Комплементарный элемент или - не и его электрическая схема

 

Использование: микроэлектроника, в конструкциях логических сверхбольших интегральных схем со сверхмалым потреблением мощности. Сущность изобретения: комплементарная схема ИЛИ-НЕ, функционально-интегрированная схема содержит подложку первого типа проводимости с концентрацией 10¹⁹-10²⁰ см^-3, в которой расположена общая коллекторная область второго типа проводимости переключательных n-p-n транзисторов, совмещенная с базой нагрузочного многоколлекторного p-n-p транзистора, в которой расположены базовые области первого типа проводимости переключательных n-p-n транзисторов с концентрацией 10¹⁷-10¹⁸см^-3, совмещенные с коллекторами нагрузочного многоколлекторного p-n-p транзистора, разделенные глубокой изолирующей областью двуокиси кремния, содержащие высоколегированные эмиттерные области второго типа проводимости переключательных n-p-n транзисторов с концентрацией 2·10²⁰ см^-3. Конструкция комплементарной схемы ИЛИ-НЕ окружена высоколегированной областью первого типа проводимости с концентрацией 10²⁰ см^-3, к которой подключен электрод питания. Входные электроды подключены соответственно к базовым областям первого типа проводимости переключательных n-p-n транзисторов. Выходной электрод подключен к высоколегированной области второго типа проводимости, служащей для формирования омического контакта к общей коллекторной области второго типа проводимости переключательных n-p-n транзисторов. Электрод нулевого потенциала подключен к высоколегированным эмиттерным областям второго типа проводимости переключательных n-p-n транзисторов. Комплементарные схемы ИЛИ-НЕ - функционально-интегрированные схемы, совместимые с биполярной технологией, обеспечивающие меньшую потребляемую мощность и площадь, занимаемую на кристалле, а также более высокое быстродействие позволяет улучшить технические параметры микросхем. 2 с.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при создании конструкций логических сверхбольших интегральных схем (СБИС) со сверхмалым потреблением мощности.

Известны схемы ИЛИ-НЕ, выполненные в том же конструктивно-технологическом базисе, что и предлагаемая, в частности: элементы ИЛИ-НЕ с инжекционным питанием (С. Мурога "Системное проектирование сверхбольших интегральных схем", М. Мир, 1985, с. 143), и элементы эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) (см. там же, с. 118).

Недостатками ЭСЛ схем являются большие рассеиваемая мощность и площадь, занимаемая на кристалле. Недостатками схем ИЛИ-НЕ с инжекционным питанием является постоянное потребление тока от источников питания за счет прямосмещенных p-n переходов, что также приводит к излишнему потреблению мощности.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является электрическая схема с непосредственными резистивными связями (РТЛ) (см. там же, с. 152, рис. 3.5.13), реализующая логическую функцию ИЛИ-НЕ, содержащая входные и выходной электроды, электрод питания и электрод нулевого потенциала, переключательные n-p-n транзисторы, коллекторы которых подключены к выходному электроду, эмиттеры к электроду нулевого потенциала, базы - подключены к входным электродам, нагрузочный резистор, подключенный к электроду питания и выходному электроду.

Недостатком известной электрической схемы ИЛИ-НЕ является большая потребляемая мощность из-за рассеивания в нагрузочном резисторе.

Конструкция известного элемента ИЛИ-НЕ, выполненного по стандартной биполярной технологии (см. там же, с. 107. рис. 3.3.1а), наиболее близкая к предлагаемой конструкции, содержит подложку первого типа проводимости, общую коллекторную область второго типа проводимости, высоколегированную область второго типа проводимости под выходным электродом, базовые области первого типа проводимости переключательных n-p-n транзисторов, соединенные с входными электродами, высоколегированные эмиттерные области второго типа проводимости переключательных n-p-n транзисторов, к которым подключен электрод нулевого потенциала, изолирующую высоколегированную область первого типа проводимости, изолирующий карман второго типа проводимости и содержащийся в нем нагрузочный резистор первого типа проводимости.

Недостатком данного конструктивного решения является большая площадь, занимаемая на кристалле и невысокое быстродействие, также обусловленные наличием нагрузочного резистора.

В основу настоящего изобретения положены: задача разработки комплементарной биполярной схемы ИЛИ-НЕ функционально-интегрированной схемы с меньшей потребляемой мощностью и задача создания конструкции с меньшей площадью и улучшенным быстродействием.

Указанные задачи решаются тем, что: 1. Комплементарная схема ИЛИ-НЕ, содержащая входные и выходной электроды, электрод питания и электрод нулевого потенциала, переключательные n-p-n транзисторы, базы которых подключены ко входным электродам, эмиттеры к электроду нулевого потенциала, а коллекторные области к выходному электроду, снабжена многоколлекторным p-n-p транзистором, к базе которого подключен выходной электрод и коллекторы n-p-n переключательных транзисторов, к эмиттеру которого подключен электрод питания, а коллекторы соединены с базами переключательных n-p-n транзисторов, в результате чего уменьшается потребляемая схемой мощность. Снижение потребляемой мощности достигается за счет полностью закрытого состояния всех транзисторов при подаче на все логические входы напряжения логического нуля, а также замены нагрузочного резистора на нагрузочный многоколлекторный p-n-p транзистор, рассеивающий мощность.

