.

Проектирование межэмиттерных элементов

 

Схемы первых интегральных элементов были такие же, как при использовании дискретных компонентов. Однако очень скоро были обнаружены новые возможности интегральной техники, позволяющие создавать схемы с очень выгодными параметрами на совершенно новых принципах. Появились разнообразные ряды интегральных цифровых схем, из которых в настоящее время наиболее распространён ряд ТТЛ (транзисторно-транзисторные логические схемы), а для систем с большим быстродействием наиболее перспективен ряд ЭСЛ (логические схемы с эмиттерной связью). Наиболее интенсивно развивались не только базовые интегральные схемы. Самые распространённые серии ЦИС дополнены в настоящее время различными интегральными субсистемами, например счётчиками, регистрами, дешифраторами, выпускаются интегральные полупроводниковые запоминающие устройства ёмкостью в несколько миллиардов бит и т.д. В схемах ЭСЛ транзисторы работают вне области насыщения, поэтому автоматически исключается задержка, вызванная избыточными зарядами. Основным свойством и достоинством схем ЭСЛ является небольшая задержка, величина которой у самых последних типов составляет около 0.01 нс. Принцип действия схем ЭСЛ – логических схем с эмиттерной связью – заключается в переключении точно определённого тока малыми изменениями управляющего напряжения, порядка десятых вольта. Поэтому первоначально их называли переключателями тока и обозначали CML и CSL. Эти схемы были хорошо известны в системах на дискретных элементах, но в связи с большим числом необходимых транзисторов они нашли широкое применение только после внедрения интегральной техники. Последовательно были созданы серии: ЭСЛІ, ЭСЛІІ, ЭСЛІІІ и Э2СЛ (ЭЭСЛ). С появлением транзистора в 1948 г. началась эпоха полупроводниковой цифровой техник, которая обусловила развитие самых разнообразных систем и устройств обработки информации. Где-то до 70-х годов в этих системах применялись полупроводниковые цифровые схемы на дискретных и пассивных элементах. Однако при использовании этих схем в больших и сложных системах возникли большие проблемы, касающиеся надёжности, экономичности и максимального быстродействия. Решить эти проблемы позволили новые открытия и производственные процессы в полупроводниковой технике, результатом которых явилась реализация интегральных схем. Быстродействие токового ключа весьма велико, так как транзисторы в нем работают в режимах, позволяющих максимально использовать их частотные возможности: отсутствует режим насыщения, перепады напряжений при изменении логического состояния цепи малы, поэтому могут быть малыми и сопротивления резисторов (на них образуются перепады выходных напряжений), что уменьшает постоянные времени перезаряда нагрузочных емкостей. Т.о., токовой ключ выполняет операции и , т.е. два выхода взаимно инверсны. Такой выход можно сделать, учитывая, что более высокий уровень потенциала, равный потенциалу общей точки, снимаемому с коллектора запертого транзистора, соответствует логической единице, а низкий уровень , снимаемый с открытого транзистора, соответствует логическому нулю. По абсолютным значениям уровни выходных сигналов отличаются смещением в сторону «плюса» (без этого нельзя осуществить ненасыщенный режим работы транзисторов).Следовательно, невозможно непосредственное каскадирование рассмотренных схем – входной сигнал следующего за первым токового ключа уже не будет симметричным относительно опорного напряжения. Для устранения указанной особенности в цепи передачи сигнала с выхода одного элемента на вход другого следует включать дополнительные элементы, смещающие уровни сигналов. В таком качестве используются эмиттерные повторители (ЭП), напряжение на выходе которых повторяет входное, но смещенное относительно него на относительно постоянное напряжение база - эмиттер (около 0,7В). Одновременно с этим ЭП обеспечивают малые выходные сопротивления, позволяющие быстро перезаряжать нагрузочные емкости. Базовый логический элемент ЭСЛ образуется при замене входного транзистора токового ключа группой параллельно включенных транзисторов. На рисунке 1.14, б показан такой элемент с конкретными особенностями, свойственными сериями ЭСЛ и, в частности, серии К500. Схема содержит источник опорного напряжения, состоящий из делителя напряжения R1-R2 и эмиттерного повторителя на транзисторе VТ? и резисторе R3, через который напряжение с делителя подается на базу опорного транзистора VТоп. Диоды VD1 и VD2 обеспечивают температурную компенсацию уходов параметров схемы.

Материал должен:

  • обеспечивать низкоомный контакт электродам пассивных и активных элементов схем
  • обладать хорошим сцеплением с диэлектриком
  • допускать разделение пленки на узкие полоски
  • должен быть совместим с материалом внешних выводов

Для осуществления электрических связей между элементами электрических схем необходимо сформировать не выпрямляющие омические контакты, которые должны обладать:

  • высокой электропроводностью
  • теплопроводностью
  • механической прочностью

Материал должен иметь хорошую адгезию кремния к окислу, химическую инертность, устойчивость к воздействию окружающей среды. Распределительным материалом для контактов коммутационных шин и контактов является алюминий. Коммутационные проводники наносят непосредственно на термический окисел кремния, причем минимальная ширина дорожки определяется литографией. При вжигании алюминий взаимодействует с окислом кремния, восстанавливая его по реакции: 4 Al + 3 Si O2 = 2 Al2 O3 +3Si В интеграционных схемах для исключения проводника используют 3 основных метода:

  • 1. прокладка или металлизация над каналами резисторов, защищенных слоем SiO2
  • 2. проводящие диффузионные переходы под слоем SiO2 (развязка двух взаимоперпендикулярных проводников), первый идет поверх защитного окисла, а второй "подныривает" под него в виде участка n+
  • 3. многоуровневая разводка