Транзисторы для быстродействующих логических схем

 

ВВЕДЕНИЕ . Цифровая логическая схема ставит вопрос как можно более быстрой зарядки и разрядки конденсатора. Эта глава обращается к материалу о рабочих характеристиках тока стока полевых МОП-транзисторов, биполярных гетеротранзисторов (БГТ), и к материалу о емкости , чтобы объяснить особенности современных транзисторов, делающие их подходящими для создания быстродействующих логических элементов. Акцент сделан на кремниевые МОП-транзисторы, которые, будучи использованными в комплементарной МОП-технологии (КМОП-структура),1 положили начало УБИС2, сделавшим доступной электронную технику для многих людей. На более низких степенях интеграции, и в элементах, в которых скорость наиболее важный фактор, нежели статическое рассеяние мощности, эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ), использующая БГТ, является вполне жизнеспособной технологией; об этом порассуждаем в конце данной главы.

------------------------------------------------------------------------------------------------------

В логической схеме на КМОП-структурах элементы включают в себя пары полевых МОП-транзисторов n- и p- типа, работающих в режиме обогащения. До настоящего времени мы рассмотрели только первый тип, но другой можно легко получить путём смены всех легированных областей с n-типа на p-тип, а также изменение полярности приложенных напряжений. В КМОП - технологии пороговое напряжение полевого транзистора с каналом p-типа обычно берётся противоположным, и практически равным по модулю, соответствующему напряжению для полевого транзистора с каналом n-типа.

 

На участке схемы, содержащем два полевых транзистора с каналами p-типа и n-типа, затворы этих транзисторов объединены, и пороговые напряжения принимают такие значения, что в любом из логических режимов только один из транзисторов включен. В следствие этого, принципиально отсутствует статическая утечка мощности. Эта особенность принесла КМОП-структуре моментальный успех, когда она была впервые представлена в 1960-ых.

Другая отличительная особенность заключается в том, что логические элементы на КМОП-структурах могут быть выполнены на значительно меньшем числе транзисторов, чем аналогичные, созданные по конкурирующей ЭСЛ-технологии В дальнейшем, в процессе производства интегральных схем, к каждому транзистору с лицевой стороны подводятся контакты, и трудно вообразить более компактное размещение, чем предоставляемое КМОП-структурами, в котором два контакта (исток и сток) предельно близко совмещены с третьим (затвор).

Масштабы промышленного производства КМОП - логических схем огромны, и имеют свой собственный путь развития по направлению к минимизации устройств. Размеры технологических узлов определены и ориентировочно приписаны к минимальной ширине печатного проводника или расстоянию между соседними проводниками, достигаемого данной КМОП-технологией. Технологии производства элементов размерами в 90 , 65, а затем и в 45 нм были прогрессивно введены между 2003 и 2008 годами. Каждая новая величина узла получается приблизительно в раз меньше, чем предыдущая, таким образом если сокращение было достигнуто в двух измерениях поверхности, то размер объекта будет уменьшен вдвое. Нужно отдать должное закону Мура, в котором соучредитель Интела в 1965 году отразил тот факт, что число транзисторов на квадратный дюйм в ИС удваивалось каждый год. Длины каналов транзистора могут быть значительно меньше, чем величина технологического узла, вследствие боковой диффузии истока и стока, внедрённых под затвор, и из-за областей ореола

Процесс направленного сокращения размеров называетсямасштабированием - именно оно определяет предел производительности цифровой электронной промышленности уже более 40 лет. Фактически, это - парадигма данного вида промышленности: делая меньше транзисторы и тем самым компактнее схемы, мы способны производить новые элементы и обеспечить увеличение рабочих мест и прибылей. Кроме того, не только горизонтальные физические размерности непосредственно масштабируются, но также и вертикальные размерности, питающее напряжение и концентрация легирующей примеси. Изменения должны быть произведены согласовано, в целях сохранения функции длинного канала транзистора, то есть, гарантировать, что заряд на границе истока канала Qn (0) управляется преимущественно вертикальным полем затвора. Полученные результаты все более активно

стимулируют дальнейшее уменьшение габаритов устройств, наряду с одновременным улучшением их производительности, что мы и увидим в следующих разделах представленной главы.