Анализ ФИЭ с математической моделью G4. 2 на примере интегральной структуры G4. 2. 2 и ее сравнение с инжекционным инвертором G.4. 1. 2

Улучшение показателей ИС наблюдается при переходе к модели G4.1.2 (табл. 7.1) с аналогичным инвертором G4.2.2 (табл. 7.2). ИИ со структурой G4.1.2 содержит инжектирующий р-п-р- и инвертирующий логический л-р-л-транзисторы. Интегральная структура ФИЭ G4.1.2, изображенная на рисунке 7.2, а, кроме ориентированного графа G4.1.2 может быть описана формулой:

где я₂ — полупроводниковая область я-типа, на которую подается нулевой потенциал ±, содержащая две области p-типа. На одну из них (р,'^:) подается напряжение питания, на другую (р₂") — входной сигнал. В последней содержится область л-типа (п*™), с которой снимается выходной сигнал. Скобки в приведенной только что формуле «говорят» о вложенности областей, причем открывающая скобка интерпретируется как знак «содержит», а запятая — как логическое И.

Правила описания интегральных структур

Как видно из приведенного выше примера, возможна запись структурных формул интегральных структур с использованием следующих правил:

• • первый член формулы слева соответствует полупроводниковой области, содержащей весь элемент (корень находится в структурной формуле — ориентированном графе);
• • элемент формулы определяет качественный состав части интегральной структуры (рили л-тип области для р-л-схемотехники);
• • верхние индексы определяют систему функционального управления (Еу 1) и систему назначения входов и выходов интегрального элемента (F_BX, F_BbIX);
• • нижние индексы соответствуют нумерации частей интегральной структуры и математической модели элемента; если нет дублирования номеров, а также их пропусков, то максимальное значение нижнего индекса определяет размерность ФИЭ;
• • открывающая круглая скобка расшифровывается как «содержит» и соответствует внутреннему переходу структуры.

Если формула содержит только круглые скобки, то степень их вложения определяет количество операций диффузии. Открывающая квадратная скобка соответствует поверхностному переходу и расшифровывается как «имеет непосредственный контакт». Степень вложения квадратных скобок соответствует числу полупроводниковых слоев ФИЭ. При записи структурных формул, имеющих контуры, возможно дублирование элементов в формуле, записанной с помощью этих правил.

В интегральной структуре ФИЭ G4.1.2 областью, с которой снимается выходной сигнал, является область гс₄, содержащаяся в области р₃. Поэтому для реализации логической функции НЕ-И (ИЛИ-HE) при объединении выходных сигналов требуются шины металлизации (рис. 7.2, б), проходящие через каждый объединенный инвертор.

Недостатками интегральной структуры ФИЭ G4.1.2 являются:

• • наличие металлизированных соединений, объединяющих изолированные выходы инверторов для реализации дополнительной логической функции; эта объединяющая металлизация составляет примерно 25−30% всей металлизации и уменьшает быстродействие, надежность и плотность компоновки СБИС;
• • наличиеобластей между ИИ, используемых для увеличения коэффициента усиления по току (всего 1,5−2). Это ограничивает нагрузочную способность инвертора [42], а кроме того, увеличивает площадь элемента, длину соединений, что уменьшает плотность компоновки СБИС и их быстродействие.

Часть интегральных структур инжекционных инверторов с математической моделью G4.1.

Таблица 7.2.

Часть интегральных структур инжекционных инверторов с математической моделью G4.2.

Сравнительный анализ интегральных структур инжекционных инверторов.

Лучший параметр Переход к модели G4.2 позволяет увеличить плотность компоновки, быстродействие и надежность элемента (табл. 7.3). Преимущества структуры G4.2.2 достигаются за счет изменения систем функционального управления и назначения частей интегральной структуры инжекционного инвертора. Если нулевой потенциал подавать в область «₄, а выходной сигнал снимать с области л₂» ^то выходной областью будет полупроводниковая область, содержащая сам ИИ. Инвертирующий логический транзистор п-р-п-типа в этой структуре имеет нормальную, а не инверсную структуру, что приводит к значительному возрастанию коэффициента усиления по току и увеличению нагрузочной способности. Это положительно сказывается на параметрах схем, скомпонованных из этих элементов.

ИИ G4.2.2 содержится в полупроводниковой области, которая является «-коллектором инвертирующего логического транзистора л-р-л-типа, а эмиттером инвертирующего логического транзистора является область л₄, минимальная по объему и расположенная внутри области р₃. Объединение выходных сигналов для таких инверторов при реализации более сложных логических функций не требует металлиза;

Рис. 7.2. Сравнение ФИЭ G4.1.2 и G4.2.2: а) интегральная структура ФИЭ G4.1.2, б) элемент НЕ-И (ИЛИ-HE) на ФИЭ G4.1.2. в) интегральная структура ФИЭ G4.2.2, г) элемент НЕ-И (ИЛИ-HE) на ФИЭ G4.2.2.

