Логические элементы на МЕП-транзисторах

Полевые транзисторы МЕП-типа имеют структуру “металл-полупроводник”; их строят на основе арсенида галлия (AsGa — соединение галлия с мышьяком). В сравнении с германием AsGa имеет следующие преимущества:

Ø более высокую подвижность электронов в слабых электрических полях (приблизительно в пять раз);

Ø почти в полтора раза шире запрещенную зону, которая обеспечивает высо­кое удельное сопротивление подкладки (как следствие, подкладки из AsGa служат полуизолирующим материалом);

Ø очень малые паразитные емкости между электродами МЕП-транзистора.

На основе арсенида галлия достигается десятикратное повышение быстродей­ствия схем при снижении мощности потребления вдвое. Однако арсенид галлия Не позволяет строить МОП-транзисторы с изолированным затвором, поскольку он не образует стойких оксидов. В полевых МЕП-транзисторах используют барьер Шотки на границе контакта металла с полупроводником. Поэтому МЕП-транзисторы также называют “полевыми транзисторами с барьером Шотки” (ПТШ).

Структура арсенид-галлиевого МЕП-транзистора (поперечный разрез) показана на рис. 2.28, а. Транзистор создается на подкладке из нелегированного AsGa. На по­верхности 'Иодкладки ионным методом формируют сильно легированные л⁺-области истока и стока, а потом тонкий слой канала n-типа толщиной d₀ = 0,2 мкм. На по­верхность подкладки в канале наносят металлический электрод затвора (например, сплав титан-вольфрам)

Для обеспечения омических контактов с истоком и стоком применяют металли­ческие электроды на основе композиции германий-золото. На поверхность подкладки между контактами наносят слой диэлектрика, например, диоксида кремния. Ме­таллический электрод затвора создает в канале обедненный электронами слой — барьер Шотки высотой 0,8 В. Пространственные размеры барьера изменяются под действием напряжения затвора. Собственно проводящий канал толщиной d_K огра­ничен областью барьера и подкладкой. Между затвором и истоком подается управ­ляющее напряжение U_зи, а на сток — напряжение питания плюс U_cc. При измене­нии управляющего напряжения изменяется толщина обедненного слоя d_Б и прово­дящего канала d_K = d₀- d_Б, его проводимость и ток стока.

 

Пороговое напряжение U_П определяется из уравнения

, где

C1, C₂ — константы, N_d — концентрация доноров в канале. Если напряжение U_зи(затвор-исток) достигает порогового значения, то граница обедненного слоя смыкает­ся с подкладкой d_K = d₀- d_Б = 0; при этом толщина проводящего слоя и ток стока I_с равны нулю.

Если при напряжении U_зи= 0 есть проводящий канал и протекает рабочий ток, то МЕП-транзистор называется нормально открытым,он работает в режиме обеднения. Если при U_зи = 0 барьер Шотки перекрывает весь канал и рабочий ток не протекает, то МЕП-транзистор называется нормально закрытым;он работает в режиме обогащения.

На рис. 2.28, б представлены сток-затворные характеристики нормально откры­того (кривая 1) и нормально закрытого (кривая 2) МЕП-транзистора, а также их входная характеристика (кривая 3). Для нормально открытых МЕП-транзисторов управляющее напряжение на затворе, при котором протекает ток стока I_с, может изменяться от отрицательных значений до небольших положительных (не больше 0,6 В). При напряжениях, больших U_зи > 0,6 В, в его канале возникает ток затвора I₃, поскольку открывается переход металл-полупроводник. Поэтому ток стока ограни­чен значением I_см1 Для нормально закрытых транзисторов напряжение затвора, при котором протекает ток стока, положительное и может изменяться только в узких пределах (0...0,6 В). Максимальный ток стока ограничен значением I_см2. Для транзи­сторов с одинаковыми размерами канала (длиной и шириной) I_см1>>I_см2.В схемо­технике применяют нормально закрытые и нормально открытые МЕП-транзисторы.

Варианты схем логических элементов НЕ, НЕ ИЛИ на МЕП-транзисторах пока­заны на рис. 2.29.

Схема НЕ (рис. 2.29, а) содержит пассивный транзистор VT1 (нормально открыт) и входной активный транзистор VT2 (нормально закрыт). Пассивный транзистор VT1 включен по схеме двухполюсника и выполняет роль источника стокового тока, значение которого практически не изменяется в широком диапазоне изменения напря­жения между стоком и истоком.

