Интегральные устройства радиоэлектроники

Вывод.

На основании данных расчетов делаем вывод, что максимальное время задержки – это время заряда емкости нагрузки при закрытом управляющем транзисторе.
Разряд емкости через управляющий транзистор происходит существенно быстрее, чем заряд через нагрузочный транзистор, так как соотношение геометрических параметров выбрано таким образом, чтобы сопротивление канала нагрузочного транзистора значительно превышало сопротивление открытого канала управляющего транзистора.
При этом остаточное напряжение на управляющем транзисторе u0 будет минимально, а логический размах передаточной характеристики – максимальным.

...

Содержание.

Введение. 3
Задание. 5
Анализ задания. 7
Расчетная часть. 8
Расчет порогового напряжения МОП транзисторов. 8
Расчет выходных характеристик управляющего транзистора. 11
МОП транзисторы в качестве нагрузочного элемента. 13
Передаточная характеристика инвертора. 17
Время переключения инвертора. 19
Вывод. 25
Библиографический список. 26

Введение.

Интегральные устройства – это конструктивно законченные микро-электронные изделия, выполняющие определенные функции преобразования информации, содержащие некоторое количество электрически связанных между собой электрорадиоэлементов (транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и т.д.), изготовленных в едином технологическом цикле. Интегральные устройства изготавливают групповым методом по материалосберигающей технологии, тиражирую одновременно в одной партии от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч микросхем. По конструктивно–технологическому принципу они делятся на три группы: полупроводниковые, пленочные и гибридные.
В полупроводниковой интегральной микросхеме все элементы и межэлементные соединения выполняются в объеме и на поверхности полупроводниковой подложки .
В пленочной интегральной микросхеме все элементы и соединения между ними выполняются в виде пленок. В настоящее время методом пленочной технологии изготавливают только пассивные элементы – резисторы, конденсаторы и индуктивности. В зависимости от толщины пленки и способа создания элементов пленочные микросхемы делят на тонко– и толстопленочные. К первому типу относятся микросхемы толщина пленки, в которых не превышает 1 мкм, а толщина пленки в толстопленочной микросхеме составляет 10…70 мкм.
В гибридных интегральных схемах в качестве активных элементов ис-пользуются навесные дискретные полупроводниковые приборы или полу-проводниковые интегральные микросхемы, а в качестве пассивных элемен-тов используют пленочные резисторы, конденсаторы, индуктивности и со-единяющие их пленочные проводники.
По функциональному назначению микросхемы подразделяются на аналоговые и цифровые. Если микросхема предназначена для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретных функций, то она называется цифровой (логической). К аналоговым устройствам относятся микросхемы, предназначенные для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. В частном случае аналоговые микросхемы для преобразования и обработки сигналов, изменяющегося линейно, называют линейными.
По степени интеграции микросхемы делятся на:
малые интегральные схемы (МИС) – это схемы 1…2 степени интегра-ции, в состав которых входят один или несколько видов функциональных аналоговых или логических элементов (логические элементы И, ИЛИ, НЕ, триггеры, усилители, фильтры и т.д.);
средние интегральные схемы (СИС) – схемы 2…3 степени интеграции, в состав которых входят один или несколько одинаковых функциональных узлов электронных устройств (регистр, дешифратор, счетчик, постоянно запоминающие устройство);
большие интегральные схемы (БИС) схемы 3…4 степени интеграции, в состав которых входят один или несколько функциональных устройств (арифметико–логическое устройство, оперативное запоминающие устройство и т.д.)
сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) – это интегральные схемы 5…7 степени интеграции, представляющие собой законченные микроэлек-тронные изделия, способные выполнять функции аппаратуры (однокристальные ЭВМ, микропроцессоры).
В настоящее время промышленность выпускает множество серий интегральных устройств. Каждая из этих серий характеризуется следующими параметрами: быстродействие (задержка переключения); потребляемая мощность, произведение мощности на время задержки, запас помехоустойчивости, коэффициент разветвления по выходу, требования к напряжению питания, диапазон рабочих температур, плотность размещения элементов на кристалле, степень интеграции, стоимость и др.

2,5
3
3,5
IDнас, мА
0,07
0.4
1,0
1,8
2,9
Вычислим выходную характеристику управляющего транзистора в крутой линейной части:
UDS = Uвых
при UG = 1,5 В и UDS = 0,1В - ID = 0,037 мА
Табл. 4 - при UG = 2В
Табл. 5 - при UG = 2,5 В

Табл. 6 - при UG = 3В

Табл. 7 - при UG = 3,5В
МОП транзисторы в качестве нагрузочного элемента.
Используя МОП транзистор как резистивный элемент в электрической цепи инвертора, можно сильно сократить общую площадь инвертора по сравнению с применением в качестве нагрузки диффузионного резистора.
Транзистор, используемый в качестве нагрузки, отличается от управляющего значительно большим импедансом во включенном состоянии, который определяется отношением ширины канала к его длине, т.е.
.
Рассмотрение электрических характеристик нагрузочного транзистора необходимо проводить во взаимосвязи с поведением управляющего входного транзистора при изменении входного напряжения UGS = Uвх. Необходимо обратиться к электрической схеме инвертора, простейший вид которой представлен на рисунке ниже:

