленту, магнитные диски, где введена информация хранится неограниченное время, и внутренние, предназначены для оперативной записи, хранения и передачи информации во время решения задач. Развитие микроэлектроники позволило использовать для построения внешних ЗП вместимостью памяти 105 … 106 бит приборы с зарядовой связью и цилиндрические магнитные домены, а для внутренних СП — электронные схемы памяти в виде ИМС СП. Такие ИМС объединяют на одном кристалле определенное количество запоминающих ячеек, каждая из которых хранит 1 бит цифровой
информации. По функциональным назначением внутренние СП разделяют на оперативные (ОЗУ) и постоянные (ПЗУ). ОЗУ предназначены для кратковременного хранения, быстрого ввода и вывода промежуточных данных во время выполнения арифметических и логических операций. Для записи и считывания информации в ОЗУ доступна любая запоминающая ячейка. ПЗУ используют для хранения и считывания записанных в них небольших стандартных программ решения типовых задач, констант и т. п. В ПЗУ осуществляется запись однократно при изготовлении ИМС или допускается ограниченное количество перезаписей. Интегрированные СП характеризуются следующими параметрами: информационная емкость, одновременно определяет степень интеграции ИМС; минимальный период обращения; удельная мощность, то есть мощность, потребляемая в режиме хранения, отнесенная к 1 бита. Типичные значения этих параметров: информационная емкость ≈ 4 … 32 кбит, период обращения от 10 … 100 нс до 50 … 500 нс, к удельной мощности от 1 … 100 мкВт/бит в 0,05 … 0,2 мВт/бит. Основой СП является бистабильные запоминающие ячейки, способные запоминать два устойчивых состояния (например, триггерные ячейки). Каждый из устойчивых состояний соответствует введенным в запоминающее ячейку «0» или «1». СП большой информационной емкости реализуются в виде матриц, в которых
запоминающие ячейки размещены в узлах решетки, образованной пересечением адресных шин X и Y (рис. 18, а). Каждая ячейка матрицы связана с одной вертикальной и одной горизонтальной адресными шинами, которые предназначены для выбора после дешифровки адреса нужной ячейки и подключение ее к разрядным шинам, через которые осуществляется запись или считывание информации.

Матрицы ОЗУ: а - двухкоординатная; б - строчная

Рис. 18. Матрицы ОЗУ: а — двухкоординатная; б — строчная

Матрица запоминающих ячеек с системой адресных и разрядных шин составляет основную часть СП-накопителя. Дешифраторы адреса, регистры, ключи, усилители ввода входят в схему управления или в обрамления матрицы. Накопитель и схема управления СП конструктивно — это единое целое и размещаются на одном кристалле ИМС СП. В конструкциях микро-ЭВМ используют преимущественно ОЗУ на МДП-транзисторах, хотя выпускаются статические СП и на биполярных структурах (ТТЛ, ТТЛШ, Безымянный, ЭСЛ). МДП-ячейки СП потребляют небольшую мощность, компактные и поэтому в них достигается более высокая емкость и степень интеграции. Технология изготовления МДП СП проще и дешевле, чем биполярных, но в МДП СП меньше быстродействие. На рис. 19 а, приведена упрощенная электрическая схема запоминающих ячейки на однотактных p— канальных МДП-транзисторах, которая является классической схеме RS-триггера, составленной из двух МДП-инверторов с активными нагрузками VТ1-VТ4. Напряжение источника здесь отрицательное. На рис. 19 б, приведена аналогичная упрощенная схема запоминающих ячеек на двух многоэмитерных транзисторах. Напряжение источника здесь положительное.Запоминающие ячейки статических ОЗУ: а - на однотактных МДП-транзисторах; б - на многоэмитерных биполярных транзисторах

Рис. 19. Запоминающие ячейки статических ОЗУ: а — на однотактных МДП-транзисторах; б — на многоэмитерных биполярных транзисторах

Запоминающие ячейки динамических МДП СП, в которых информация сохраняется в виде заряда емкости, которая требует периодической регенерации, приведена на рис. 20.

Запоминающие ячейки динамических ОЗУ: а -на трех МДП-транзисторах; б -на одном МДП-транзисторе; в - вариант структуры однотранзисторной ячейки динамического ОЗУ

Рис. 20. Запоминающие ячейки динамических ОЗУ: а -на трех МДП-транзисторах; б -на одном МДП-транзисторе; в — вариант структуры однотранзисторной ячейки динамического ОЗУ

Их электрическая схема значительно проще от триггерных запоминающих ячеек статических СП. Информация хранится здесь в виде зарядов на обкладках накопительных конденсаторов Безымянный. В отличие от ОЗУ, информация в ПЗУ записывается на кристалле при изменении его физических свойств. Поэтому отклонения в питании не влияет на содержание записанной информации.

