CMOS mantık kapıları

Yukarıdaki eşdeğer devre şemaları yalnızca PMOS transistörleri kullanılarak elde edilebilir. Bununla birlikte, en ilginç olanı, PMOS ve NMOS transistörlerinin birlikte kullanılmasıdır. Bu teknoloji günümüzde en popüler olanıdır ve CMOS teknolojisi olarak adlandırılır. Diğer tüm teknolojilere göre düşük güç tüketimi ile maksimum hücre performansı sağlar.

NMOS devrelerinde, mantık fonksiyonları, akım sınırlayıcı bir elemanla birleştirilen NMOS transistör bağlantılarının bir kombinasyonu ile gerçekleştirilir.

Çünkü NMOS transistörleri üzerine inşa edilen tüm elemanlar, negatif fonksiyonlar (DEĞİL, OR-DEĞİL, VE-DEĞİL) uygular, daha sonra geleneksel olarak Şekil 1.9'daki blok diyagramında gösterildiği gibi temsil edilebilirler.

Şekil 1.9 - NMOS devresinin yapısı

Bu durumda, tüm transistör devreleri negatif bir mantık bloğu olan bir PDN (Aşağı Açılan Ağ) bloğunda birleştirilir. Doğrudan mantıksal işlevlerin uygulanması için, tüm elemanın bir bütün olarak hızını azaltan iki negatif elemanın bağlanması gerekir. CMOS devreleri kavramı, doğrudan mantık bloklarını (PUN - Çekme Ağı) ve negatif mantık bloklarını (PDN - Aşağı Çekme Ağı) engelleyecek şekilde PMOS transistörlerinde doğrudan işlevlerin (AND, OR) uygulanmasına dayanmaktadır ) birbirinin tamamlayıcısıdır. Daha sonra tipik bir mantıksal elemanı uygulayan mantıksal devre, Şekil 1.10'da gösterilen forma sahip olacaktır.

Şekil 1.10 - CMOS devresinin yapısı

Herhangi bir giriş kombinasyonu için PDN, V f çıkışını mantıksal sıfır seviyesine ayarlar veya PUN bu çıkışı mantıksal yüksek seviyeye ayarlar. PDN ve PUN, iki birimin paralel olarak çalışması için yerleştirilen eşit sayıda transistöre sahiptir. PDN'nin seri bağlanmış NMOS transistörlerini içerdiği durumlarda, PUN paralel bağlanmış PMOS transistörleri üzerine kuruludur ve bunun tersi de geçerlidir.

Bir CMOS devresinin en basit örneği, Şekil 1.11'de gösterilen bir invertördür.

Şekil 1.11 - Bir CMOS invertörünün uygulanması

V x \u003d 0V olduğunda, T2 kapalıdır ve T1 açıktır. Bu nedenle, V f \u003d 5V ve T2 kapalı olduğu için transistörlerden akım geçmez. V x \u003d 5V olduğunda, T2 açıktır ve T1 kapalıdır. Böylece, V f \u003d 0V ve devrede hala akım olmayacak, çünkü transistör T1 kapalı. Bu özellik tüm CMOS devreleri için geçerlidir - mantık kapıları pratik olarak statik modda akımı tüketmez. Bu tür devrelerdeki akım, yalnızca elemanların değiştirilmesi sırasında akacaktır (bu nedenle, bu teknoloji kullanılarak inşa edilen cihazların çalışma sıklığındaki artışla, enerji tüketimi de artar). Sonuç olarak CMOS devreleri, dijital mantık aygıtları için en popüler teknoloji haline geldi.

Şekil 1.12, bir NAND CMOS geçidinin şematik bir diyagramıdır. Bu elemanın uygulanması, Şekil 1.5'te gösterilen NMOS devresine benzer, ancak akım sınırlama direncinin, paralel bağlanmış iki PMOS transistöründen oluşan bir PUN bloğu ile değiştirilmiş olması dışında. Şekildeki doğruluk tablosu, x 1 ve x 2 girişlerinin her mantıksal kombinasyonu için bu dört transistörün her birinin durumunu gösterir. Bu devrenin mantıksal NAND işlevini uygulayıp uygulamadığını kontrol etmek kolaydır. Statik durumda, V DD'den Gnd'ye akım akışı için bir yol yoktur.

