Система параметров логических элементов.
Основными параметрами цифровых интегральных схем являются их быстродействие, потребляемая мощность, коэффициент объединения по входу, коэффициент разветвления по выходу, устойчивость против внешних воздействий, степень интеграции, надежность.
— Коэффициент объединения по входу Коб — число входов, с помощью которых реализуется логическая функция.
— Коэффициент разветвления по выходу Краз показывает, какое число логических входов устройств этой же серии может быть одновременно присоединено к выходу данного логического элемента.
— Быстродействие характеризуется временем задержки распространения сигналов через ЛЭ и определяется из графиков зависимости от времени входного и выходного сигналов (Рисунок 10). Различают время задержки распространения сигнала при включении ЛЭ t 1,0 зд.р, время задержки сигнала при выключении t 0,1 зд.р и среднее время задержки распространения t 1,0 зд.р ср.
Рисунок 10 К определению времени задержки распространения сигнала ЛЭ
Параметры переключения замеряются на уровне 0,1 (нижний) и 0,9 (верхний) от соответствующих напряжений
Средним временем задержки распространения сигнала называют интервал времени, равный полусумме времён задержки распространения сигнала при включении и выключении логического элемента:
tзд.р ср = (t 1,0 зд.р + t 0,1 зд.р)/2
— Напряжение высокого U1 и низкого U0 уровней (входные U1вх и выходные U0вых) и их допустимая нестабильность. Под U1 и U0 понимают номинальные значения напряжений «Лог.1» и «Лог.0»; нестабильность выражается в относительных единицах или в процентах.
— Пороговые напряжения высокого U1пор и низкого U0пор уровней. Под пороговым напряжением понимают наименьшее (U1пор) или наибольшее (U0пор) значение соответствующих уровней, при котором начинается переход логического элемента в другое состояние. Эти параметры определяются с учётом разброса параметров соответствующей серии в рабочем диапазоне температур; в справочниках часто приводится одно усреднённое значение UПОР.
— Входные токи I0вх, I1вх соответственно при входных напряжениях низкого и высокого уровней.
— Помехоустойчивость. Статическая помехоустойчивость оценивается по передаточным характеристикам логического элемента как минимальная разность между значениями выходного и входного сигналов относительно порогового значения с учётом разброса параметров в диапазоне рабочих температур:
U-ПОМ = U 1вых.min – UПОР
U+ПОМ = UПОР – U0 вых.min
Динамическая помехоустойчивость т. е. помехоустойчивость логических ИС в динамическом режиме, зависит от амплитуды и длительности сигнала помехи, скорости переключения основного логического элемента в серии и его статической помехоустойчивости. Т.е чем быстрее переключается элемент, тем менее он помехоустойчив!!!
В справочных данных обычно приводится одно допустимое значение помехи, которое не переключает ЛЭ при допустимых условиях эксплуатации.
— Потребляемая мощность Pпот или ток потребления Iпот.
— Энергия переключения — работа, затрачиваемая на выполнение единичного переключения. Это интегральный параметр, используемый для сравнения между собой микросхем различных серий и технологий. Он находится как произведение потребляемой мощности и среднего времени задержки распространения сигнала.
Потребляемая мощность. Потребляемая мощность логических ИС обычно зависит от того, какие сигналы поданы на входы этой ИС. Поэтому потребляемую мощность принято оценивать средней мощностью ( Р ср ), потребляемой типовым логическим элементом во включенном и выключенном состояниях. Как правило, чем выше быстродействие схем, тем больше средняя потребляемая ими мощность. Для схем ЭСЛ Рср составляет 20 - 80 мВт, для схем ТТЛ это 2-40 мВт, для КМОП 1-100 мкВт. В процессе переключения логических ИС средняя потребляемая мощность выше средней статической мощности вследствие всплесков тока в переходных режимах. Особенно это заметно в ИС с малым потреблением. Поэтому для них обычно указывается потребляемая мощность в динамическом режиме при определенной тактовой частоте. Поскольку снижение средней задержки логических схем сопровождается ростом потребляемой ими мощности, то находит применение параметр, называемый работой переключения (или добротностью), равный произведению средней мощности, потребляемой ИС, и средней задержки. Для первых поколений ИС этот показатель лежал в диапазоне 50-100 пДж. Последующие разработки позволили снизить его до 0,5-5 пДж.