ции при объединении коллекторов п-р-п-транзисторов, так как коллектор (область п₂) является общим для объединяемых инверторов. Совокупность таких объединенных инверторов, по сути, является новым логическим элементом ИЛИ-HE, и для использования его в СБИС требуется изоляция общего коллектора, в котором расположены инжекционные инверторы G4.2.2.

Для уменьшения сопротивления тела коллектора, необходимого для снижения напряжения логического нуля и увеличения запаса помехоустойчивости, возможны различные технологические приемы, в частности использование скрытого слоя под объединяемыми инверторами (рис. 7.2, в).

На рисунке 7.2 представлены: а) ФИЭ (ИИ G4.1.2); б) топология элемента, реализующего функцию НЕ-И с тремя входами на ИИ G4.1.2; в) ФИЭ (ИИ G4.2.2); г) топология элемента НЕ-И (ИЛИ-HE) на три входа на ФИЭ G4.2.2, где.

• • Pi — область p-типа, являющаяся эмиттером инжектирующего р-я-р-транзистора;
• • п₂ — область л-типа в ФИЭ G.2.2.2, являющаяся базой инжектирующего транзисторар-я-р-типа и коллектором инвертирующего логического транзистора я-р-я-типа, а в ФИЭ G4.1.2 — базой инжектирующего р-я-р-транзистора и эмиттером инвертирующего логического я-р-я-транзистора;
• • р₃ — область p-типа, являющаяся коллектором инжектирующего р-я-р-транзистора и базой инвертирующего логического я-р-я-транзистора;
• • я₄ — область я-типа, в ФИЭ G4.2.2 являющаяся эмиттером, а в ФИЭ G4.1.2 — коллектором инвертирующего логического п-р-п-транзистора.

Работает ФИЭ G4.2.2 следующим образом. Напряжение питания подается в область эмиттера инжектирующего р-л-р-транзистора, напряжение нулевого потенциала (1) — в минимальную по объему область я₄, являющуюся эмиттером инвертирующего логического я-р-я-транзистора. Напряжение Е должно быть больше на напряжение открытого p-я-перехода, чем максимальное напряжение на выходе, тогда переход Р-п₂ (эмиттер-база) инжектирующего р-я-р-транзистора всегда будет смещен в прямом направлении. Из области р_х в область я₂ инжектируются дырки. Электроны из области я₂ поступают в область р₃. Переход я₂-р₃ открыт. При подаче на вход низкого уровня напряжения (0,1 В) с коллектора насыщенного п-р-п-транзистора управляющей схемы переход р₃-я₄— (база-эмиттер) инвертирующего логического я-р-я-транзистора будет закрыт, и ток инжектирующего р-я-р-транзистора через вход пойдет в управляющую схему. На выходе будет высокий уровень напряжения, определяемый напряжением на переходе база-эмиттер закрытого я-р-я-транзистора нагрузочной схемы.

Если на вход подавать высокий уровень напряжения, откроется переход р₃-п₄у инвертирующий логический транзистор п-р-п-типа будет насыщен, и на его коллекторе (л₂) по отношению к эмиттеру (л₄) будет низкий уровень напряжения (0,1 В).

Ток инжектирующегосяр-п-р-транзистора потечет в шину нулевого потенциала, куда с выхода будет также поступать ток р-п-р-транзистора нагрузочной схемы.

Из приведенного описания можно сделать вывод, что данная интегральная структура выполняет функцию инверсии. С помощью вышеизложенных правил интегральная структура ФИЭ G4.2.2 может быть описана выражением:

Отличия от формулы ФИЭ G4.1.2 заключаются в том, что область с большей площадью перехода является не эмиттером, а коллектором. Кроме того, внешняя область п₂ является выходной, а это позволяет:

• • уменьшить объем и площадь ФИЭ за счет устранения низкоомных областей вокруг ИИ для увеличения нормального коэффициента усиления по току инвертирующего логического п-р-п-транзистора, а также устранения металлизированных соединений для реализации дополнительной логической функции;
• • уменьшить суммарные паразитные емкости, что, в свою очередь, приводит к увеличению плотности компоновки, а также к росту быстродействия и надежности СБИС, построенных на ФИЭ с моделью G4.2.2.

Следует отметить очень важную особенность проектирования СБИС при использовании математической модели G4.2.2: меняется логический базис проектирования с НЕ-И на ИЛИ-НЕ [42].