Рис. 4. Схема логического элемента НЕ на МОП транзисторах

Содержание
1. Введение
2. Устройство МОП транзистора
3. Логические элементы на МОП транзисторах
3.1 КМОП технология
3.2 Логический элемент НЕ
3.3 Логический элемент И-НЕ
3.4 Логический элемент ИЛИ-НЕ
3.5 КМОП микросхемы
3.6 Особенности соединения входов и выходов КМОП микросхем
4. Список литературы
Введение
Математической основой цифровой электроники и вычислительной
техники является алгебра логики или булева алгебра (по имени английского
математика Джона Буля). В булевой алгебре независимые переменные или
аргументы (X) принимают только два значения: 0 или 1. Зависимые
переменные или функции (Y) также могут принимать только одно из двух
значений: 0 или 1.
Логический элемент – это электронное устройство, реализующее одну из
логических операций. Логические элементы представляют собой
электронные устройства, в которых обрабатываемая информация
закодирована в виде двоичных чисел, отображаемых напряжением
(сигналом) высокого и низкого уровня. Термин «логические» пришел в
электронику из алгебры логики, оперирующей с переменными величинами и
их функциями, которые могут принимать только два значения: «истинно»
или «ложно». Для обозначения истинности или ложности высказываний
используют соответственно символы 1 или 0. Эти двоичные переменные и
функции от них называются логическими переменными и логическими
функциями. Устройства, реализующие логические функции, называются
логическими или цифровыми устройствами.
Логические элементы по режиму работы подразделяются на статические и
динамические. Статические ЛЭ могут работать как в статическом, так и
динамическом (импульсном) режимах. Статические элементы наиболее
широко используются в современных микросхемах. Динамические ЛЭ могут
работать только в импульсном режиме.
Логические элементы классифицируют также по типу применяемых
транзисторов. Наибольшее распространение получили ЛЭ на биполярных и
МОП - транзисторах.
1. Устройство МОП транзистора
Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, усилительные
свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим
через проводящий канал и управляемым электрическим полем. В отличие от
биполярных работа полевых транзисторов основана на использовании
основных носителей заряда в полупроводнике. По конструктивному
исполнению и технологии изготовления полевые транзисторы можно
разделить на две группы: полевые транзисторы с управляющим р-n переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором.
МОП структура - (МОП - Металл - Оксид - полупроводник) наиболее
широко используемый тип полевых транзисторов. Название МОП является
традиционным названием такой структуры. Структура состоит из металла и
полупроводника, разделённых слоем оксида SiO2. В общем случае структуру
называют МДП (металл - диэлектрик - полупроводник). Транзисторы на
основе МОП-структур, в отличие от биполярных, называются униполярными
транзисторами, так как для их работы необходимо наличие носителей
заряда только одного типа. Полевые транзисторы существуют двух типов: nканальные и p-канальные.
Рис. 1. Структура полевого транзистора с изолированным затвором: а - с
индуцированным каналом ; б - со встроенным каналом.
В цифровых микросхемах применяются полевые транзисторы только с
изолированным затвором и только с индуцированным каналом.
Полевой транзистор с изолированным затвором - это полевой
транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала
слоем диэлектрика. Полевой транзистор с изолированным затвором состоит
из пластины полупроводника (подложки) с относительно высоким удельным
сопротивлением, в которой созданы две области истока и стока (рис. 1). На
эти области нанесены металлические электроды. Поверхность
полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем
диэлектрика (обычно слоем оксида кремния). На слой диэлектрика нанесен
металлический электрод - затвор. Получается структура, состоящая из
металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с
изолированным затвором часто называют МДП- транзисторами или МОПтранзисторами (металл - оксид- полупроводник).
Существуют две разновидности МДП-транзисторов с индуцированным и
со встроенным каналами.
В МДП-транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал
между сильнолегированными областями истока и стока и, следовательно,
заметный ток стока появляются только при определенной полярности и при
определенном значении напряжения на затворе относительно истока
(отрицательного при р-канале и положительного при n-канале). Это
напряжение называют пороговым. Так как появление и рост проводимости
индуцированного канала связаны с обогащением его основными носителями
заряда, то считают, что канал работает в режиме обогащения.