2. Комплементарный биполярный элемент ИЛИ-НЕ, содержащий, подложку первого типа проводимости, общую коллекторную область второго типа проводимости, высоколегированную область второго типа проводимости под выходным электродом, базовые области первого типа проводимости переключательных n-p-n транзисторов, соединенные со входными электродами, высоколегированные эмиттерные области второго типа проводимости переключательных n-p-n транзисторов, к которым подключен электрод нулевого потенциала, снабжен глубокой изолирующей областью двуокиси кремния (SiO₂), изолирующую базовые области первого типа проводимости переключательных n-p-n транзисторов, электрод питания подключен к разделительной высоколегированной области первого типа проводимости, базовые области первого типа проводимости совмещены с коллекторами нагрузочного p-n-p транзистора, а общая коллекторная область второго типа проводимости переключательных n-p-n транзисторов совмещена с базой нагрузочного p-n-p транзистора, в результате чего достигается следующий технический эффект: замена нагрузочного резистора на нагрузочный многоколлекторный p-n-p транзистор приводит к уменьшению площади, а повышение быстродействия достигается за счет того факта, что суммарная емкость нагрузочного многоколлекторного p-n-p транзистора меньше емкости нагрузочного диффузионного резистора, занимающего большую, чем транзистор площадь.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения заключается в следующем: комплементарная биполярная схема ИЛИ-НЕ, являющаяся функционально-интегрированной схемой, совместимой с биполярной технологией, обладает меньшей в сравнении с прототипом потребляемой мощностью, что обеспечивается следующими существенными признаками: введен нагрузочный многоколлекторный p-n-p транзистор, введена глубокая изолирующая область двуокиси кремния (SiO₂), базовые области первого типа проводимости совмещены с коллекторами нагрузочного могоколлекторного p-n-p транзистора, общая коллекторная область второго типа проводимости переключательных n-p-n транзисторов совмещены с базой нагрузочного многоколлекторного p-n-p транзистора и электрод питания подключен к разделительным высоколегированным областям первого типа проводимости, в результате чего нагрузочный многоколлекторный p-n-p транзистор и переключательные n-p-n транзисторы закрыты, и не потребляют мощности в режиме, когда на все входы комплементарной схемы ИЛИ-НЕ подаются напряжения логического нуля.

уменьшение площади достигается заменой диффузионного резистора, расположенного в изолирующем кармане, нагрузочным многоколлекторным p-n-p транзистором.

повышение быстродействия достигается за счет того, что суммарная емкость нагрузочного многоколлекторного p-n-p транзистора меньше емкости нагрузочного диффузионного резистора, занимающего большую, чем транзистор площадь.

На фиг. 1 представлена конструкция комплементарной схемы ИЛИ-НЕ; на фиг. 2 принципиальная электрическая комплементарная схема ИЛИ-НЕ; на фиг. 3 - конструкция аналога; на фиг. 4 принципиальная электрическая схема аналога; на фиг. 5 результаты работы комплементарной схемы ИЛИ-НЕ без нагрузки; на фиг. 6 результаты работы комплементарной схемы ИЛИ-НЕ с нагрузкой.

Комплементарная схема ИЛИ-НЕ (фиг. 1) содержит подложку 1 первого типа проводимости с концентрацией 10¹⁹-10²⁰ см^-3, в которой расположена общая коллекторная область 2 второго типа проводимости переключательных n-p-n транзисторов 15, 16, совмещенная с базой нагрузочного многоколлекторного p-n-p транзистора 17, в которой расположены базовые области 3, 4 первого типа проводимости переключательных n-p-n транзисторов 15, 16 с концентрацией 10¹⁷-10¹⁸ см^-3, совмещенные с коллекторами нагрузочного многоколлекторного p-n-p транзистора 17, разделенные глубокой изолирующей областью 7 двуокиси кремния и содержащие высоколегированные эмиттерные области 5, 6 второго типа проводимости переключательных n-p-n транзисторов 15, 16 с концентрацией 2·10²⁰ см^-3. Конструкция комплементарной схемы ИЛИ-НЕ окружена высоколегированной областью 8 первого типа проводимости с концентрацией 10²⁰ см^-3, к которой подключен электрод питания 9. Входные электроды 10, 11 подключены соответственно к базовым областям 3, 4 первого типа проводимости переключательных n-p-n транзисторов 15, 16. Выходной электрод 12 подключен к высоколегированной области 13 второго типа проводимости, служащей для формирования омического контакта к общей коллекторной области 2 второго типа проводимости переключательных n-p-n транзисторов 15, 16. Электрод нулевого потенциала 14 подключен к высоколегированным эмиттерным областям 5, 6 второго типа проводимости переключательных n-p-n транзисторов.

На принципиальной электрической схеме комплементарной схемы ИЛИ-НЕ (фиг. 2) переключательные n-p-n транзисторы 15, 16, нагрузочный многоколлекторный p-n-p транзистор 17.

