Микроэлектроника және интегралды сұлба.

Биполярлы транзисторлар. Жасырып (тереңделген) коллекторлық қабатты және кері ығысылған p-n-өтімді оқшаулағышты планарлы биполярлы транзистор қимасы. Биполярлы транзистордың ерекшелігі МОП-транзситорға қарағанда ток негізінен жайма жазықтығына перпендикуляр бағытта өтеді және негізгі жұмыс аймағы суретте пунктирмен көрсетілген аймақ болып табылады.

1 – алюмин электрод;

2 – окис қабат;

3- n – эпитакисаль қабат;

4 - n⁺ жасырын қабат.

Қалың эпитаксиль қабаты жағдайында терең бөліктегіш аймақ жасау үшін - типті қоспасының диффузиясына уақыт көбейеді және бөлгіш аймақтың аумағы артады. Сондықтан құрылымын қалыптастырғанда p⁺ -типті жабық қабатты жасауға және де астынан және үстінен екі жақты диффузия әдісіне ұмтылады. Бұл әдіс қиын емес, бірақ оны қолданғанда база қызметіндегі p – типті эпитаксальды қабаттың қалыңдығын қатаң бақылау маңызды.

Бөлгіш диффузия әдісін қолданып интеграция тығыздығын көтеру қиын. Бұл жағдайда өту және паразиттік сиымдылықтары айтарлықтай, сондықтан элементтердің интеграция тығыздығын арттырғанда сұлба жылдамдығы мен тұтынатын энергияның төмендеуіне шек қойылады. Осы шектеулерден арылу үшін диэлектрлік оқшаулағышты – локальды окислеу әдісін қолданатын технология жасалған. Бұл әдісте кремний нитридінің Si₃N₄ окисленбеуі қолданылады. Бөлгіш аймақты қалыптастыруға қатысқанда Si₃N₄ қабатты ашылады, әрі қарай окистеу жүргізіледі және көрсетілген жерде окистік қабат өсіріледі.

Si₃N₄- нитриді қазіргі кездегі БИС және СБИС-терде кең қолданылады, Si_—ді локальды окислеу кезінде жасарушы қабат ретінде, және т.б. Айтылған әдіс бергі бетін тегістеуге мүмкіндік береді, құрылым элементтерінің өздігінен араласуына мүмкіндік береді және сондықтан қазіргі кездегі биполярлы және МОП – технология элементтерінің бір бірінен изоляциялауын қамтамасыз етеді. Ол локальды окислеу әдісі, копланарлық әдіс, ал биполярлы технологияда изопланарлы деп аталады.

Изополярлы технолгияда элементтер ауданы pn - өтімдермен оқшаулаудан 2 есе аз. Және де мұндай құрылыстарды паразиттік сиымдылықты азайту үшін бөлгіш қабат эмиттерге не базаға тікелей жасалатын құрылыстар қолданылады. Мұндай құрылыстар сәйкесінше эмиттерлі не базалы қабырғалы құрылымдар деп аталады.

 

Көп эмиттерлі n-p-n транзисторлар (КЭТ) жоғарыда көрсетілген бір эмиттерлі транзисторларға қарағанда келесідей айырмашылықтары бар, біріншіден олардың p-типті базалық аймағын n-типті бірнеше эмиттерлік аймақтар құрайды. Бұл транзисторлар микросұлбаларда бір эмиттерлерлі тарнзисторлармен бірге қолданылады. Сондықтан КЭТ-ті бір эмиттерлі транзисторларды жасау технологиясымен жасалынады, яғни КЭТ құрылымы бір эмиттерлі транзисторлардағыдай - бір жартылай өткізгішті қабат пен оқшаулағыш аймақтардан тұрады.

КЭТ-ң негізгі қолдану аймақтары - транзисторлы-транзисторлық

Транзисторлы – транзистор логика негізіндегі микросұлбалар қазіргі ЭЕМ-нің түрлі цифрлық құрылғыларын құрастыруда кең қолданылады. ТТЛ (TTL) ИС бірнеше түрлері бар, соның ішінде көп таралған ТТЛ микросұлбалар: К155, К531, КР1531, КМ555 және КР1533 сериялары.