К выходу элемента НЕ подключается аналогичный инвертор. Он в статическом режиме представлен эквивалентной схемой из последовательно включенных диода Шотки (барьера металл-полупроводник) и сопротивления между затвором и истоком R_ЗИ. Напряжение источника питания в схеме U_CС ⁼ 1,5 В; усредненные значения по­роговых напряжений для транзисторов VT1 и VT2 соответственно равны U_П1= = -0,3 В и U_П2 = 0,15 В.

При U_ВХ = U_IL < U_П2 транзистор VT2 закрыт, ток стока I_С2 = 0 и на выходе уста­навливается уровень напряжения U_OH . Ток 1_С1 открытого транзистора VT1 переклю­чается в затвор инвертора нагрузки. Поскольку ток I_С2 составляет единицы милли­ампер, а сопротивление R_зи измеряется десятками ом, то выходной уровень практи­чески определяется прямым напряжением на диоде VD.

Уровень напряжения U_OH мало зависит от значений источника питания U_СС. то­ка I_C1, и понижается с увеличением коэффициента объединения и температуры.

При U_BX = U_ih > U_П2 транзистор VT2 открывается и через него протекают токи стоков транзистора VT1 и предыдущего транзистора (источник входного сигнала). На выходе устанавливается низкий уровень U_OL= 0,05 В.

Уровень U_OL понижается с уменьшением токов стоков и сопротивления R_СИ ме­жду стоком и истоком. Если допустить, что U¹=U_H, U⁰=U_L , то амплитуда логического сигнала U_m = U^I – U⁰ = 0,55 В. Помехоустойчивость элемента НЕ M_L= 0,16 В, М_н = = 0,26 В, что значительно меньше, чем для схем на n-МОП транзисторах.

Схема двухвходового элемента НЕ ИЛИ содержит нормально открытый пас­сивный транзистор VT1, входные нормально закрытые транзисторы VT2 и F73, включенные параллельно (рис. 2.29, б).

При U_X1 = U_X2 – U_IL транзисторы VT2 и VT3 закрыты, на выходе Y устанавлива­ется высокий уровень напряжения U_OH. Если на одном из входов или на обоих дей­ствует напряжение U_ih то соответствующий транзистор (или оба) открываются и на выходе устанавливается уровень U_OL. Параметры элемента НЕ ИЛИ аналогичны схемам, изображенным на рис. 2.29, а.

Схема двухвходового элемента НЕ ИЛИ с повышенной помехоустойчивостью показана на рис. 2.29, в. Входные диоды Шотки VD1 и VD2 реализуют операцию ИЛИ, транзисторы VT1 и VT2 создают инвертор, а транзистор VT3 вместе с диода­ми — это цепь смещения уровня порога транзистора VT2.

В данном элементе в сравнении со схемами, изображенными на рис. 2.29, а и б, обеспечивается большая помехоустойчивость и меньшая ее зависимость от тех­нологического разброса пороговых напряжений транзисторов. Это достигается ус­ложнением схемы, увеличением ее площади на кристалле и -использованием друго­го источника питания минус U_CC2.

В схеме применяют только нормально открытые транзисторы с напряжениями питания U_CC1 = 1,5 В; U_CC2 = -1 В. Для транзисторов VT1 и VT3 U_П1 = U_П3= - 0,7 В, а для транзистора VT2 U_П2 = - 0,45 В.

Прямое напряжение на диодах Шотки при протекании через них тока I_С3 равно приблизительно 0,7 В (минус на катоде). Напряжение на затворе транзистора VT2 определяется из зависимости U_ЗИ= U_ВХ – U_ДШ. которая является практически ли­лейной, поскольку U_ДШ = const.

При U_ВХ = U_IL= 0 напряжение U_ЗИ = - 0,7 В, что меньше U_П2, и транзистор VT2. закрыт, на его выходе устанавливается высокий уровень напряжения U_OL ≈ 1 В. При U_ВХ ⁼ U_IH= 1 В напряжение U_ЗИ = +0,3 В, что больше U_П2,и транзистор VТ2 открыт, на его выходе устанавливается низкий уровень напряжения U_OL≡ 0,01 В. Таким об­разом, использование цепи смещения позволяет уменьшить значение U⁰, увеличить U¹ и логический перепад U_M = U¹ - U⁰ = 1 В.

Промышленность выпускает схемы на МЕП-транзисторах серии К6500, которые характеризуются следующими параметрами: U_CC1 = 4 В, U_CC2 = -2,4 В; U_H = 0,9 В; U_Л = 0,1 В; средняя задержка распространения t_п ⁼ 0,15 нc, мощность, потребляе­мая одним логическим элементом, Р_СC = 5 мВт.