Şekil 1.12 - NAND mantıksal öğesinin CMOS uygulaması

Şekil 1.12'deki devre, mantıksal bir NAND işlevini tanımlayan mantıksal bir ifadeden türetilebilir. Bu ifade, içinde bulunduğu koşulları tanımlar. f \u003d 1; bu nedenle, PUN bloğunun davranışını belirler. Bu blok, girişlerine mantıksal sıfır uygulandığında açılan PMOS transistörlerinden oluştuğundan, x i \u003d 0 ise giriş değişkeni x i transistörü açar. De Morgan'ın kuralına göre, elimizde:

Böylece f \u003d 1giriş x 1 veya giriş x 2 mantıksal sıfır olduğunda, bu, PUN'un paralel bağlanmış iki PMOS transistörüne sahip olması gerektiği anlamına gelir. PDN bloğu aşağıdaki gibi görünen f fonksiyonunu tamamlamalıdır:

f \u003d x 1 x 2

Fonksiyon f \u003d 1her iki giriş x 1 ve x 2 1 olduğunda, bu nedenle PDN biriminin seri olarak iki NMOS transistörüne sahip olması gerekir.

OR-NOT elemanının CMOS uygulaması için devre, mantıksal bir ifadeden elde edilebilir.

Şekil: 16.10.

CMOS devreleri ile nMOS teknolojisi arasındaki temel fark, devrede aktif direnç olmamasıdır. Devrenin her girişine farklı kanal tipine sahip bir çift transistör bağlanır. P tipi bir kanala sahip transistörler, bir alt tabaka ile bir güç kaynağına bağlanır, bu nedenle, içlerinde bir kanal oluşumu, alt tabaka ve kapı arasında yeterince büyük bir potansiyel fark ile meydana gelir ve kapıdaki potansiyel negatif olmalıdır. substrata göre. Bu koşul, kapıya bir toprak potansiyeli (yani mantık 0) uygulanarak sağlanır. Bir n-tipi kanala sahip transistörler, bir alt tabaka ile zemine bağlanır, bu nedenle, güç kaynağı potansiyeli kapıya uygulandığında içlerinde bir kanal oluşumu meydana gelecektir (yani mantık 1). Mantıksal sıfır veya mantıksal bir birimin farklı kanal türlerine sahip bu tür transistör çiftlerine eşzamanlı olarak sağlanması, çiftin bir transistörünün mutlaka açık ve diğerinin kapalı olacağı gerçeğine yol açar. Böylece, çıkışı güç kaynağına veya toprağa bağlamak için koşullar yaratılır.

Bu nedenle, en basit durumda, A \u003d 0'daki inverter devresi için (Şekil 16.10), transistör VT1 açık olacak ve VT2 kapanacaktır. Bu nedenle, F devresinin çıkışı, VT1 kanalı üzerinden mantıksal birimin durumuna karşılık gelen güç kaynağına bağlanacaktır: F \u003d 1. A \u003d 1 olduğunda, transistör VT1 kapatılacaktır (geçitte ve alt tabaka aynı potansiyeldedir) ve VT2 açık olacaktır. Bu nedenle, F devresinin çıkışı, transistör VT2 kanalı üzerinden toprağa bağlanacaktır. Bu mantıksal sıfır durumuna karşılık gelir: F \u003d 0.

Mantıksal ekleme (Şekil 16.11), VT1 ve VT2 transistörlerinin p-kanallarının seri bağlantısı ile gerçekleştirilir. En az bir birim sağlandığında, bu transistörler için tek bir kanal oluşturulmaz. Aynı zamanda, VT3 ve VT4'ün paralel bağlantısı nedeniyle, ilgili transistör devrenin alt kısmında açılır ve bu da F çıkışının toprağa bağlanmasını sağlar. En az bir mantıksal 1 sağlanırsa F \u003d 0 olur - bu bir OR-NOT kuralıdır.

Şekil: 16.11.