В МДП - транзисторах со встроенным каналом проводящий канал,
изготавливается технологическим путем, и образуется при напряжении на
затворе равном нулю. Током стока можно управлять, изменяя значение и
полярность напряжения между затвором и истоком. При некотором
положительном напряжении затвор - исток транзистора с р-каналом или
отрицательном напряжении транзистора с n-каналом ток в цепи стока
прекращается. Это напряжение называют напряжением отсечки. МДП транзистор со встроенным каналом может работать как в режиме
обогащения, так и в режиме обеднения канала основными носителями
заряда.
МОП транзисторы имеют четыре вывода:
1) исток, – от которого начинают движение в канале носители
электрического заряда.
2) сток, – к которому движутся в канале носители заряда.
3) затвор, – потенциал на котором посредством электрического поля
управляет толщиной канала (затворяет или отворяет путь протекания тока, –
движения носителей заряда).
4) подложка, – полупроводниковый кремниевый кристалл, в объеме
которого на малом расстоянии друг от друга методом диффузии сделаны две
области с проводимостью, обратной проводимости подложки – это области
стока и истока.
Когда на затвор МОП транзистора относительно подложки подается
отпирающее напряжение, то внутри подложки под затвором между стоком и
истоком индуцируются (наводятся) носители заряда с проводимостью,
противоположной проводимости подложки, но совпадающей с
проводимостью стока и истока. Если теперь подключить сток и исток к
источнику питания, то через них и через наведенный канал потечет ток.
Рис. 2. Зависимость тока Iс стока от напряжения затвор–подложка Uз для
транзистора с p-проводимостью подложки.
Рис. 3. Зависимость тока Iс стока от напряжения затвор–подложка Uз для
транзистора с n-проводимостью подложки.
На рис.2 и рис.3 показаны условные графические обозначения
транзисторов двух типов и зависимости тока стока от напряжения затворподложка. Следует обратить внимание на то, что на условным графическом
обозначении вывод истока транзистора является продолжением линии
вывода его затвора. Зачастую линию канала вместо штриховой рисуют
сплошной (как у МОП транзисторов с встроенным каналом).
МОП транзисторы называют в соответствии с проводимостью канала, а
стрелки в их условных графических обозначениях соответствуют
проводимости подложки, которая, как было сказано, для таких транзисторов
противоположна проводимости канала. Направление стрелки показывает
проводимость подложки (внутрь, – транзистор n–типа, наружу, – p–типа). Как
известно обозначения n – NEGATIVE (отрицательный, при этом носители
заряда, – электроны), а p – POSITIVE (положительный, при этом носители
заряда, – дырки).
Значение порогового напряжения при питании +5 В обычно лежит в
пределах: Uпор = 1,5 ... 3 В. При другом напряжении питания значение
порогового напряжения лежит в пределах: Uпор = Uпит/3 ... 2Uпит/ 3.
Для МОП транзисторов характерны два существенных отличия от обычных
биполярных транзисторов:
– сопротивление канала практически линейно, т. е. ток стока почти
линейно зависит от напряжения сток–исток;
– имеется почти полная взаимозаменяемость стока и истока, т.к. ток в
канале может протекать в обоих направлениях в зависимости от полярности
напряжения, приложенного к каналу.
3. Логические элементы на МОП транзисторах
3.1. КМОП технология
КМОП (комплементарная логика на транзисторах металл-оксидполупроводник) – технология, получившая широкое распространение при
изготовлении логических элементов и более сложных интегральных схем,
основанная на использовании МОП-транзисторов.
Отличительной особенностью структуры КМОП по сравнению с другими
МОП-структурами (N-МОП, P-МОП) является наличие как n-, так и pканальных полевых транзисторов; как следствие, КМОП-схемы обладают
более высоким быстродействием и меньшим энергопотреблением, однако
при этом характеризуются более сложным технологическим процессом
изготовления и меньшей плотностью упаковки.
В схемах, построенных по данной технологии, как правило, нет никаких
нагрузочных сопротивлений, поэтому в статическом состоянии через КМОПсхему протекают только токи утечки через закрытые транзисторы, и
энергопотребление очень мало. При переключениях электрическая энергия
тратится в основном на заряд емкостей затворов и проводников, так что
потребляемая и рассеиваемая мощность пропорциональна частоте этих
переключений (например, тактовой частоте процессора).
3.2. Логический элемент НЕ
Операция логического отрицания применяется в случаях, когда
необходимо получить противоположное значение логического состояния.
Схему, выполняющую данное преобразование часто называют инвертором.
Таблица 1. Таблица истинности логического элемента НЕ.