К155 сериялы (Texas Instruments фирмасы жасаған SN74 сериясының аналогы) стандартты микросұлбаның орташа тұтыну қуаты (10 МВт) және салыстырмалы төмен жылдамдығы (10 нс). Шоттки транзситорлы ТТЛ интегралды микросұлбаның (ТТЛШ) К531 (SN 745) сериясы стандарт басқа интегралды сұлбаларға қарағанда жоғары тұтыну қуаты кезінде (20МВт) үш есе жылдамдыққа ие болады (3нс).К555 сериялы ТТЛШ ИС аз қуат тұтыну кезінде (2МВт) жылдамдығы төмен (10 нс). ТТЛШ ИС КР1531 (SN74F) және КР1533 (SN74ALS) микросұлбаларының перспективасы жоғары, олар төмен тұтыну қуаты кезінде (4және 2МВт) жоғары жылдамдықты (3 және 4 нс) нәтижелер береді. H, L және S әріптері функционалдық аналогтарын сипаттайды: H – жоғары жылдамдық; L – аз тұтыну қуаты; S – құрылымда шоттки тразисторларының болуы.

ТТЛ микросұлбалары электрлік тұрғыда бір-бірімен үйлесімді және +5В қорек көзінен қоректенеді. Кейбір ТТЛ микросұлбалар 3,3В кернеулі қорек көзінде жұмыс жасайды. К155, К531, К555, КР 1531, К1533 сериялы микросұлбалар пластмассалы қорапта, ал КМ155 және КМ555 тік шықпалары бар ДИП типті керамикалық қорапта шығарылады.

Аталған сериялар құрамына кіретін барлық логикалық элементтерді ЖӘНЕ-ЕМЕС (сурет-1,а) және НЕМЕСЕ кеңейтпесі (сурет-1,б) логикалық элементтерін комбинациялау арқылы алуға болады. ЖӘНЕ-ЕМЕС логикалық элементі НЕМЕСЕ кеңейтпесімен бірігіп ЖӘНЕ-НЕМЕСЕ-ЕМЕС логикалық элементін жасайды. Кеңейткішті 1 және 2 нүктелерге (сурет-1,а) қосып, НЕМЕСЕ логикалық кірісі бойынша біріктіру санын арттыруға болады. НЕМЕСЕ бойынша кеңею мүмкіндігіне ие ИС ТТЛ-ң барлық сериялары үшін бірігудің максимал саны 8. Салыстырмалы түрде үлкен емес кіріс және үлкен шығыс токтары арасындағы өзара жақсы келісімді және үлкен жүктемелік қабілеттілікті (n≥10) қамтамасыз етеді.

ТТЛ ЛЭ сұлбаның стандартты К155 сериясының компоненттерінің құрамы мен міндетін қарастырайық. Элемент сұлбасы келесі каскадтардан тұрады:

- кіріс каскады, ол ток бойынша төменгі инверсті коэффициенті бар көп эмиттерлі Т₀ транзисторынан (КЭТ) және R₀ резисторынан тұрады;

- фазобөлгіш каскад, ол Т₁ транзисторынан, R₁ резисторынан және R₂ және R₃ резисторлары мен Т₄ транзисторынан тұратын түзеткіш тізбектен құрастырылған;

- екі тактылы шығыс каскадты, ол Т₂ және Т₃ транзисторларынан, R₄ резисторынан және D₀ диодынан тұрады.

Көп эмитторлы Т₀ транзисторы және R₀ резисторы бар кіріс каскады тура сигналдар (оң логикалық) берілгенде ЖӘНЕ функциясын жүзеге асырады, логикалық бірге жоғары деңгейлі сигнал, логикалық нөлге төменгі деңгейлі сигнал сәйкес келеді. Логикалық 1 төменгі, ал логикалық 0 жоғарғы сигналмен берілетін инверсті сигнал кезінде (теріс логика) Т₀ транзисторынан R₀ резисторынан тұратын кіріс каскады НЕМЕСЕ функциясын орындайды. Т₀ эмиттерлеріне теріс полярлы бөгеуіл кернеуінің импульстерін шектеу үшін арналған демфирлеуші D₁ және D₂ диодтары қосылған.

Фазабөлгіш қаскадтың Т₁ тразисторы p-n-ауысуларының сиымдылығы төмен және аз ток режимінде жұмыс істейді. R₁, R₂ және Т₄ элементтерінен тұратын түзеткіш тізбегі беріліс сипаттамасының қалпын (тікбұрышқа жуықтатып) жақсарту арқылы логикалық 1 күйінде ЛЭ-ң бөгеуілге төзімділігін жоғарлатады.

а) б)

 

Сурет 1. К155 сериялы ТТЛ базалық логикалық элементтің (а) және НЕМЕСЕ бойынша кеңейткіш (б) сұлбасы.

