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:
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 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:
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:
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.