Электронные технологии и элементы, применяемые в ЭВМ. Полевые транзисторы. Планарные микросхемы. Триггеры. Регистры.

Электронные технологии логических элементов ЭВМ

Электронные технологии и элементы, на основе которых создавались ЭВМ, многократно изменялись. Первое поколение ЭВМ строилось на электронных лампах, второе - на дискретных полупроводниковых приборах (диодах и триодах - транзисторах), следующие поколения - на интегральных полупроводниковых схемах.

Изменялись электронные полупроводниковые элементы по виду используемых элементов, типу связей между транзисторами. В частности, использовались следующие системы элементов:

• резисторно - диодные;
• резисторно - транзисторные;
• феррито- транзисторные;
• диодно- транзисторные;
• транзисторно- транзисторные.

Наиболее широкое распространение в современных интегральных схемах полупили транзисторно-транзисторные системы элементов (ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика), в которых роль резисторов и диодов выполняют транзисторы с фиксированными напряжениями на своих электродах. В этой системе обеспечивается полная однородность структуры микросхемы – они содержат только транзисторы, что облегчает технологию их изготовления [8, 12, 14, 15].

Архитектура, используемых в ЭВМ транзисторов также изменялась:

В машинах второго поколения применялись биполярные германиевые и кремневые pnp- и npn- транзисторы;

В интегральных схемах применяются униполярные полевые МОП – транзисторы (МОП- металл-оксид-полупроводник, или MOS – Metal-Oxide-Semiconductor).

Полевые транзисторы имеют три электрода, см. рис. 4.3.

• затвор (аналог базы биполярных транзисторов);
• исток (аналог эмиттера);
• сток (аналог коллектора).

Затвор электрически изолирован от прочих электродов пленкой оксида кремния, управляет протеканием тока между истоком и стоком не путем диффузии электронов (как в npn – транзисторах) или дырок (как в pnp - транзисторах), а создаваемым им электростатическим полем. Поэтому МОП – транзисторы и называют полевыми.

Униполярные транзисторы имеют большее быстродействие, нежели биполярные, так как механизм их работы не связан с медленными диффузионными процессами. Элементы транзистора размещены на плоской кремниевой подложке.
Изменялась и архитектура систем логических элементов. Полевые транзисторы имеют несколько разновидностей:

• nМОП; 
• рМОП;
• МОП с дополнительной симметрией (КМОП – транзисторы -комплементарная структура металл-оксид-полупроводник, CMOS – Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Первоначально полевые транзисторы назывались МДП-транзисторами (металл–диэлектрик-проводник), но, поскольку в качестве диэлектрика стал использоваться оксид кремния, их переименовали в МОП транзисторы. Но, вероятно, в ближайшее время придется вернуться к их первоначальному названию, ибо в качестве изолятора начинает использоваться другой более эффективный диэлектрик, обладающий меньшей, чем оксид, диэлектрической проницаемостью и тем самым создающий меньшие величины паразитных емкостей между электродами [14].

Транзисторы nМОП и рМОП по отношению к источнику питания называются последовательно включенными, а по отношению к выходному сигналу – параллельно включенными. Поскольку затворы nМОП или рМОП транзисторов включены параллельно, всегда один из этих транзисторов оказывается включенным, а другой — выключенным, и энергопотребление и выходное сопротивление КМОП-схемы будет малым (небольшой ток будет протекать только в переходных режимах транзисторов). Затвор транзистора электрически изолирован от истока и стока, управление осуществляется электростатическим полем, поэтому входное сопротивление у полевых транзисторов очень большое.

Это обстоятельство создает удобство соединений КМОП-схем между собой и обеспечивает устойчивость их работы. КМОП-схемы имеют меньшее энергопотребление чем биполярные транзисторы и другие типы полевых транзисторов, могут более плотно упаковываться; созданные на их основе интегральные схемы могут использоваться в более миниатюрном масштабе микротехнологий.

В настоящее время КМОП-транзисторы применяются и в системах оперативной памяти и флэш-памяти. В модулях оперативной памяти для хранения одного бита информации используется конденсатор. Величина заряда этой емкости определяет хранимый бит: наличие заряда – «0», отсутствие заряда – «1».

В КМОП-транзисторах флэш-памяти для обеспечения энергонезависимости под затвором помещен еще один, так называемый плавающий затвор, см. рис. 4.4. Плавающий затвор имеет металлизацию (пленку из арсенида галлия, хрома, никеля, вольфрама и др.) для создания на границе раздела между металлом и полупроводником потенциального барьера Шотки, позволяющего хранить заряд конденсатора длительное время.

Изготавливаются интегральные схемы с МОП-транзисторами по планарной технологии. На поверхность пластины из полупроводника (кремния) наносится защитный слой диэлектрика (обычно - диоксид кремния), в котором методами фотолитографии вскрывают микроокна. Поверх слоя диэлектрика наносится металлическая пленка, имеющая в окнах контакт с поверхностью полупроводника. Через окна для создания электронно-дырочных переходов нужной (n- или р-) полярности проводится диффузия материалов-доноров или акцепторов-электронов. Так как кремний – четырехвалентный химический элемент, то для образования р-областей используются трехвалентные материалы (бор, галлий, алюминий), а для создания n-областей - пятивалентные материалы (сурьма, мышьяк, фосфор).

Перспективной является разработанная в университете Буффало технология использования «самоорганизующихся» химических веществ – материалов с микроскопическими структурами («квантовыми точками») при изготовлении полупроводниковых приборов [14, 20]. По данным исследователей [14, 16-20], в названных веществах даже при комнатной температуре самопроизвольно происходит реакция, приводящая к созданию регулярных микроскопических структур с ячейками диаметром 0,04 мкм.

Параметры транзисторов зависят от масштаба технологического процесса их изготовления (масштаба технологии), который непрерывно совершенствуется. Сейчас используются технологии 0,09-0,045 мкм.

Уменьшение размеров транзисторов повышает плотность их размещения, уменьшает паразитные индуктивности и емкости электродов, и позволяет повысить рабочую частоту микросхемы. Но при этом миниатюризация транзисторов (в ряде толщина изолирующих слоев в транзисторе сопоставима с размерами атомов) приводит к росту паразитных токов утечки, что, в свою очередь, повышает энергопотребление и снижает устойчивость работы схемы. Снижение напряжения питания схемы уменьшает разогрев схем только частично, а мощность токов утечки может достигать сотен ватт.

Уменьшение токов утечки достигается следующими способами:

• использованием медных проводников (вместо имеющих большее удельное электрическое сопротивление алюминиевых);
• применение технологии напряженного кремния (при увеличении расстояния между атомами кристаллической решетки уменьшается удельное электрическое сопротивление).

Логические операции «И», «НЕ», «ИЛИ» довольно просто технически выполняются на любых системах элементов. Простейшие принципиальные электрические схемы «ИЛИ», «И» на резисторно-диодных элементах и схема «НЕ» на биполярных транзисторах показаны на рис. 4.5, а, б, в соответственно.

Пояснения к схеме «ИЛИ»: положительный импульс на выходе возникает при появлении положительного импульса на любом (а, b, с) входе, так как внутреннее сопротивлении диода в прямом направлений мало (много меньше R)

Друзья! Приглашаем вас к обсуждению. Если у вас есть своё мнение, напишите нам в комментарии.