A
0
1
Q
1
0
Инвертор на МОП-транзисторах с n-каналами может быть выполнен по
схеме, приведенной на рис. 4, а. Транзистор VT1, на затвор которого
подается напряжение отпирающей полярности, выполняет роль резистора
(сопротивление которого может быть сделано любым - в пределах от сотен
омов до сотен кило-омов - в зависимости от технологии изготовления и
напряжения на затворе). Если на входе А действует сигнал 0, то транзистор
VT2 закрыт и напряжение на выходе Q практически равно напря¬жению
источника питания, т. е. соответствует напряжению логической 1. Когда на
вход А действует положительное напряжение, соответствующее напряжению
логической 1, то транзистор VT2 открывается (его сопротивление при этом
составляет всего 300 - 500 Ом) и напряжение на выходе Q становится весьма
малым (десятые доли-единицы вольт), что соответствует логическому 0.
Существенное повышение быстродействия (и снижение потребления
энергии питания) достигается при использовании комплиментарной пары
КМОП-транзисторов.
Схема КМОП-инвертора приведена на рис. 4, б. Если на входе А схемы
действует напряжение логического нуля, то транзистор VT1 с р-каналом,
полностью открыт, поскольку его затвор при этом соединен с общим
проводом и поэтому на него подается напряжение в отпирающей
полярности относительно истока, соединенного с плюсом источника
питания. Транзистор VT2 имеющий n-канал, заперт, вследствие чего
напряжение на выходе Q максимально и соответствует напряжению
логической 1. Когда на вход А подается положительное напряжение
логической 1, то транзистор VT1 запирается, а транзистор VT2 полностью
отпирается, вследствие чего напряжение на входе Q становится нулевым.
Быстродействие этой схемы по сравнению с предыдущей существенно
увеличивается благодаря тому, что заряд-перезаряд паразитных емкостей
происходит через весьма малые сопротивления полностью открытых
транзисторов VT1 и VT2. Потребление энергии питания снижается до уровня
десятых долей микроватта на один элемент потому, что схема потребляет
ток, в сущности, только во время переключения, когда один транзистор
открывается, а другой закрывается. В остальное время, при 0 или 1 на входе,
один из транзисторов всегда закрыт и ток от источника питания не
потребляется.
Рис. 4. Схема логического элемента НЕ на МОП транзисторах, выполненная
по n-МОП технологии(а) и КМОП-технологии(б).
3.3. Логический элемент И-НЕ
Элемент И-НЕ позволяет одновременно с операцией логического
умножения выполнить и отрицание. Во многих случаях это удобно и
упрощает схему.
Таблица 2. Таблица истинности логического элемента И-НЕ.
А
0
0
1
1
В
0
1
0
1
Q
1
1
1
0
На рис.5 показан элемент И-НЕ выполненный на КМОП-транзисторах.
Транзисторы VT1 и VT2 р-типа, вследствие чего, когда на их затворах (входах
A, В) действуют сигналы логических 0, они полностью открыты и на выходе Q
имеется положительное напряжение то есть логическая единица. При этом
транзисторы VT3 и VT4 полностью заперты, так как они n-типа. Когда на оба
входа A, В одновременно действуют положительные напряжения логических
1, транзисторы VT1 и VT2 запираются и напряжение с выхода Q снимается.
При этом транзисторы VT3 и VT4 отпираются и выход оказывается
соединенным с общим проводом через малое сопротивление (500 - 1000
Ом). Если на одном из входов действует напряжение логического 0, а на
другом - напряжение логической 1, то один из транзисторов p-типа (VT1 или
VT2) запирается, но другой остается открытым, а поскольку они включены
параллельно, на выходе остается напряжение логической 1. При этом один
из транзисторов с n-каналом (VT3 или VT4) оказывается открытым; другой закрытым, и, поскольку они включены последовательно, шунтирования
выхода Q малым сопротивлением открытого транзистора не происходит и
напряжение на выходе оказывается высоким. Таким образом, схема
потребляет ток только в процессе переключения состояния, что позволяет
очень сильно сократить энергопотребление, по сравнению с другими типами
логики.
Рис. 5. Схема логического элемента И-НЕ на МОП .
3.4 Логический элемент ИЛИ-НЕ
Элемент ИЛИ-НЕ осуществляет одновременно с логическим сложением
ИЛИ и логическое отрицание (инверсию) НЕ.
Таблица 3. Таблица истинности логического элемента ИЛИ-НЕ.
