КОМПЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ИЛИ - НЕ И ЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА Российский патент 1997 года по МПК H01L27/04 H03K19/08 

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_2-1зап≅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_2-1зап
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.

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.

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.