NAND işlevi, devrenin üst kısmındaki VT1 ve VT2'nin paralel bağlantısı ve alt kısımdaki VT3 ve VT4'ün seri bağlantısı nedeniyle gerçekleştirilir (Şekil 16.12). En az bir sıfır girişi uygulandığında, VT3 ve VT4 üzerinde tek bir kanal oluşturulmaz, çıkış toprakla bağlantısı kesilir. Aynı zamanda, devrenin üst kısmındaki en az bir transistör (mantıksal sıfırın uygulandığı geçide), F çıkışının güç kaynağına bağlantısını sağlayacaktır: En az bir sıfır olduğunda F \u003d 1 uygulandı - NAND kuralı.

Şekil: 16.12.

Kısa özet

Eleman tabanına bağlı olarak, IC'lerin üretimi için farklı teknolojiler ayırt edilir. Bunlardan başlıcaları, bipolar transistörlerde TTL ve nMOS ve CMOS'tur. alan Etkili Transistörler.

Anahtar terimler

nMOS teknolojisi alan Etkili Transistörler indüklenmiş bir n-tipi kanal ile.

3 durum için arabellek - TTL devresinin çıkış kısmı, üçüncü, yüksek empedans durumuna geçiş imkanı sağlar.

CMOS teknolojisi - IC üretim teknolojisi, alan Etkili Transistörler her iki tür elektriksel iletkenlik kanalları ile.

Toplayıcıyı aç - TTL elemanlarının tampon kısmının, devreden çıkarılan, yük devresinde bir direnç olmadan uygulanmasının bir varyantı.

Dirençli yük devreleri - Tampon devresinin durumunun bir değil, iki transistörün durumuyla belirlendiği TTL devreleri.

Transistör-transistör mantığı - bipolar transistörlere dayalı IC'lerin üretimi için teknoloji.

Kabul edilen kısaltmalar

CMOS - tamamlayıcı, metal, oksit, yarı iletken

Uygulama kiti

Ders 16 için Egzersizler

1. Egzersiz

Egzersiz 1 için Seçenek 1NMOS teknolojisini kullanarak 3 girişli OR-NOT öğesinin diyagramını çizin.

Egzersiz 1 için Seçenek 2NMOS teknolojisini kullanarak 3 girişli bir NAND geçidinin bir diyagramını çizin.

Egzersiz 1 için Seçenek 3NMOS teknolojisini kullanarak 4 girişli OR-NOT öğesinin bir diyagramını çizin.

Egzersiz 2

Egzersiz 2 için Seçenek 13 girişli bir elemanın şematik diyagramını çizin VEYA CMOS teknolojisini KULLANMAYIN.

Egzersiz 2 için Seçenek 2CMOS teknolojisini kullanarak 3 girişli bir NAND öğesinin şematik diyagramını çizin.

Egzersiz 2 için Seçenek 3CMOS teknolojisini kullanarak 4 girişli OR NOT öğesinin şematik diyagramını çizin.

Egzersiz 3

Egzersiz 3 için Seçenek 1TTL teknolojisine göre 3 girişli bir eleman VEYA DEĞİL'in diyagramını çizin.

Egzersiz 3 için Seçenek 2TTL teknolojisini kullanarak 3 girişli bir NAND geçidinin bir diyagramını çizin.

3. Egzersiz için 3. SeçenekTTL teknolojisine göre 4 girişli bir eleman VEYA DEĞİL'in diyagramını çizin.

Egzersiz 4

Egzersiz 4 için Seçenek 1. NMOS teknolojisini kullanarak 3 girişli bir OR öğesinin diyagramını çizin.

Egzersiz 4 için Seçenek 2. NMOS teknolojisini kullanarak 3 girişli bir eleman I diyagramını çizin.

Egzersiz 4 için Seçenek 3NMOS teknolojisini kullanarak 4 girişli bir OR öğesinin bir diyagramını çizin.

Egzersiz 5

Egzersiz 5 için Seçenek 1CMOS teknolojisini kullanarak 3 girişli bir OR öğesinin şematik diyagramını çizin.

Egzersiz 5 için Seçenek 2. 3 girişli bir elemanın VE CMOS teknolojisine göre bir diyagram çizin.

Egzersiz 5 için Seçenek 3CMOS teknolojisini kullanarak 4 girişli bir OR öğesinin diyagramını çizin.

Egzersiz 6

Egzersiz 6 için Seçenek 1TTL teknolojisini kullanarak 3 girişli bir OR öğesinin diyagramını çizin.

Egzersiz 6 için Seçenek 2TTL teknolojisine göre 3 girişli bir eleman I'in diyagramını çizin.