А
0
0
1
1
В
0
1
0
1
Q
1
0
0
0
На рис. 6 приведена схема логического элемента ИЛИ-НЕ, выполненная
по n-МОП технологии. При сигналах логического 0 на входах А и В
транзисторы VT2 и VT3 заперты, а поскольку транзистор VT1 постоянно
открыт и играет роль сопротивления нагрузки, то на выходе Q действует
положительное напряжение логической 1. Если на одном из входов А или В
(или одновременно на двух) действует положительное, напряжение,
соответствующее логической 1, то транзистор VT2 или VT3 или оба вместе
оказываются открытыми и напряжение на выходе Q снижается до
нескольких десятых долей-единиц вольт, т. е. до уровня напряжения
логического 0.
Рис. 6. Схема логического элемента ИЛИ-НЕ на МОП транзисторах,
выполненная по n-МОП технологии.
Существенно снизить потребление энергии питания и увеличить
быстродействие позволяет использование КМОП-технологии. На рис. 7
приведена схема такого вида. Транзисторы VT1 и VT2 имеют р-каналы и
открываются, если на их затворы подается напряжение логического 0 (так как
на их затворы, соединенные с плюсом источника питания, подается
отрицательное напряжение в отпирающей полярности). При этом
транзисторы VT3 и VT4, имеющие n-каналы, оказываются запертыми и
напряжение на выходе Q близко к напряжению источника питания, т. е. к
напряжению логической 1. Если хотя бы на одном из входов действует
напряжение логической 1, то один из транзисторов VT1 или VT2 закрывается,
а поскольку они соединены последовательно, схема отключается от
источника питания и на выходе Q напряжение равно 0. В добавление к этому
открывается один из транзисторов VT3 или VT4 (включенных параллельно) и
выход соединяется с общим проводом через весьма малое сопротивление
100—300 Ом. Таким образом, элемент действует в полном соответствии с
таблицей истинности ИЛИ-НЕ (табл. 3.). Следует отметить, что схема
чрезвычайно экономична и потребляет ток только в очень краткие
мгновения, во время переключения, когда одни транзисторы открываются, а
другие еще не успели закрыться.
Рис. 7. Схема логического элемента ИЛИ-НЕ на МОП транзисторах,
выполненная по КМОП технологии.
3.5. КМОП микросхемы
Схемы КМОП в 1963 изобрёл Фрэнк Вонлас (Frank Wanlass) из компании
Fairchild Semiconductor, первые микросхемы по технологии КМОП были
созданы в 1968. Долгое время КМОП рассматривалась как
энергосберегающая, но медленная альтернатива ТТЛ(транзисторнотранзисторная логика), поэтому микросхемы КМОП нашли применение в
электронных часах, калькуляторах и других устройствах с батарейным
питанием, где энергопотребление было критичным.
К 1990 году с повышением степени интеграции микросхем встала
проблема рассеивания энергии на элементах. В результате технология КМОП
оказалась в выигрышном положении. Со временем была достигнута скорость
переключения и плотность монтажа, недостижимые в технологиях,
основанных на биполярных транзисторах.
Ранние КМОП-схемы были очень уязвимы к электростатическим разрядам.
Сейчас эта проблема в основном решена, но при монтаже КМОП-микросхем
рекомендуется принимать меры по снятию электрических зарядов.
Для изготовления затворов в КМОП-ячейках на ранних этапах применялся
алюминий. Позже, в связи с появлением так называемой самосовмещённой
технологии, которая предусматривала использование затвора не только как
конструктивного элемента, но одновременно как маски при получении стокистоковых областей, в качестве затвора стали применять
поликристаллический кремний.
Рис. 8. Внешний вид КМОП микросхемы российского производства.
Для удобства, часто в одном корпусе располагается несколько однотипных
логических элементов. Следует заметить, что логические элементы И и ИЛИ
могут быть с количеством входов намного большим чем два. Также, созданы
микросхемы, состоящие из большого числа логических элементов,
собранных по определенной схеме. Таким образом реализуются триггеры,
счетчики, сумматоры и прочие элементы.
Рис. 9. Пример подключения 6 логических элементов НЕ в микросхеме.
3.6. Особенности соединения входов и выходов КМОП
микросхем
При разработке схем, построенных на КМОП логических элементах,
следует учитывать ряд особенностей.
Входы КМОП микросхем никогда не должны оставаться ни к чему
неподключенными – это одно из обязательных правил. Входное
сопротивление КМОП микросхем очень высоко, и соответственно, на не
подключенный вход КМОП микросхемы очень сильно влияют помехи.