Коэффициент объединения по входу . Коэффициент объединения по входу - это максимальное число входов, которое может иметь логический элемент. Чаще всего коэффициент объединения по входу не превышает восьми, что отчасти определяется ограниченным числом выводов ИС. Однако следует помнить, что всегда возможна реализация многовходовых логических схем путем построения соответствующей логической цепи, состоящей из простых схем. Устойчивость против внешних воздействий. Устойчивость против внешних воздействий характеризует возможность применения ИС при изменении температуры, влажности, радиации и т. д. В значительной степени этот параметр логических ИС определяется типом используемого корпуса. Что касается электрических цепей ИС, то наименее устойчивы к воздействию температуры интегральные схемы ЭСЛ. Более устойчивы схемы КМОП, ТТЛ. Наиболее широкий температурный диапазон для выпускаемых серийно отечественных ИС - от -60 до +l25°C. Для схем общепромышленного применения этот диапазон обычно определяется границами -10 и + 70 °С. Степень интеграции элементов. Степень интеграции элементов ИС характеризует достигнутый при производстве этих ИС технологический уровень. Численное значение степени интеграции определяется округленным до большего целого числа значением десятичного логарифма числа элементов в одном кристалле. Однако для потребителей ИС более важна степень интеграции не элементов, а логических функций, так как именно она показывает, какое число ИС (корпусов) потребуется для построения того или иного логического устройства. С этой точки зрения обычно делят все логические схемы на ИС малой степени интеграции (в одном корпусе несколько инверторов или одни-два триггера), ИС средней степени интеграции (в одном корпусе сложная логическая цепь, например сумматор или десятичный разряд счетчика), ИС большой степени интеграции (в одном корпусе арифметическое устройство, многоразрядный счетчик и т. п.) и ИС сверхбольшой степени интеграции.
Надежность ИС. Надежность ИС малой степени интеграции определяется в значительной мере отказами соединений между контактными площадками на кристалле и выводами корпуса. Для схем большой степени интеграции определяющими могут оказаться отказы элементов и соединений внутри самого кристалла. Интенсивность отказов ИС при хорошо отработанном технологическом процессе их изготовления может не превышать 10-7 ч-1, что примерно соответствует интенсивности отказов хороших дискретных транзисторов.
33 Полупроводниковые приборы с S — образными характеристиками.
S-приборы полупроводниковые приборы, действие которых основано на S-oбразной вольт-амперной характеристике, на которой есть один (АВ) или несколько участков с отрицательным сопротивлением. У полупроводниковых приборов существует 2 типа нелинейных вольтамперных характеристик. Один из них характеризуется N-oбразной формой (см. Туннельный диод, Ганна диод), другой — S-oбразной. S-п. реализуются различными способами.
Первым S-п. был кристадин. К S-п. относятся четырёхслойные структуры, в которых чередуются слои полупроводника с проводимостями n- и р-типов (тетристор). Четырёхслойная структура содержит три р-n-перехода. Рабочий диапазон токов и напряжений тетристоров колеблется от единиц до десятков и сотен а и от десятков до нескольких сотен в и выше.
Др. распространённым S-п. является двухбазовый диод (однопереходный транзистор), у которого имеются 3 электрода и 2 цепи — эмиттерная и межбазовая. При наличии тока в межбазовой цепи в эмиттерной цепи возникает S-xapakтеристика. S-xapakтеристику имеют также при определённых условиях лавинные Транзисторы, Ганна диоды и лавинно-инжекционные полупроводниковые диоды (См. Полупроводниковый диод).
Наибольшее практическое применение получили четырёхслойные структуры; они используются в электротехнической промышленности, в силовой и преобразовательной технике (где они вытеснили громоздкие и ненадёжные Тиратроны) и в электронике. Широкое распространение получил и двухбазовый диод, на основе которого создаются релаксационные генераторы и линии задержки. В перспективе — использование четырёхслойных структур и однопереходных транзисторов в микроэлектронике.
Вводя в полупроводник примеси, создающие глубоколежащие энергетические уровни в запрещенной зоне, значительно повышают его сопротивление. При протекании тока первоначальное низкое сопротивление восстанавливается (компенсируется), причём часто повышение проводимости полупроводника сопровождается понижением падения напряжения на нём в то время, как ток растет. Это и обусловливает S-oбразную вольтамперную характеристику. Известны S-п. на компенсированных Si, Ge, GaAs и др. материалах. В большинстве случаев переход от высокого сопротивления к низкому сопровождается шнурованием тока, т. е. уменьшением поперечного сечения токового канала. Шнурование тока имеет место (в пренебрежении собственными магнитными полями тока) только в S-п. Например, в S-диодах из Si, компенсированного кадмием, удалось наблюдать скачкообразное уменьшение диаметра сечения токового канала от 400 мкм до 80—100 мкм. Шнурование тока наблюдается в компенсированном Ge, четырёхслойных структурах и т. д. С увеличением тока шнур расширяется так, что плотность тока в нём остаётся постоянной. При этом шнур может занять всю площадь контакта, как бы велика она ни была. Шнур может перемещаться как целое (например, в магнитном поле), не меняя величины поперечного сечения. Обе особенности указывают на возможности практического использования S-п. для создания коммутаторов и переключателей тока высокой надёжности.
S-п. имеют по крайней мере 2 устойчивых состояния. Это позволяет создавать на их основе нейристоры, представляющие собой электронную модель окончания нервной клетки — Аксона. В S-п., созданных на основе компенсированного CaAs, наблюдается свечение при переходе прибора из высокоомного состояния в низкоомное. Т. е., S-п. может быть управляемым источником света.
Находят применение также тетристоры. Возможно управление тетристорами при помощи падающего на них пучка света
ВАХ для ТАКИХ ЭЛЕМЕНТОВ:
А-В область с отрицательным сопротивлением
<<<<<ДИОДНЫЙ ТИРРИСТОР!!!!!!