Конструкции элементов полупроводниковых микросхем на МДП-транзисторах (стр. 2 из 2)

Помимо деления МДП-транзисторов по основному признаку - способу формирования и типу электропроводности проводящего канала - существует и более детальная классификация, учитывающая конструктивно-технологическое исполнение МДП-транзисторов, например, по материалу затвора (с алюминиевыми, молибденовыми, поликремниевыми затворами); сочетанию с другими элементами в микросхеме, например комплементарные МДП-транзисторы (КМДП-транзисторы), т.е. взаимодополняющие, сформированные в одном кристалле р - и п-канальные транзисторы; по функциям, выполняемым в схеме, например активные и нагрузочные транзисторы.

Нагрузочные МДП-транзисторы используют в составе микросхем в качестве резисторов. Необходимое значение сопротивления канала этих транзисторов создается конструктивно (выбором геометрических размеров канала) и схемотехнически (подачей на его затвор потенциала определенной величины).

Каждый из четырех типов МДП-транзисторов (рис.5.2) может быть использован в качестве нагрузки, а его подложка присоединена к источнику питания или нулевой шине. Затвор же может иметь пять вариантов подключения: к выходу схемы, шине питания, нулевой шине, автономному источнику питания положительной или отрицательной полярности, ко входу микросхемы. Иными словами, существует 48 вариантов использования МДП-транзистора в качестве нагрузки в инверторе.

Базовой схемой многих МДП-микросхем является инвертор - ключевая схема, содержащая активный транзистор и нагрузку, включенные между шиной питания и землей. С учетом 48 вариантов использования МДП-транзистора в качестве нагрузки и четырех вариантов схемного включения активного транзистора существует 192 варианта построения инверторов на основе двух МДП-транзисторов. В настоящее время используются лишь немногие из них: с линейной, нелинейной, квазилинейной, токостабилизирующей нагрузками и вариант инвертора на КМДП-транзисторах (рис.3, а).

Некоторые из этих вариантов в дальнейшем нами будут рассмотрены с точки зрения конструктивного и технологического их исполнения.

МДП-транзисторы могут служить в схеме и в качестве конденсаторов, для чего можно использовать емкости структур затвор - подложка или емкости обратносмещенных р-п переходов сток (исток) - подложка.

Таким образом, МДП-транзистор может быть основным и единственным элементом, МДП-транзистор может быть основным и единственным элементом МДП-микросхем. Он может выполнять функции - как активных приборов (ключевой транзистор в инверторе, усилительный транзистор), так и пассивных элементов (нагрузочный транзистор в инверторе, конденсатор в элементе памяти). При проектировании МДП-микросхем можно обходиться только одним элементом - МДП-транзистором, конструктивные размеры которого и схема включения будут зависеть от выполняемой функции.

Рис.3. Электрическая схема инвертора с входной шиной, подключенной к охранным диодам (а), и конструкция шины с охранными диодами (б).

Это обстоятельство дает существенный выигрыш в степени интеграции (полупроводниковые резисторы и конденсаторы занимают большую площадь и требуют для себя отдельную изолированную область, кроме того, наличие пассивных полупроводниковых элементов влечет за собой появление дополнительных паразитных элементов, в частности паразитных емкостей, существенно ухудшающих частотные свойства микросхем).

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ МДП-МИКРОСХЕМ

Вспомогательные элементы в МДП-микросхемах предусматриваются для защиты приборов от воздействия статического электричества в процессе их производства и эксплуатации, а также для борьбы с паразитными каналами.

Охранные диоды предусматриваются во входных цепях МДП-микросхем и предназначены для предотвращения пробоя подзатворного диэлектрика под действием зарядов статического электричества, накапливающегося на одежде и руках операторов, на инструменте монтажника и технологической оснастке. Заряд этот может быть любого знака. Диоды VD1 и VD2 (см. рис 3), подключенные к входной шине инвертора, позволяют положительному заряду стекать через диод VD1, а отрицательному - через диод VD2. При проектировании охранных диодов необходимо обеспечить высокое напряжение прибоя р-п переходов диодов (более 2Uи. п) и малые паразитные емкости. Первое требование выполняется использованием в качестве одной из областей диода VD1 низколегированной подложки, а для диода VD2 - низколегированной р-области. Второе требование выполняют минимизацией площади р-п переходов.

Недостатками рассмотренной схемы защиты и конструкций охранных диодов являются уменьшение входного сопротивления МДП-микросхемы и появление входного тока утечки, а также то, что при Uвх > Uи. п. через входную цепь могут протекать большие токи, что приводит к разрушению диодов. Часто используют и более простые схемы защиты с одним охранным диодом (рис.4).

Охранные кольца. При наличии положительного встроенного заряда в толстом окисле и положительного потенциала на алюминиевых шинах разводки создаются условия для формирования паразитного индуцированного и-канала в приповерхностных участках кремния р-типа электропроводности с низким уровнем легирования. Увеличение толщины диэлектрика hт.д. (рис.1) над опасными участками не всегда возможно и не всегда гарантирует отсутствие паразитного канала.

Рис.4. Конструкция n-канального транзистора с охранным диодом: l-подложка г-типа; 2, 7-алюминиевые шины; 3, 6-области истока и стока; 4-алюминиевый затвор; 5 - подзатворный окисел; 8 - контакт истока с подложкой; 9 - охранный диод; 10 - катод защитного диода; 11-толстый окисел.

Рис.5. Охранные кольца в структуре инвертора с п - и р-ка-нальным транзисторами: l - область формирования пара-зитного канала р-типа; 2 - область формирования паразитного канала п-типа; 3-n+-области охранного кольца; 4-p+-области охранного кольца.

Эффективным средством против возникновения сквозных паразитных каналов является формирование кольцевой каналоограничивающей р+-области, в которой инверсия проводимости вследствие высокого уровня легирования поверхности практически невозможна. Для полного исключения возможности формирования паразитного канала на р+-область охранного кольца можно подать самый низкий потенциал схемы (рис.5).

Паразитный р-канал может образоваться между р+-областью истока р-канального транзистора и p-областью, в которой расположен n-канальный транзистор, при отрицательном потенциале на алюминиевом проводнике. Вероятность появления этого канала тем выше, чем ниже уровень легирования n-подложки. Охранная кольцевая область n+-типа, соединенная с точкой схемы, имеющей самый высокий потенциал (+Uи. п), предотвращает появление сквозного паразитного канала на этом участке схемы.

Применение охранных колец существенно увеличивает площадь элементов и снижает степень интеграции МДП-микросхем.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств: Учеб. для радиотехнических спец. вузов. – Мн.: Высшая школа, 2000.

2. Основы конструирования изделий радиоэлектроники: Учеб. пособие / Ж.С. Воробьева, Н.С. Образцов, И.Н. Цырельчук и др. – Мн.: БГУИР, 2001