 

Фаза бөлгіш каскад шығыс каскадтың Т₂ және Т₃ транзисторларын қарама-қарсы фазаға ауыстыруға қажетті басқару сигналдарымен қамтамасыз етеді. D₀ диоды Т₃ транзистордың ашылу деңгейінің ығысуын қамтамасыз етеді және Т₂ ашық кезде оны сенімді жабады. Т₂ транзисторы үлкен токқа есептелген және элементтің ауысуы кезінде қанығу режимін шығудың аз уақытына ие.

Екі тактылы сұлба бойынша орындалған шығыс каскадты күрделі терістеу ТТЛ ИС -да (сурет 1а) қолдану бөгеуілге тұрақтылығын және жүктемелік қабілетін өсіруге мүмкіндік етеді. (қарапайым терістеулі ТТЛ-сұлбамен салыстырғанда), және айтарлықтай жүктеме сыймдылығы кезінде ЛЭ жылдамдығын арттырады. Күрделі терістеулі ТТД-сұлбаның ауысудың жоғары жылдамдығы кезіндегі терістеулі үлкен жүктеме сыймдылығында жұмыс істеуі жүктеме сиымдылығы заряд сияқты разрядта төмен Омды шығыс тізбегі арқылы жүретіндігімен түсіндіріледі (сәйкесінше ашық Т₃ және Т₂ транзисторлары). Бірақ сұлба бір күйден екіншісіне ауысқанда Т₃ және Т₂ транзисторлары бір уақытта ашылатын кез бар. Бұл кезде олар арқылы қысқа уақытта ток өтеді, бұл импульсті бөгеуілдің пайда болуына әкеледі және тұтыну қуатын өсіреді. Шығыс каскадтағы осы токты шектеу үшін Т₂ транзисторлары қанығу режимінде, ал Т₃ транзисторлары ашылған, сұлбаның ауысу уақытында Т₃ транзисторының коллекторлық тізбегіне R₄ резисторын қосады. Жылдам ТТЛ элементтеріндегі R₄ кедергісінің шамасы 100 Ом, ал тұтыну қуаты аз элементтерде 300 Ом. Бөгеуіл әсерінен арылу үшін қорек шиналары төменгі өзіндік индуктивтілікпен орындалуы тиіс және толық ұзындығы бойынша аз паразитті индуктивті қосымша конденсаторлармен шунттирленуі керек.

ЖӘНЕ-ЕМЕС элементінің ТТЛ сұлбасының (сурет 1а және 2а) жұмыс принципі мен беріліс сипаттамасын қарастырайық. Элементтің қандайда бір кірісіне (А немесе Б) төменгі деңгейлі U⁰_кір кернеуін бергенде КЭТ Т₀ транзисторының сәйкес p-n-ауысуы база-эмиттер (Б-Э) ашылады. Бұл кезде Т₀ транзисторының U_БТ0 база потенцалы үш p-n ауысуларының ашылуына жеткіліксіз болады: КЭТ база-коллектор (Б-К), Т₁ және Т₂ транзисторларындағы база-эмиттер (Б-Э). Бұл тізбектің ашылуы үшін келесі шарт орындалу керек:

 

U_БТ0 U_БКТ0 + U_БЭТ1 + U_БЭТ2 = 3U_ашу , (1)

 

мұнда U_КБТ0, U_БЭТ1 и U_БЭТ2 транзисторларының p-n-ауысуларын ашатын ашушы U_ашу кернеуі. Негізінен ТТЛ ИС-да бірыңғай типті транзисторлар қолданылады, сондықтан бұл ашушы кернеулер өзара тең (0,6-08)В. U_БЭ = 0,7 В болсын. Онда U_вх = U⁰_вх кезінде кернеу аз және Т₁ және Т₂ транзисторлары жабық болады.

 

U_БТ0 = U_вх + U_БЭТ0 (2)

 

 

Сурет 2. Логикалық ТТЛ элементініңберіліс (а) және кіріс (б) сұлбасы.

 

Е қорек көзінен шыққан R₁ резисторы арқылы аққан ток Т₃ транзисторының базасына келіп , оны ашады, сонымен қатар D диодын да ашады (олар қаныққан деңгейге жетеді). Бұл кезде элементтің шығысында жоғары деңгейлі кернеу қалыптасады:

 

U¹_кір = U_К1 –U_D0 – U_БЭТ3 @ E – 2U_ашу (3)

 

логикалық 1- ге сәйкес (2, а – суреттегі) 1 - 2 бөліктерде тура ток ағады ол келесідей анықталады.

 

I_кір @ (Е – U_БЭТ0)/R₀ (3)б

 

мұнда U_D0, U_БЭТ0 және U_БЭТ3 - D₀ -диоды және Т₀ және Т₃ транзисторларының p-n-ауысуын ашушы кернеу; U_ашу - Т₁ транзисторының коллекторындағы кернеу.