Структурная схема микропроцессора: а - обобщенная; б - упрощеннаяРис. 21. Структурная схема микропроцессора: а — обобщенная; б — упрощенная

К цифровым ИМС принадлежат микропроцессоры и микропроцессорные комплекты.
Микропроцессоры — это микроминиатюрные, универсальные, программно перестраиваемые и наращиваемые цифровые функциональные аппараты, которые изготавливаются в виде одной или нескольких ВИМС. По своей сути они являются стандартными логическими блоками, которые осуществляют прием, обработка и издание цифровой информации под управлением программ, которые хранятся в постоянной памяти. Микропроцессор имеет следующие четыре основные функциональные устройства (рис. 21):

1. Арифметико-логическое устройство, которое осуществляет арифметико-логическую обработку данных.

2. Устройство управления, которое управляет работой основных функциональных устройств.

3. Память (регистры), в одном месте которой записывают данные (регистры общего назначения), а в другом — программу работы (управляющие регистры).

4. Интерфейс — аппаратура и линии связи перечисленных устройств между собой и с внешними устройствами.

Микропроцессорные компоненты — это дополнительные цифровые ИМС (оперативные и постоянные СП, дешифраторы, контроллеры, согласующие устройства и т.п.), расширяют функциональные возможности микропроцессоров. Основной элементной базой современных микропроцессоров и микропроцессорных наборов является ТТЛ, Безымянный, ЭСЛ, МДНТЛ, КМДНТЛ. Поскольку каждый из рассмотренных типов логических элементов имеет определенные преимущества и недостатки, то их выбор определяется видом микропроцессора. Так, на базе n-канальных МДП-транзисторов построено большинство 8- и 16- разрядных микропроцессоров с фиксированной разрядностью и набором команд. Быстродействующие процессоры с наращиваемой разрядностью реализуются на логических элементах ЭСЛ и ТТЛ с диодами Шоттки. На элементах Безымянный, КМДНТЛ строят специализированные микропроцессоры с средним быстродействием и с малой потребляемой мощностью. В микропроцессорах
малой производительности и низкой стоимости используют p — МДП-транзисторы. Важнейшими параметрами процессоров является количество разрядов, быстродействие, потребляемая мощность. Типичные значения этих параметров для различных типов современных микропроцессоров лежат в следующих пределах: фиксированная разрядность 8 … 16, рабочая частота Безымянный, потребляемая мощность Р = 0,5 … 1,5 Вт. Униполярные транзисторы могут использоваться также для построения аналоговых ИМС, но преимущественно таких, которые ставят менее жесткие требования к
точности и стабильности параметров схемных элементов. Примером могут быть схемы эмиттерного повторителя (рис. 22).

Схемы эмиттерного повторителя: а- на МДП-транзисторе; б - на составном транзисторе, реализованы в виде униполярных полупроводниковых ИМС

Рис. 22. Схемы эмиттерного повторителя: а- на МДП-транзисторе; б — на составном транзисторе, реализованы в виде униполярных полупроводниковых ИМС

Особенностями эмитерных повторителей является высокое входное сопротивление, которое в два порядка больше от выходного сопротивления резистивного усилителя, и высокое быстродействие (длительность такта по ступенчатому изменению напряжения на входе составляет 1 … 2 нс).

Сравнивая оба вида полупроводниковых ИМС, видим, что МДП-ИМС имеют следующие преимущества перед биполярными ИМС:
1) простую конструкцию, поскольку в них обычно используют только один или два вида элементов, электрические свойства которых можно изменять, меняя геометрию МДП-транзистора;
2) более простую технологию, которая предусматривает примерно на 30% меньше операций, обусловленных простотой конструкцией и отсутствием специальных изолирующих элементов р-n-переходов
3) больший выход годных, вызванный прощей технологией;
4) более низкую стоимость, обусловленную простотой конструкции и технологии;
5) меньшие токи и напряжения и соответственно рассеиваемой мощности;
6) большие плотности компоновки элементов и степень интеграции, вызванные меньшим почти на порядок размерами транзисторов, отсутствием изолирующих р-n-переходов, возможностью непосредственного соединения каскадов, обусловленного высокими входными и выходными сопротивлениями транзисторов, и наличием многослойной разводки, один из слоев которой выполнен диффузионными перемычками, пригодными к малым токам;
7) высокую надежность, обусловленную малыми размерами элементов, меньшим количеством между элементным соединением и возможностью резервирования;
8) высшую радиационную стойкость, которая объясняется структурой МДП-транзисторов;
9) высшую помехоустойчивость (большую за 1 В) обусловленную высоким напряжением включения;
10) лучшие шумовые характеристики.

Вместе с тем, МДП-ИМС по отдельным параметрам уступают биполярным:
1) МДП-ИМС требуют нескольких высоковольтных источников питания;
2) МДП-ИМС имеют низкую временную стабильность параметров.

Применение. Учитывая отмеченные выше преимущества МДП-ИМС доминируют при создании постоянных и оперативных запоминающих устройств, микропроцессоров, электронных калькуляторов, электронных часов, медицинской техники и тому подобное. Благодаря малому коэффициенту шума, высокому сопротивлению МДП-транзисторов в выключенном состоянии и нулевом напряжении смещения МДП структуры применяют в различных аналоговых схемах, в частности во входных каскадах усилителей, в эмиттерные повторители и тому подобное. На основе МДП структур сегодня в мире производится более 50% ИМС.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*