Глава

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ НА МОП-ТРАНЗИСТОРАХ

До настоящей павы МОП-транзисторы рассматривались как дискретные элементы схемы. Была описана работа дискретных МОП-транзисторов и выведены основные уравнения, описывающие их характеристики. В настоящей главе, как следует из ее названия, МОП-транзисторы рассматриваются как элементы интегральных схем. В наш век микроэлектроники важнейшее значение МОП-транзисторов связано с их вкладом в развитие технологии интегральных схем. Поэтому большое внимание будет уделено особенностям использования МОП-транзисторов в интегральных схемах.

В результате ознакомления с ИС на МОП-транзисторах выясняется их интересная особенность - полное от-с>тствие в этих схемах традиционных элементов. Большие МОП-интегральные схемы состоят, как правило, только из МОП-транзисторов и не содержат резисторов, конденсаторов и диодов

Можно указать на следующие соображения, которые сыграли роль в отказе от использования традиционных компонентов в схемах на МОП-приборах.

1. Функции диффузионных резисторов могут эффективно выполнять сами МОП-транзисторы.

2. Схемы на МОП-транзисторах являются схемами с непосредственными связями, поэтому нет необходимости в конденсаторах связи.

3. Вследствие использования многотактных импульсов синхронизации отпадает необходимость в блокировочных конденсаторах.

О Исключение составляют диоды защиты в цепях входных затворов и паразитные емкости, используемые в качестве элементов памяти в динамических схемах.

4. Использование МОП-транзистора в качестве симметричного ключа дает разработчику схем дополнительные возможности по сравнению с биполярными ИС.

5.1. МОП-ТРАНЗИСТОР В КАЧЕСТВЕ НАГРУЗОЧНОГО РЕЗИСТОРА

Удельное сопротивление МОП-транзисторов достигает величины 20 000 ом/квадрат, в то время как удельное сопротивление диффузионных резисторов равно 100-200 ом/квадрат. Это позволяет получать резисторы

Q Q

Нагрузочный транзистор

{Подложка) -oUo

бых

Шрабляюииа транзистор

Вход и

Нагрузочный J транзистор

УпраЕляющий TpZ 1 транзистор

а О

Рис. 5.1. Инверторы с МОП-транзисторами

в нагрузке. а - схема на дискретных элементах; б - интегральный вариант.

С сопротивлением до 100-200 ком. Так как МОП-резисторы занимают меньшую площадь, чем диффузионные, то на той же площади кристалла на основе МОП-структуры могут быть получены более сложные схемы, чем в случае других ИС.

1. Эквивалентная схема нагрузочного транзистора. На рис. 5.1 приведена схема инвертора с МОП-транзистором в качестве сопротивления нагрузки. Показаны

1) Более подробно о МОП-транзисторе как нагрузочном резисторе см в работе [19], указанной в литературе к гл. 2.

два способа соединения подложки На фиг. 5.1, а подложка соединена с истоком (это возможно в случае применения в схеме дискретных транзисторов); на фиг. 5.1,6 подложка заземлена (что всегда имеет место в МОП-интегральных схемах).

В транзисторах с индуцированным каналом при f/з и = f/c. и нагрузочный транзистор работает в пологой области, для которой справедливо неравенство

исз'пор и^и^ область работы I I нагрузочного транзистора

Вольтамперные характеристики нагрузочного транзистора

Рис. 5.2. Вольтамперные характеристики нагрузочного транзистора.

I f/c> I f/з-f/nop. Это означает, что рабочая область находится справа от линии f/c = f/з - f/nop (на рис. 5.2 рабочая область обозначена пунктирной кривой).

Уравнение для тока транзистора в этой области имеет вид:

-UUs-Unopf.

(5.1)

На рис. 5.3 приведены вольтамперные характеристики управляющего и нагрузочного транзисторов с каналом /?-типа. Точка пересечения любых двух кривых дает совместное решение уравнений, описывающих состояние нагрузочного и управляющего транзисторов; эта точка представляет собой одну из возможных рабочих точек

инвертора. Например, Pi-одна из рабочих точек открытого инвертора.