U_кір кернеуі өскенде (КЭТ-ң барлық эмиттерлік кірістерінде) Т₀ транзисторының U_БТ0 база потенциялы U_кір мәні U^* = 2U_пор мәніне жеткенше (2) өрнекке сәйкес өседі. U_кір мәні U^* (U_БТ0 = 3U_пор) мәніне жеткенде, Т₀, Т₁ және Т₂ транзисторлары ашылады. Тоқ Т₁ транзисторы арқылы ағады, нәтижесінде оның коллекторындағы U_k1 және элемент шығысындағы U_шығ кернеуі азаяды. U_кір шамасын әрі қарай өсе отырып, база потенциялының U_БТ0 мәнін сақтайды, көп эмиттерлі транзистордың Б-Э p-n-ауысулары жабылады, ал (Б-К ) ауысуы ашылады да, осы транзистордың эмитті тізбегінде инверсті тоқ ағады. Т₀ транзисторы инверсті режимге , ал Т₁ транзисторы – қанығу режиміне (қос инжекция) кіреді, себебі оның екі ауысуына (Б-Э мен Б-К) тура кернеу берілген. R₂ және R₃ кедергілерінің қатынасы Т₄ транзисторын қанығуы қамтамасыз ететілетіндей таңдалынады. Әдетте, R₂ @ R_3. Ашық Т₁ транзисторы арқылы Т₂ транзисторының базасына оны қанықтыратын I_БН2 тоғы келеді:

 

I_БН2 = I_БН1 + I_КН1 – (I_БН4 + I_КН4) @ I_БН1 + I_КН1 – U_ашу / R₃, (4)

 

Мұнда I_БН1, I_КН1, I_БН4, I_КН4 - қаныққан Т₁ және Т₄ транзисторларының база және коллектор тоқтары.

Т₁ транзистор тоғы R₁ резисторы арқылы өте отырып, оның коллекторлық потенциялын U_k1 азайтады:

 

(U_ашу + U_КЭТ1) @ U_ашу, (5)

 

 

мұнда, U_КЭТ1 - қаныққан Т₁ транзисторының қалдық кернеуі (U_КЭТ1 @ 0,1 – 0,2 В). Осының нәтижесінде Т₃-транзисторы мен D₀-диоды жабылады, ал элемент шығысындағы кернеу логикалық 0 деңгейіне дейін төмендейді (беріліс сипаттамасының 4-5 бөліктері) және ол былай анықталады:

 

U⁰_шығ = U_КЭТ2 + I_КНТ2 r_kk = U_КЭТ2 + I_Н⁰r_kk, (6)

 

мұнда I_КНТ2 - қаныққан Т₂ транзисторының коллекторның тоғы, ол I⁰_Н; I⁰_Н тоғына тең; I⁰_Н; I⁰_Н - жүктемеден келетін шығыс тоғы; r_kk- коллекторлық қабаттың көлемдік кедергісі (әдетте, қалыпты жағдайда U⁰_шығ = 0,1–0,2 В).

Т₂ транзисторының коллекторлық тоғы алдымен толығымен жүктеменің С_H сыймдылық разрядына барады, сондықтан шығыс кернеудің құламасы Т₂ шектік жиілігімен және С_H сыймдылығымен анықталады. 1,4 В-тан төмен U_вых кернеуі кезінде Т₂ транзисторның кіріс тізбегінен келесі ЛЭ-ге I_H⁰ жүктеме тогын жібереді, және 2, б - суретте көрсетілгендей беріліс сипаттамасының 4-5 бөлігіндегі U_вых төмендеу жылдамдығы шамалы түседі.

ТТЛ элемент сұлбасының жұмысын ол қосылғанда қарастырайық. Кіріс U_вх кернеуі 2U_пор элементтің ауысу табалдырығы шамасына дейін азаймайынша онда ешқандай өзгеріс болмайды. U_вх 2U_пор = 1,4 В кернеу деңгейіне жеткенде Т₀ транзисторы қанығады және оның коллекторлық тогы қаннықан Т₁ транзисторының база аймағына заряд сорады, оның тез қосылуын қамтамасыздандырады. Әрі қарай U_вх азаюынан Т₀ транзисторы қалыпты активті режимге кіреді, эмиттерінің тізбегінде тура ток ағады және потенциялы U_БТ0 3U_пор-дан азаяды, осыдан Т₁, Т₂ және Т₄ транзисторлары жабылады.Т₁ транзисторының жабылуынан оның коллекторының потенциялы өседі және U_КТ1 1В шамасына артса Т₃ транзисторы мен D₀ диоды ашылады.Транзисторынң тогы Т₃ жүктеме С_H сыйм- дылығының зарядталуын тездеттеді. С_H сыймдылығы зарядталынған сайын шығыс кернеу (3) өрнекпен анықталатын логикалық 1 кернеу деңгейіне дейін өседі. Осылайша Т₃ транзисторының арқасында күрделі терістегіште С_H сиымдылығының шығыс импульсінің фронтының өсу уақытына әсері айтарлықтай әлсіз, жай терістегішті ТТЛ элементімен салыстырылғанда.