Egzersiz 6 için Seçenek 3TTL teknolojisini kullanarak 4 girişli bir OR öğesinin diyagramını çizin.

Egzersiz 7

Egzersiz 7 için Seçenek 1TTL teknolojisini kullanarak bir 2I-OR-NOT öğesinin diyagramını çizin.

Egzersiz 7 için Seçenek 2CMOS teknolojisini kullanarak bir 2I-OR-NOT elemanının bir devresini çizin.

Egzersiz 7 için Seçenek 3NMOS teknolojisini kullanarak bir 2I-OR-NOT elemanının bir devresini çizin.

Egzersiz 8

Egzersiz 8 için Seçenek 1. 3 durumlu bir arabelleğe sahip 3 girişli OR-NOT geçidinin şematik diyagramını çizin.

Egzersiz 8 için Seçenek 2Açık kollektörlü 3 girişli bir NAND geçidinin şematik diyagramını çizin.

Egzersiz 8 için Seçenek 3. 3 durumlu arabelleğe sahip 3 girişli bir OR geçidi çizin.

Belirli bir mikro devreler dizisi, tipik bir elektronik birimin - temel bir mantık elemanının kullanılmasıyla karakterize edilir. Bu unsur, çok çeşitli dijital elektronik cihazların yapımının temelidir.

Aşağıda, çeşitli mantıkların temel mantıksal unsurlarının özelliklerini ele alacağız.

Transistör-transistör mantığının unsurları

TTL'nin karakteristik bir özelliği, çoklu yayıcı transistörlerin kullanılmasıdır. Bu transistörler, tek tek yayıcıların birbirine müdahale etmeyeceği şekilde tasarlanmıştır. Her yayıcının kendi pn bağlantısı vardır. İlk yaklaşımda, bir çoklu yayıcı bir diyot devresi ile modellenebilir (Şekil 3.27'deki noktalı çizgiye bakınız).

Bir TTL elemanının basitleştirilmiş bir diyagramı Şekil 2'de gösterilmektedir. 3.27. Zihinsel olarak bir çoklu yayıcı transistörü diyotlarla değiştirirken, bir diyot-transistör mantığı "AND-NOT" elemanı elde ederiz. Devrenin analizinden, girişlerden birine veya her iki girişe düşük bir voltaj seviyesi uygulanırsa, transistör T 2'nin tabanının sıfır olacağı ve üzerinde yüksek bir voltaj seviyesi olacağı sonucuna varılabilir. transistör toplayıcı T 2. Her iki girişe de yüksek bir seviye uygulanırsa, o zaman büyük bir taban transistörün T2 tabanından geçecek ve transistör T 2 toplayıcısında düşük bir seviye olacaktır, yani bu eleman NAND işlevini uygular:

u çıkış \u003d u 1 u 2. TTL'nin temel öğesi, mantıksal bir AND işlemi gerçekleştiren çok yayıcılı bir transistör ve karmaşık bir invertör içerir (Şekil 3.28).

Girişlerden birine veya her ikisine aynı anda düşük bir voltaj seviyesi uygulanırsa, çoklu yayıcı transistör doygunluk durumundadır ve T2 kapalıdır ve bu nedenle transistör T 4 de kapalıdır, yani çıkış yüksek olacaktır. seviyesi. Yüksek voltaj seviyesi her iki girişte aynı anda hareket ediyorsa, o zaman T 2 doygunluk moduna girer ve girer, bu da transistör T 4'ün açılmasına ve doygunluğuna ve transistör T 3'ün kilitlenmesine yol açar, yani NAND işlevi uygulandı.

TTL elemanlarının hızını artırmak için Schottky diyotlu transistörler (Schottky transistörleri) kullanılır.

Temel mantık öğesi TTLSh (K555 serisi örneğinde)

NAND elemanı, K555 serisi mikro devrelerin temel elemanı olarak kullanılır. İncirde. 3.29, ve bu elemanın bir diyagramı gösterilmektedir ve geleneksel grafik atama Şekil 1'de gösterilmektedir. 3.29, b.

Bu, yukarıdaki geleneksel bir transistör ve bir Schottky diyot çiftine eşdeğerdir. Transistör VT 4, geleneksel bir çift kutuplu transistördür.