Практика работы с КМОП микросхемами показывает, что часто при обрыве
дорожки платы, идущей к какому–либо входу КМОП микросхемы, на выходе
этой микросхемы появляется переменное напряжение с частотой питающей
сети.
Иногда при обрыве соединения на входе КМОП микросхемы напряжение
на этом входе медленно дрейфует, плавает. При этом возможны так
называемые "мерцающие" отказы в работе устройства, когда устройство
нормально работает некоторое время, а затем без какой–либо причины оно
выходит из строя, а затем, через какое–то время устройство вновь начинает
нормально работать.
Из–за тиристорного эффекта, присущего КМОП микросхемам (особенно их
первым сериям), устройства с этими микросхемами не разрешается
вставлять в разъемы, на которых уже могут присутствовать напряжения
питания и входные сигналы. В таких случаях возможны ситуации, когда
напряжение на вход КМОП микросхемы поступает раньше, чем напряжение
питания. При этом полупроводниковые структуры КМОП инвертора могут
открыться аналогично тиристору, включенному анодом к плюсу питания, а
катодом, – к земле.
Такой тиристор перегружает источник питания, а главное, перегревается
сам, и вполне может через некоторое время (через секунду – другую) сгореть
от теплового пробоя. По этой же причине устройства с КМОП микросхемами
не разрешается вытаскивать из разъемов на которых присутствуют
напряжения питания и входные сигналы.
Без потери работоспособности неиспользуемые И входы КМОП микросхем
могут быть подключены непосредственно к плюсу питания, а ИЛИ входы, – к
общему проводу, при этом пороги переключения соседних входов немного
смещаются. Можно неиспользованные входы КМОП микросхем подключать
параллельно соседним используемым, но при этом эти входы
дополнительно нагружают выход предыдущей микросхемы
пропорционально числу подключенных входов.
Очень большое входное сопротивление КМОП микросхем позволяет при
расчете разветвления сигналов с одного выхода на несколько входов
пренебрегать активной, резистивной составляющей их входного
сопротивления. Число входов, которые допустимо подключать к одному
выходу КМОП микросхемы, определяется эквивалентной входной емкостью
одного входа и предельной емкостью нагрузки, при которой характеристики
микросхем (в основном динамические) не выходят из заданных пределов.
Входная емкость большинства КМОП микросхем составляет 5 ... 15 пф, а
максимальная емкость нагрузки, при которой характеристики микросхем не
выходят из заданных пределов, обычно равна 500 пф, поэтому обычно
коэффициент разветвления Кразв. = 30 ... 100.
Статическая помехоустойчивость КМОП микросхем зависит от напряжения
питания и увеличивается с его ростом.
В КМОП, есть схемы с открытым стоком и так называемым Z–состоянием.
Выходы логического элемента КМОП не рекомендуется соединять
непосредственно между собой. Особенно важно это для элементов с
повышенным выходным током. Если требуется увеличить выходной ток, то
допускается параллельное соединение входов и выходов логических
элементов, но они должны быть из одного корпуса микросхемы. Нельзя
применять емкости нагрузки C > 500 пФ для обычных логических элементов и
C > 5000 пФ для буферных и высоковольтных оконечных элементов,
поскольку такой конденсатор равноценен короткому замыканию для
импульса тока; если же последовательно с выходом логического элемента
включить гасящий резистор для ограничения импульса тока, то емкость
нагрузки может быть любой.
При соединении выходов логического элемента с шиной питания или с
корпусной шиной через один из выходных транзисторов протекает ток,
ограничиваемый только сопротивлением открытого канала. Этот ток
вызывает нагрев транзистора и всего логического элемента и может вызвать
тепловой пробой, если рассеиваемая мощность превышает допустимую: 100
мВт для одного транзистора и 500 мВт для корпуса микросхемы. Благодаря
отрицательному температурному коэффициенту тока канала МОП
транзисторов они обладают внутренней кратковременной защитой от
нагрева.
В некоторых КМОП микросхемах выходные каскады имеют повышенную
нагрузочную способность, такие микросхемы называют буферными или
драйверами. По сравнению с обычными микросхемами они имеют меньшее
сопротивление открытого канала.
4. Список литературы
1. Степаненко И.П. «Основы микроэлектроники» М.Сов.Радио, 1980 424 стр.
2. Бобровников Л. З. Радиотехника и электроника. М. Недра, 1990 г.
3. Ямпольский В. С. Основы автоматики и вычислительной техники. М.
Просвещение, 1991 г.