.

Интегральные схемы с инжекционным питанием

Интегральные схемы с инжекционным питанием  Схемы с инжекционным питанием, называемые также интегральными инжекционными схемами (элементы И2Л - типа) были разработаны почти одновременно специалистами двух фирм “Philips” и “IBM” в 1972 году. Эти схемы являются развитием схем с непосредственными связями. Основные положения, на которых базируется построение схем с непосредственными связями остаются в силе при построении И2Л - схем.

Важные отличительные особенности элементов И2Л:

  • 1. Отсутствие резисторов, занимающих на кристалле большую площадь. Вместо традиционной цепи питания транзисторов применен принцип прямой инжекции носителей заряда в пространственную область кристалла, питающую окружающие эту область транзисторные структуры;
  • 2. Пространственное совмещение областей, принадлежащих в функциональном отношении различным транзисторам. Одни и те же области играют роль коллектора транзистора типа n-p-n и базы транзистора p-n-p и тому подобное;
  • 3. Малое число схемных элементов и межсоединений.

Отличительные особенности элементов И2Л и сложных схем, на их основе придают им технологичность, компактность, невысокую стоимость при сохранении достаточно хорошего быстродействия и получении ряда высоких показателей по другим параметрам.  Области p1-n1-p2– образуют горизонтальный транзистор типа p-n-p, а области n2-p2-n1образуют вертикальный транзистор n-p-n. Слой n1+ низкого сопротивления (высоколегированный) введен для снижения сопротивления области n1. Область n1служит одновременно базой горизонтального и эмиттером вертикального транзисторов, а область р2- коллектором - и базой. Переход р1- n1смещается в прямом направлении подачей в область р1тока I. Носители заряда (дырки), инжектированные из области р1, обеспечивают питание транзисторов в окрестности этой области. Большинство носителей собирается областями р2. Горизонтальные транзисторы имеют несколько коллекторов, их структура напоминает инверсно включенный многоэмиттерный транзистор. Схема замещения рассмотренной структуры содержит источник тока питания Iпит, задаваемый извне, транзистор с общей базой, соответствующей горизонтальному транзистору в коллекторе которого протекает ток Iuи многоколлекторный транзистор (вертикальный транзистор). Базовым элементом ТТЛ стал транзисторный ключ со сложным инвертором – двухполярный ключ. Использование сложного инвертора позволило увеличить быстродействие, помехоустойчивость, нагрузочную способность и снизить требования к параметрам транзисторов по сравнению со схемой ТТЛ с простым инвертором.

Промышленностью выпускается несколько разновидностей микросхем ТТЛ:

  • – стандартные серии 133, К155 с высоким быстродействием 130, К131 микромощная серия 134;
  • – серии с диодами Шоттки 530, К531 микромощная с диодами Шоттки К555.

Разновидностью схем ТТЛ является схема ТТЛ с диодами Шоттки (ТТЛШ). Эти схемы имеют высокое быстродействие, благодаря тому, что II переходу Б-К включён диод Шоттки, используемый в количестве ограничивающего диода. Основу элементов И2Л – ключ, представляющий собой транзистор с инжекционным питанием, состоящий из генератора тока инжекции Iии транзистора с открытым коллекторным выходом. Если выход закоротить («0»), ток Iине будет проходить в базу транзистора T1и транзистор будет закрыт, это состояние кодируется логической «1». Если вход разомкнуть (режим холостого хода на входе), то ток Iипоступает в базу T1, откроет его до поступления насыщения и обеспечит тем самым режим короткого замыкания на выходе – это состояние кодируется логической «1». Параллельное соединение нескольких ключей образует логический элемент. Для реализации операции «ИЛИ» необходимо к выходу подключить дополнительный инвертор.

Достоинства:

  • И2Л элементов – низкое энергопотребление (0,1 – 1 мкВт) при достаточном быстродействии (единицы Мгц) и высокая степень интеграции.

Недостатки:

  • Малый логический переход (<0,5 В). чувствительность к помехам и невозможность непосредственного сопряжения с логическими элементами других типов.

 Для БИС важна микроминиатюризации по мощности, инерционности, площади. Для этого отказываются от токозаданного сопротивления резисторов в цепи базы. Принцип инжекционного питания заключается в том, что с помощью бокового горизонтального транзистора инжектора n-p-n (ТИ) реализуется цепь генератора тока базы многоколлекторного вертикального n-p-n транзистора (Т), выполняющего функцию инвертора логического сигнала. Логический элемент построен по безрезисторной схеме, где базовая область многоколлекторного транзистора совпадает с коллекторной областью горизонтального n-p-n транзистора, а база область последнего с эмиттерной областью многоколлекторного транзистора. Благодаря физической интеграции двух транзисторов весь вентиль занимает площадь многоколлекторного транзистора.  Термин "инжекционное питание" принятый для данного типа логических элементов, оправдан тем, что питание тока I получается благодаря инжекции дырок (+) через эмиттерный p-n-p транзистор. Эмиттер, выполняющий функцию питания, принято называть инжектором и обозначать буквой И (I). При А=1 транзистор (Т) переходит в режим насыщения, вентиль замкнут и на выходе "0". Если А=0, ток I0 определяется утечкой обратносмещенного эмиттерного p-n перехода ТИ, вентиль (Т) разомкнут, что соответствует выходу логической "1".  Роль эмиттера общего для всех n-p-n транзисторов играет n слой с n+ подложкой. Инжектор осуществляется в виде длинной полоски, выполненной базовой диффузией.