Если предположить, что сопротивление нагрузочного транзистора во много раз больше сопротивления управляющего (активного) транзистора, то падением напряжения на управляющем транзисторе можно пренебречь и принять, что остаточное напряжение f/ост ~ 0. Ток

Напряжение на упрадляюш,ем транзисторе

Рабочая точка R> ~з2 Сш/(/?б/я7б/ он дер тор)

Линия нагрузки МОП- транзистора

1 Напряжение U на нагрузочном -♦.е^ бкл РО,нМсторе

(Jnum

- Рабочая точка {закрытый инбертор)

Рис. 5.3. Вольтамперные характеристики управляющего и нагрузочного транзисторов Предполагается, что б^см = f/пит.

прибора В открытом состоянии / можно приближенно считать равным /ь т. е. току, который протекал бы через инвертор при f/ocT = 0. Когда управляющий транзистор закрывается, напряжение на выходе (рис. 5.1) возрастает до величины, равной разности напряжения на затворе и порогового напряжения нагрузочного транзистора (f/Bbix~ f/пит-f/nop, если f/cM = f/пит). Сущсственно то, что напряжение на выходе закрытого инвертора меньше напряжения питания. Например, при f/nop = = -5 в, f/пит = -15 в напряжение на выходе изменяется от О до -10 в. Уменьшение напряжения на выходе объясняется тем, что для обеспечения начальной проводимости канала нагрузочного транзистора необходимо создать падение напряжения на нагрузке (затвор - исток), равное примерно пороговому.

Рассмотрим эквивалентные схемы соответственно открытого и закрытого инверторов. Если управляющий транзистор (рис. 5.1) достаточно хорошо открыт (т. е. (Уост = Ов), то ток через нагрузочный транзистор определяется уравнением (5.1), которое с учетом равенства U3=Uum можно записать в следующем виде:

/= -(f/nHx~nopF.

(5.2)

Для получения эквивалентной схемы нагрузочного транзистора на постоянном токе преобразуем уравнение (5.2) следующим образом:

Рис. 5.4. Эквивалентная схема нагрузочного транзистора, работающего в пологой области характеристик.

пор

с/пит-£/,

2/[-p(i/n T-t/nop)] 27j;;r

i/пит - и„

пор

-пор

(5.3)

Из (5.3) следует, что ток через нагрузку определяется частным от деления действующего напряжения эквивалентной схемы, равного f/пит-f/nop, на эквивалентное сопротивление, равное 2/gmH {gmn - крутизна характеристики нагрузочного транзистора).

Эквивалентная схема нагрузочного транзистора, описываемая уравнением (5.3), приведена на рис. 5.4. Например, при f/пит = -15 б, f/nop = -6 в, gm = 15 мкмо

(типичное значение крутизны нагрузочного транзистора с каналом /7-типа) ток транзистора равен )

, -15 + 6 -9 в г-

I =-Zfi- =-= - о7,5 мка.

+ 2/15-10 133 ком

Эквивалентное сопротивление нагрузки равно

ётн

(5.4)

) С/ост равно произведению тока на сопротивление уппавляю-щего транзистора: - f/. p)g H/(gl + 2g , p). При

АнагрАупр можно записаты

fOCT -7Г

2 ё^ -

(6.5)

На рис. 5.5 представлена типичная вольтамперная характеристика нагрузочного транзистора, описываемая уравнением (5.3). В эквивалентной схеме транзистора на рис. 5.4 пороговому напряжению соответствует противоположно включенный источник э. д. с, что отражено сдвигом вольтамперной характеристики относительно начала координат на величину (/пор (рис. 5.5).

Сопротивление в эквивалентной схеме определяется наклоном прямой Р\Р2 {Р] - начальная точка кривой,

а

С

Рис. 5.5. Вольтамперные характеристики нагрузочного транзистора (пологая область).

Рг - рабочая точка). Так как в эквивалентной схеме рассматривается статическое сопротивление, то для его определения берется наклон прямой Р\Р2, а не наклон касательной в рабочей точке Яг, который определяет динамическое сопротивление транзистора. Нагрузочный транзистор работает в пологой области, и его вольт-амперная характеристика представляет собой параболу. Из свойств параболы следует, что Rn/gmu, где] l/gmH - динамическое сопротивление в точке Р2.

Эквивалентная схема закрытого инвертора имеет более сложный вид. Однако и в этом случае нагрузочный транзистор можно заменить эквивалентным сопротивлением и включенным последовательно с ним источником э. д. с. Когда управляющий транзистор закрывается, выходное напряжение начинает расти, что приводит к уменьшению напряжения между затвором и истоком нагрузочного транзистора. В результате этого нагрузочный