Her iki giriş voltajı u in1 ve u in2 yüksek seviyeye sahipse, VD 3 ve VD 4 diyotları kapalıdır, VT 1, VT 5 transistörleri açıktır ve çıkışta düşük seviyeli bir voltaj oluşur. En az bir girişin düşük bir seviyesi varsa, o zaman transistörler VT 1 ve VT 5 kapalıdır ve transistörler VT 3 ve VT 4 açıktır ve girişte düşük seviyeli bir voltaj vardır. VT 3 ve VT 4 transistörlerinin sözde bir kompozit (Darlington devresi) oluşturduğuna dikkat etmek faydalıdır.

Cips TTLSh

Chips TTLSh K555 serisi aşağıdaki parametrelerle karakterize edilir:

● güç kaynağı +5 V;

● düşük seviyeli çıkış voltajı - en fazla 0,4 V;

● yüksek seviyeli çıkış - en az 2,5 V;

● gürültü bağışıklığı - en az 0,3 V;

● ortalama sinyal yayılma gecikme süresi - 20 ns;

● maksimum çalışma frekansı 25 MHz'dir.

TTLS yongaları genellikle mantık seviyeleri, gürültü bağışıklığı ve TTL yongaları ile güç kaynağı açısından uyumludur. TTLS elemanlarının sinyal yayılma gecikme süresi, benzer TTL elemanlarına kıyasla ortalama olarak iki kat daha azdır.

Diğer mantıkların özellikleri

ESL'nin temel mantık öğesinin temeli, geçerli anahtardır. Akım anahtarının devresi (Şekil 3.30), bir diferansiyel amplifikatörün devresine benzer.

ECL mikro devrelerine negatif bir voltajla güç verildiğine dikkat etmek gerekir (örneğin, K1500 serisi için −4,5 V). Transistör VT 2'nin tabanına negatif bir sabit referans voltajı U op uygulanır. U in1 girişindeki bir değişiklik, transistörler arasındaki R e direnci tarafından verilen doğru akımın i e0 yeniden dağıtımına yol açar ve bu da kollektörlerindeki voltajlarda bir değişikliğe neden olur. Transistörler doygunluk moduna girmez ve bu, ECL elemanlarının yüksek hızının nedenlerinden biridir.

Microcircuits serisi 100, 500 aşağıdaki parametrelere sahiptir:

● güç kaynağı - 5,2 V;

● güç tüketimi - 100 mW;

● çıkışta dallanma faktörü - 15;

● sinyal yayılma gecikmesi - 2,9 ns.

N-MOS ve p-MOS mikro devrelerinde, anahtarlar sırasıyla n-kanallı MOS transistörlerinde ve dinamik bir yükte (yukarıda tartışılmıştır) ve p-kanallı MOS transistörlerinde kullanılır.

Örnek olarak, OR-NOT işlevini uygulayan bir n-MOS mantık öğesi düşünün (Şekil 3.31).

Bir yük transistörü T 3 ve iki kontrol transistörü T 1 ve T 2'den oluşur. Her iki transistör T 1 ve T 2 kapalıysa, çıkış yüksek olarak ayarlanır. U 1 ve u 2 voltajlarından biri veya her ikisi yüksek seviyeye sahipse, T 1 ve T 2 transistörlerinden biri veya her ikisi açılır ve çıkışta düşük bir seviye ayarlanır, yani, u out \u003d u 1 + u 2 uygulanmaktadır.

Statik bir durumda mantıksal bir öğe tarafından güç tüketimini dışlamak için, tamamlayıcı MDP - mantıksal öğeler (CMDP veya CMOS mantığı) kullanılır. CMOS çipleri tamamlayıcı MOSFET anahtarları kullanır. Yüksek gürültü bağışıklığı ile ayırt edilirler. CMOS mantığı çok umut verici. Daha önce düşünülen tamamlayıcı anahtar aslında bir DEĞİL öğesidir (inverter).

CMOS - mantık öğesi

OR-NOT işlevini uygulayan mantıksal bir öğe olan CMOS'u düşünün (Şekil 3.32).

