книги / Элементы свербольших интегральных схем

4.3.ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Вцифровых ИС на арсениде галлия используются четыре ос­ новных типа логических элементов: на полевых транзисторах с бу­

ферным каскадом (БПТЛ) (рис. 4.7), на полевых транзисторах и диодах Шотки (ДШПТЛ) (рис. 4.8), на полевых транзисторах с непосредственной связью (НСПТЛ) (рис. 4.9) и на полевых тран­ зисторах с низким пороговым напряжением (НППТЛ) (рис. 4.10).

Основным фактором, определяющим выбор схемотехники ло­ гических элементов, является технологический разброс порогового напряжения, которым обусловливается выбор номинального зна­ чения порогового напряжения. В первых арсенидо-галлиевых ло­ гических элементах [84, 87] применялись транзисторы со встроен­ ным каналом, работающие в режиме обеднения (рис. 4.3). Боль­

порогового напряжения Unор= —2,5 В.

На рис. 4.7 приведена схема двухвходового логического элемен­ та НЕ ИЛИ с буферным каскадом (БПТЛЗД). Все транзисто­ ры имеют встроенные каналы, работают в режиме обеднения и

Рис. 4.8. Логический элемент НЕ—ИЛИ типа ДШПТЛ

Рис. 4.9. Логические элементы НЕ—ИЛИ типа НСПТЛ с резистивной нагруз­ кой (о) и с нагрузочным транзистором со встроенным каналом (б)

Рис. 4.10. Логический элемент НЕ—ИЛИ типа НППТЛ

113

характеризуются одинаковыми номинальными значениями порого­ вого напряжения. Входные транзисторы VT1 и VT2 и нагрузочный транзистор VT3 образуют собственно логическую схему НЕ — ИЛИ, транзистор VT4 буферного каскада используется как истоковый повторитель, диоды Шотки обеспечивают сдвиг верхнего уровня выходного напряжения до величины UBhtx<.U3maxt необ­ ходимый для согласования входных и выходных уровней напря­ жения логических элементов. Нагрузочный транзистор VT5, под­ ключенный к источнику питания С/И.п2< 0 , обеспечивает запирание входных транзисторов следующих логических элементов. Исполь­

=34...46 пс (в кольцевом генераторе), но большой рассеиваемой мощностью (Р = 20 ...40 мВт).

Логические элементы типа БПТЛ применяют только в ИС с малой и средней степенью интеграции (до 200— 500 вентилей на кристалл). Степень интеграции главным образом ограничивается большой рассеиваемой мощностью. Площадь отдельных вентилей БПТЛ может быть достаточно малой: в 29-каскадном кольцевом

Более высокая степень интеграции (до 103 вентилей на крис­

включены быстродействующие диоды Шотки, выполняющие логи­ ческую операцию ИЛИ. Транзисторы VT2 и VT3 образуют выход­ ной инвертирующий каскад. Все транзисторы со встроенными ка­ налами имеют одинаковое номинальное значение порогового нап­ ряжения Unop—— 1 В. Напряжение* источников питания

= +2,5 .В, Un.п2 = — 1,5 В. Диод VD3, имеющий большую площадь, чем диоды VD1, VD2, служит для сдвига уровня напряжения на затворе транзистора VT2.

Логические элементы типа БПТЛ с двумя диодами сдвига уровня (БПТЛ2Б) и ДШПТЛ при одинаковых параметрах тран­ зисторов характеризуются приблизительно одинаковой задержкой распространения, но элементы ДШПТЛ обеспечивают при этом меньшую рассеиваемую мощность (0,2...2 мВт на вентиль).

114'.

Типичные зависимости тока стока от напряжения С/к.„ при и3 = Цц= 0 и Uс=2,5 В для различных расстояний контакт — ис­ ток приведены на рис. 4.14 [92]. Эти зависимости получены для меза-структуры, созданной на нелегированной полуизолирующей подложке ионным внедрением кремния (энергия 50 кэВ, доза 3-1012 см-2). Послеимплантационный отжиг проводился при тем­ пературе 850° С в течение 15 мин. Для омических контактов ис­ пользован сплав Аи — Ge/Ni, для углубленных в активный слой затворов Шотки — Ti—Pt—Au. Номинальное значение порогового напряжения транзистора £/„ор=|— 1 В.

Измерение стоковых характеристик транзистора при U3 = £/и = = 0 и различных значениях напряжения Х/К.и< 0 показывает, что влияние отрицательного напряжения на контакте аналогично влия­ нию отрицательного напряжения на затворе, но характеризуется большим значением порогового напряжения и меньшим значени­ ем крутизны. Таким образом, по отношению к исследуемому тран­ зистору (рис. 4ЛЗ) контакт к /г-области играет роль бокового зат­ вора.

Относительное уменьшение тока стока Д/с(£/к.и)/Л/с (^к.и — 0) возрастает при увеличении отрицательного напряжения 0 К.и и уменьшении LK.H. На рис. 4.15,6 приведены зависимости тока стока от напряжения на истоке при -£/зл,= 0 и постоянных напряжениях на стоке £/с=2,5 В и U c = 4 В для Д<.и='.10 мкм [92]. Такой режим характерен для нагрузочных транзисторов в логических элемен­ тах (см. § 4.3). Кривые 1 соответствуют разомкнутому ключу в схеме рис. 4.15,а, при этом контакт К имеет плавающий потенци­ ал и не влияет на ток стока. Кривые 2 соответствуют замкнутому ключу, в этом случае наблюдается уменьшение тока стока.

Простейшая аппроксимация зависимости Ic—f (^к.и) при С/3 = = ии = 0 и C/c=const представлена на рис. 4.16. Ток стока остает-

Рис. 4.15. Схема измерения (а) и зависимость тока стока от напряжения на истоке (б) при постоянном напряжении на стоке

120