Жоғарыда қарастырылған стандарт сериялы ТТЛ ИС-да өткізу күйінде қанығу режимінде болатын жай тразисторлар қолданылады. Бұл кезде бұл транзистордың база аймағында негізгі емес зарядты тасымалдағыштар жиналады, бұл элементтің ауысуы кезінде артық зарядтар жиналады. Бұл элементтің ауысуы кезінде артық зарядттарды соруға байланысты қосымша күту уақытысына әкеледі, осыдан жылдамдық төмендейді. К531, К555, К1531 және К1533 сериялы ТТЛ ИС базалық элементтері (сурет 3, 4) стандарт сериялы ТТЛ элементке ұқсас жұмыс істейді. Бірақ оларға жай тразистордың орнына коллекторлық өтуге шоттки диоды параллель қосылған шоттки транзисторлары қолдалынады.

Интегралды технологиямен орындалынған Шоттки диоды транзистордың жоғары омдық жартылай өткізгіштік коллекторлық аймағымен қосылынған металл контактысынан тұрады. Ашық күйде Шоттки диодының кернеуі 0,4В, бұл p-n өтуінің ашылу кернеуінен аз. Сондықтан коллекторлық өтуді Шоттки диодымен шунттау транзистордағы қанығуды болдырмайды (базаға зарядтың жиналуы), осылай оның жабылу процесін тездетеді, яғни сұлбаның айырылуы, себебі қанықпаған транзистордағы қалдық зарядты сору уақыты t_расс » 0. Соныменен Шоттки транзисторын жоғарыда көрсетілген сериялы ТТЛ элементтерінде қолдану олардың жылдамдығын көтереді.

Шотки транзисторлар негізіндегі ТТЛ элементтерінің жылдамдығының өсуі шығыс каскадта Дарлингтон сұлбасы бойынша қосылынған Т₃ и Т₅ транзисторлардың құрама транзистор ретінде қолдануымен түсіндіріледі.

 

 

 

а) б)

 

Сурет 3. К531(а) мен К555(б) сериялы базалық логикалық ТТЛ элементтерінің сұлбалары.

 

Күшейтудің жоғары коэффициентіне ие құрама транзистор сұлбаның динамикалық параметрлерін ғана жақсартпайды және сұлбаның жүктемелік қабілетін арттырады. Құрама транзисторда Т₃ ретінде жай транзисторды қолданады, себебі оның коллекторлық өтуінде кері ығысу әркезде сақталады(U_БЭ < U_КЭ), яғни Т₃ қанығу режиміне кірмейді. Т₃ транзистордың базасындағы оны ашуға керекті кернеу R₄ резисторында құрастырылады. (3,а- сурет). Жоғары деңгейлі кернеу кезіндегі тұтыну қуатын азайту үшін логикалық элемент шығысында R₄ резисторы жердің ортақ шинасына емес, элемент шығысына қосылған (сурет 3б және 4). Осы элементтің сұлбасында D₅ диоды Т₁ транзистордың коллектор тогын арттырады, осыдан элементің қосуының күту уақытысын азайтады. КЭТ-ң электрлік p-n-өткелдерінің функциясын орындаушы кіріс каскадтағы D₃ және D₄ диодтар (сурет 3б мен 4б), ркеі(инверсті) кері токтың шамасын азайту үшін және соған байланысты кемшіліктерді жоюға қолданылады.

К1531 мен К1533 сериялы базалық ЛЭ сұлбалары (сурет 4) басқа сериялы элементтермен салыстырғанда жақсы параметрлерге ие: ауысу уақыт кедергілері өте аз , бөгеуілі(помехаға төзімділігі) жоғары, тұтыну қуаты аз және жүктемелік қабілеті жоғары. Бұл элементтер үшін мұндай параметрлер оларда келесі қосымша элементтеді қолдану есебінде жетеді: К1533 сериялы ТТЛ элементте Т₀ и Т₆ транзисторлары және D₂ диоды және К1531 сериялы ЛЭ ТТЛ-де Т₆ транзисторы және D₅ – D₈ диодтары.