Giriş voltajlarının düşük seviyeleri varsa (u 1 ve u 2, n-MOS transistör U zi. Eşik voltajının n eşik voltajından düşükse), o zaman transistörler T 1 ve T 2 kapanır, transistörler T 3 ve T 4 açık ve çıkış voltajı yüksek ... U 1 ve u 2 girişlerinden biri veya her ikisi de yüksek bir seviyeye sahipse, U z. Eşiği aşılır. n, sonra T 1 ve T 2 transistörlerinden biri veya her ikisi açılır ve T 3 ve T 4 transistörlerinden birinin veya her ikisinin kaynağı ve kapısı arasında düşük bir voltaj ayarlanır, bu da transistörler T 3 ve T 4 ve bu nedenle çıkışta düşük ayarlanır. Bu nedenle, bu eleman u out \u003d u 1 + u 2 fonksiyonunu uygular ve güç kaynağından yalnızca anahtarlandığında kısa sürelerde güç tüketir.

Entegre enjeksiyon mantığı (IIL veya I 2 L), bipolar transistörlerin kullanımına ve orijinal devre ile teknolojik çözümlerin kullanımına dayanır. Yarı iletken kristal alanının çok ekonomik kullanımı ile karakterizedir. Elemanlar I 2 L yalnızca entegre tasarımda uygulanabilir ve ayrık devrelerde analogları yoktur. Böyle bir elemanın yapısı ve eşdeğer devresi Şek. 3.33, transistör T 1'in (p-n-p) yatay olarak yerleştirildiği ve çoklu toplayıcı T 2'nin (n-p n) dikey olarak yerleştirildiği görülebilmektedir. T 1, bir enjektör rolünü oynar ve transistör T 1 vericisinden (bir sınırlama direnci yoluyla ona bir pozitif uygulandığında) transistör T 2'nin tabanına delikler sağlar. U 1, "0" mantığına karşılık gelirse, o zaman enjeksiyon çok kolektörlü transistör T 2'nin tabanından akmaz ve transistör T 2'nin kolektör devrelerindeki akımlar akmaz, yani mantık "1" transistör T 2'nin çıkışlarında ayarlanır. U 1 voltajı mantıksal "1" e karşılık geldiğinde, enjeksiyon T 2 transistörünün tabanından ve T 2 transistörünün çıkışlarından - mantıksal sıfırlardan akar.

Şekil 2'de gösterilen öğeye dayalı olarak OR-NOT öğesinin uygulanmasını düşünün. 3.34 (basitleştirmek için, çok kollektörlü transistörlerin diğer kollektörleri T 3 ve T 4 şekilde gösterilmemiştir). Girişlerden birine veya her ikisine mantıksal bir sinyal "1" uygulandığında, u çıkışı mantıksal sıfıra karşılık gelir. Her iki girişte mantık sinyalleri "0" ise, u çıkış voltajı mantıksal bir değere karşılık gelir.

Galyum arsenit GaAs'ın yarı iletkenine dayanan mantık, yüksek elektron hareketliliğinin bir sonucu olan (silikondan 3 ... 6 kat daha fazla) en yüksek yanıt hızı ile karakterize edilir. GaAs mikro devreleri, 10 GHz veya daha yüksek frekanslarda çalışabilir.

Ders. İşlemci imalatı

Mikroişlemciküçük bir silikon kristal üzerinde oluşturulmuş entegre bir devredir. Silikon, yarı iletken özelliklere sahip olması nedeniyle mikro devrelerde kullanılır: elektriksel iletkenliği dielektriklerden daha yüksek, ancak metallerden daha azdır. Silikon, hem elektrik yüklerinin hareketini engelleyen bir yalıtkan olarak hem de bir iletken olarak yapılabilir - bu durumda elektrik yükleri serbestçe içinden geçecektir. Bir yarı iletkenin iletkenliği, safsızlıklar eklenerek kontrol edilebilir.

Mikroişlemci milyonlarca transistör içeriralüminyum veya bakırdan yapılmış en ince iletkenler ile birbirine bağlanır ve veri işlemede kullanılır. İç lastikler bu şekilde oluşur. Sonuç olarak, mikroişlemci matematiksel ve mantıksal işlemlerden diğer mikro devrelerin ve tüm bilgisayarın çalışmasını kontrol etmeye kadar birçok işlevi yerine getirir.