Рис. 3. Электрическая схема инвертора.
UDD=Uпит – напряжение источника питания;
UGG – напряжение на затворе нагрузочного транзистора.
Для конкретности рассмотрения выберем случай, когда UGG=UDD, т.е. затвор нагрузочного транзистора соединен с электродом стока. Тогда UDSн = UGSн. Индекс «Н» относит эти параметры к нагрузочному транзистору.
Характеристики инвертора с МОП – резистором могут быть исследованы графически. Для этого строиться нагрузочная кривая МОП – резистора, накладываемая на семейство вольтамперных характеристик входного транзистора (Рис. 4).
Для этого используют уравнение нагрузочной кривой
Uвых = UDD – Uнагр, где Uнагр = UDSн.
В транзисторах с индуцированным каналом при UGSн = UDSн нагрузочный транзистор работает в пологой области. Так как через нагрузочный и входной транзисторы протекает один и тот же ток IД, то уравнение тока через нагрузочный транзистор записывается как:
.
Это уравнение аналогично выражению для области насыщения (пологой области), но в данном конкретном случае снабжено индексом для нагрузочного транзистора. Иными словами данное уравнение – это вольтамперная характеристика нагрузочного транзистора.
Находим UGS для нескольких значений IД, а через UGS – Uвых как разность UDD и UGS.
Пусть IД=0,05мА=0,5*10-4 А
Uвых = UDD - UGS=3,5 – 2,0 = 2 (В)
Аналогично вычисляем при других значениях тока. Результаты вносим в табл.8:
IД, мА
0,05
0,1
0,2
0,35
Uвых , В
2
1,16
0,66
0,11
Рис. 4.
Передаточная характеристика инвертора.
Передаточная характеристика, являющаяся одним из важнейших параметров инвертора, строится по нагрузочной кривой и вольтамперным характеристикам входного транзистора.
Построение передаточной характеристики сводиться к вычислению значений рабочих точек. При этом необходимо выбрать соответствующее значение рабочего напряжения на затворе входного транзистора, уверено открывающего его.
Задавая ряд значений тока в переходной области и решая графически уравнения входного и нагрузочного транзисторов, получим таблицу значений Uвых и Uнагр, которые и являются данными для построения графика передаточной характеристики. Крайняя точка при ID ≈ 0: Uвых = UDD – Um. другой крайней точкой принимается остаточное напряжение U0, которое определяется отношением сопротивлений каналов открытых входного и нагрузочного транзисторов.
Результаты вносим в табл. 9:
Табл. 9.
Uвх
1,14
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
Uвых
2,36
1,65
0,33
0,23
0.18
0.11
Передаточная характеристика инвертора изображена на рис. 5.
Рис. 5. Передаточная характеристика.
Время переключения инвертора.
Динамические характеристики переключающего устройства определяются временем включения и временем выключения управляющего транзистора.
Физические явления, которые лежат в основе процессов переключения, разделяют на внутренние задержки в структуре полевого транзистора и внешние, связанные с перезарядкой нагрузочных емкостей.
Основным процессом внутренней структуры является перенос основных носителей (электронов для n-канальных МОП – транзисторов) от электрода истока до электрода стока по длине канала L под действием электрического поля.
Из теории полевых транзисторов известно, что максимальная рабочая частота, связанная со временем пролета носителей в канале, определяется как
,
где fT и wT – соответственно, линейная и круговая граничная частота.
Граничную частоту легко вычислить по данной формуле, однако она действует только в слабых электрических полях. Критерием сильного поля в канале считается , где СS – скорость звука.
Таким образом, чтобы определить, достигла ли дрейфовая скорость электронов скорости насыщения, необходимо определить напряженность электрического поля в канале, разделив U на L, сравнить с величиной Eкр:
U = 2В
На основании полученного результата делаем вывод, что условие сильного поля в канале выполняется. Следовательно, необходимо вычислить скорость насыщения электронов в кремнии.
При напряженности поля больше Eкр дрейфовая скорость носителей перестает зависеть от поля и становиться равной скорости насыщения (VS), определяемой как
,
где mе* - эффективная масса носителей.
В свою очередь, эффективная масса электронов для кремния вычисляется из соотношения ,
где mt* – продольная эффективная масса электронов;
ml* – поперечная эффективная масса электронов;
hv0 – максимальная энергия оптического фонона колебаний решетки.
Эти физические параметры (mt*, ml*, v0) можно найти из табличных данных для кремния.
hν0 = 0.063 эВ (из табличных данных для Si)
m0=0,91*10-30кг
me*=0,98
mt*=0,19
Для случая сильных полей максимальная рабочая частота, связанная с пролетом носителей в канале, определяется соотношением
,
что соответствует времени пролета канала носителями
Время пролета канала вычислено как параметр, определяющий время реакции внутренней структуры полевого транзистора, его необходимо сравнить со временами, связанными с перезарядкой нагрузочных емкостей.
Перед рассмотрением процессов перезарядки емкостей в инверторе следует обратиться к одному из основных параметров полевых транзисторов – крутизне характеристики, которая определяется как
,