2.3.6. Интегральная инжекционная логика и2л

И2Л-схемы являются третьим широко распространённым схемотехническим направлением биполярной технологии. Прежде всего необходимо отметить, что если ТТЛ- и ЭСЛ -элементы были разработаны для реализации интегральных схем, то И2Л-схемы – для создания БИС и СБИС на основе биполярных транзисторов. Схемы малой и средней степени интеграции на И2Л-элементах не выпускаются. Принципы, на которых основано «конструктивное» и схемное отличие И2Л-элементов от других биполярных схем, заключаются в использовании совмещения электрически связанных однородных областей полупроводника в одном кристалле. В этих схемах традиционный способ питания цепей базы и коллектора транзисторов через резисторы заменен непосредственным введением избыточных подвижных носителей заряда в базу переключаемых транзисторов.

Разработанные вначале как логические элементы для БИС и СБИС И2Л-элементы сейчас широко применяются для создания БИС памяти микропроцессорных наборов, базовых кристаллов разнообразных аналоговых устройств.

Базовый И2Л-элемент содержит p-n-р-транзистор, который генерирует постоянный ток (через внешний резистор), поступающий на базу многоколлекторного переключающего n-р-n транзистора (рис. 2.14, а). Логический вход «О» или «1» соответствует закороченной или разомкнутой цепи в базе транзистора VT2. С помощью трёх инверторов, как показано на (рис. 2.14, б), можно организовать логический элемент «ИЛИ». Для изготовления подобных структур можно использовать технологический процесс с четырьмя фотошаблонами, эквивалентный по сложности базовой технологии схем МДП-типа. Стремление к увеличению быстродействия таких схем и их логической гибкости привело к разработке большого числа интегральных структур и разнообразных схемотехнических вариантов базового ключа. Одним из важнейших направлений развития инжекционных схем стало использование в них диодов Шотки. При этом достигается увеличение быстродействия благодаря ограничению степени насыщения ключевого n-p-n-транзистора (шунтирование перехода база-коллектор), использованию в качестве перехода база–коллектор диода Шоттки (транзистор с металлическим коллектором), уменьшению логических перепадов в схеме (последовательное включение диодов Шоттки в цепь «коллектор предыдущего n-p-n транзистора – база последующего»).

С использованием диодов Шоттки возможно увеличение функциональной логической гибкости – объединение входов с помощью диодов Шотки (логическая функция «И» рис. 2.15, а). Результирующая логическая функция, которую выполняет элемент, – функция ‹‹И-НЕ››.

а б

Рис. 2.14

а	б
Рис. 2.15

Малая площадь ИС, занимаемая на кристалле, получается вследствие того, что одна область p-типа служит функциональным элементом одновременно для двух диодов, для коллектора транзистора VT1(структуры p-n-p) и для базы транзистора VT2 (структуры n-p-n), другая область n-типа является базой VT1 и эмиттером VT2. Он очень похож на элемент ДТЛ, однако здесь базовый ток выходного транзистора протекает не через резистор, а через p-n-p-транзистор, который работает в режиме источника постоянного тока. Такая комбинация p-n-p- и n-p-n-транзисторов, реализуемая с помощью специального технологического процесса, занимает на кристалле очень малую площадь.

На рис. 2.15, б приведен график зависимости между временем задержки и инжектируемым током. Инжектируемый ток может изменяться в широких пределах применительно к различным потребностям. Чем больше его величина, тем меньше время задержки распространения сигнала.

К достоинствам И2Л-элементов можно отнести:

-возможность работы в широком диапазоне токов ( );

-возможность сохранения логического состояния И2Л-схем переводом в режим микротоков, когда они не работают в предельном частотном режиме или вообще должны находиться в нерабочем состоянии;

-простоту разветвления сигнала на выходе за счёт добавления коллекторов в ключевом транзисторе, чрезвычайно низкую мощность рассеяния, высокую плотность компоновки (3·10² мкм²) и малую площадь на кристалле, что делает её идеальной для СБИС;

-возможность создания инжекционно-полевых структур, для чего ключевой транзистор заменяют на полевой в вертикальном канале (в этом направлении ведутся большие исследования).

Основной недостаток И2Л-элемента: площади коллекторов меньше площади эмиттера, т.е. транзистор работает в инверсном включении. Это в значительной степени определяет технологию изготовления И2Л-элементов и создаёт основные трудности при их реализации. К другим недостаткам интегральных схем инжекционно-полевой логики следует отнести прежде всего технологические трудности получения и воспроизведения геометрических размеров канала при массовом производстве схем. Несмотря на большие успехи в области разработки БИС и СБИС на И2Л-элементах, разработчикам и технологам предстоит решить ещё много сложных задач. Основные требования, предъявляемые к элементной базе БИС и СБИС, – высокая плотность элементов на кристалле, малая мощность рассеяния и технологичность структур при достаточно высоком выходе годных приборов и низкой их стоимости. Для повышения плотности компоновки совершенствуют полупроводниковую технологию. В частности, уменьшают линейные размеры компонентов, увеличивают площадь кристалла до такой степени, когда производство базовых кристаллов ещё экономически целесообразно, а также увеличивают функциональные возможности базового элемента, применяют схемотехнику, обеспечивающую большую плотность компоновки в интегральном исполнении, упрощают схему, в частности исключением буферных усилителей на входе или выходе логических элементов. Снижение мощности рассеяния кристаллов БИС и СБИС возможно при уменьшении напряжения питания, уменьшении логического перепада, совершенствовании добротности полупроводниковых компонентов, применении многоярусных схем на переключателях тока. Оценивая современное положение в области технологии биполярных схем, необходимо отметить, что она переживает подлинное возрождение в связи с переходом в область субмикронных размеров.