Комплементарная схема ИЛИ-НЕ работает следующим образом (фиг. 5).

Для обеспечения работы к p-подложке 1 подается напряжение питания, минимальное значение которого определяется удвоенным значением напряжения на открытом p-n переходе: E (1,4 1,6) В E 2·U_p-n где U_p-n напряжение открытого p-n перехода (0,7-0,8 В).

Режим 1. При подаче на все входные электроды 10, 11 напряжения логического нуля низкого уровня напряжения все транзисторы 15, 16, 17 находятся в закрытом состоянии (смотри переходные характеристики на фиг. 5).

Переходы 5-3, 6-4, 3-2, 4-2 переключательных n-p-n транзисторов 15, 16 закрыты. Переход база-эмиттер 2-1 нагрузочного p-n-p транзистора 17 находится на границе запирания. Напряжение на этом переходе U_{2-1 зап}≅0,6 В. При напряжении питания E= 1,6 В на выходе схемы напряжение-напряжение логической единицы высокий уровень напряжения, определяемый по формуле: U^"1" E U_{2-1 зап} Режим 2. При подаче хотя бы на один из выходов схемы, например нв вх. 1 10, напряжения логической единицы высокого уровня напряжения (фиг. 5) в прямом направлении смещаются и открываются переходы 5-3, 3-2 соответствующего переключательного n-p-n транзистора 15, открывается также база-эмиттерный переход 2-1 нагрузочного p-n-p транзистора 17. Переключательный n-p-n транзистор 15, на вход которого подается напряжение логической единицы (U^"1" 0,8 1,1 В) открывается и входит в режим насыщения. На выходном электроде схемы 12 напряжение коллектор-эмиттер насыщения насыщенного переключательного n-p-n транзистора 15 низкий уровень напряжения, соответствующий напряжению логического нуля (U^"0" 0,1 0,3 В).

Из режимов работы следует, что данная комплементарная схема и соответствующая ей электрическая схема, выполняют логическую функцию ИЛИ-НЕ.

Изменение конструкции по сравнению с прототипом связано с заменой нагрузочного резистора нагрузочным многоколлекторным p-n-p транзистором, введением глубокой изолирующей области двуокиси кремния (SiO₂), совмещением базовых областей первого типа проводимости с коллекторами нагрузочного многоколлекторного p-n-p транзистора, совмещением общей коллекторной области второго типа проводимости переключательных n-p-n транзисторов с базой нагрузочного многоколлекторного p-n-p транзистора и подключением электрода питания к разделительным высоколегированным областям первого типа проводимости.

В результате этих изменений нагрузочный многоколлекторный p-n-p транзистор и переключательные n-p-n транзисторы закрыты и не потребляют мощности в режиме, когда на все входы комплементарной схемы ИЛИ-НЕ подаются напряжения логического нуля. Уменьшение площади достигается также заменой диффузионного резистора, расположенного в изолирующем кармане, нагрузочным многоколлекторным p-n-p транзистором. Повышение быстродействия достигается за счет того факта, что суммарная емкость нагрузочного многоколлекторного p-n-p транзистора меньше емкости нагрузочного диффузионного резистора, занимающего большую, чем транзистор площадь.

Решение задач снижения мощности, площади, занимаемой на кристалле и повышения быстродействия, позволяет использовать предлагаемый комплементарный элемент ИЛИ-НЕ при создании маломощных сверхбольших интегральных схем с повышенной степенью интеграции, реализующие любые цифровые устройства, применяемые в различных областях микроэлектроники, вычислительной техники, средствах управления широкого назначения.

Формула изобретения

1. Комплементарный элемент ИЛИ НЕ, содержащий подложку первого типа проводимости, общую коллекторную область второго типа проводимости, высоколегированную область второго типа проводимости под выходным электродом, базовые области первого типа проводимости переключательных n p - n-транзисторов, соединенные с входными электродами, высоколегированные эмиттерные области второго типа проводимости переключательных n p - n-транзисторов, которые соединены с электродом нулевого потенциала, и разделительную высоколегированную область первого типа проводимости, отличающийся тем, что элемент снабжен глубокой изолирующей областью окисла, изолирующей базовые области первого типа проводимости переключательных n p -n-транзисторов, и нагрузочным многоколлекторным p n p-транзистором, электрод питания подключен к разделительной высоколегированной области первого типа проводимости, базовые области первого типа проводимости совмещены с коллекторами нагрузочного p n p-транзистора, а общая коллекторная область второго типа проводимости переключательных n p n-транзисторов совмещена с базой нагрузочного p n p-транзистора.

2. Электрическая схема комплементарного элемента ИЛИ НЕ, содержащая входные и выходной электроды, электрод питания и электрод нулевого потенциала, переключательные n p n-транзисторы, базы которых подключены к входным электродам, эмиттеры к электроду нулевого потенциала, а коллекторные области к выходному электроду, отличающаяся тем, что схема снабжена нагрузочным многоколлекторным p n p-транзистором, база которого соединена с коллекторами переключательных n p n-транзисторов и выходным электродом, эмиттер с электродом питания, а коллекторы с базами переключательных n p n-транзисторов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6