Mikroişlemcinin ana parametrelerinden biri, zaman birimi başına işlem sayısını, sistem veriyolunun sıklığını ve dahili SRAM önbelleğinin miktarını belirleyen kristal frekansıdır. İşlemci, kristalin frekansı ile işaretlenmiştir. Kristalin frekansı, transistörlerin kapalı durumdan açık duruma geçiş frekansı ile belirlenir. Bir transistörün daha hızlı geçiş yeteneği, çiplerin yapıldığı silikon levhaları üretmek için kullanılan teknoloji tarafından belirlenir. Teknolojik sürecin boyutu, transistörün boyutunu (kalınlığı ve geçit uzunluğu) belirler.

Mikro devreler nasıl yapılır

Okul fiziği kursundan bildiğiniz gibi, modern elektronikte, entegre devrelerin ana bileşenleri yarı iletkenlerdir. p tipi ve n tipi (iletkenlik türüne bağlı olarak). Yarı iletken iletkenlikte dielektrikleri aşan, ancak metallerden daha düşük olan bir maddedir. Her iki tip yarı iletkenin temeli, saf haliyle (sözde içsel yarı iletken) elektrik akımını iyi iletmeyen silikon (Si) olabilir, ancak belirli bir safsızlığın silikona eklenmesi (sokulması) mümkün kılar. iletken özelliklerini kökten değiştirir. İki tür karışım vardır: bağışçı ve alıcı.

Donör katkısı elektronik iletkenlik tipine sahip n-tipi yarı iletkenlerin oluşumuna ve alıcı - delik tipi iletkenliğe sahip p-tipi yarı iletkenlerin oluşumuna yol açar. P- ve n-yarı iletkenlerin bağlantıları, modern mikro devrelerin ana yapısal elemanları olan transistörlerin oluşturulmasını mümkün kılar. CMOS transistörleri olarak adlandırılan bu tür transistörler, iki temel durumda olabilir: elektrik akımı ilettiklerinde açık ve elektrik akımı iletmediklerinde kapalı. CMOS transistörler, modern mikro devrelerin ana unsurları olduğundan, hadi onlar hakkında daha detaylı konuşalım.

Intel işlemcilerden bahsederken, genellikle 0.13 mikron teknolojik süreç ve daha yakın zamanda 90 nanometre teknolojik süreç gibi belirli terimler kullanırlar. Örneğin, Northwood çekirdekli yeni Intel Pentium 4 işlemcinin 0.13 mikron teknolojisi kullanılarak yapıldığını ve gelecek nesil işlemcilerin 90 nanometre teknolojik sürece dayalı olacağını söylemek gelenekseldir. Bu teknolojik süreçler arasındaki fark nedir ve işlemcilerin kendi yeteneklerini nasıl etkiler?

CMOS transistör nasıl çalışır?

En basit n tipi CMOS transistörün üç elektrodu vardır: kaynak, geçit ve drenaj... Transistörün kendisi, delik iletkenliğine sahip p tipi bir yarı iletken içinde yapılır ve drenaj ve kaynak bölgelerinde elektronik iletkenliğe sahip n tipi yarı iletkenler oluşturulur. Doğal olarak, deliklerin p bölgesinden n bölgesine difüzyonu ve elektronların n bölgesinden p bölgesine ters difüzyonu nedeniyle, tükenmiş katmanlar (çoğunluk yük taşıyıcılarının bulunmadığı katmanlar) oluşur. p- ve n-bölgelerinin geçişlerinin sınırlarında. Normal durumda, yani kapıya hiçbir voltaj uygulanmadığında, transistör "kilitli" durumdadır, yani kaynaktan drenaja akım iletemez. Drenaj ile kaynak arasına voltaj uygulasak bile durum değişmez (bu durumda, azınlık yük taşıyıcılarının üretilen elektrik alanlarının etkisi altında hareketin neden olduğu kaçak akımları dikkate almıyoruz, yani , n bölgesi için delikler ve p bölgesi için elektronlar).

Bununla birlikte, kapıya pozitif bir potansiyel uygulanırsa (Şekil 1), o zaman durum kökten değişecektir.

Şekil: 1. CMOS transistörün çalışma prensibi

Kapının elektrik alanının etkisi altında, delikler p-yarı iletkenin derinliklerine itilir ve tam tersine elektronlar kapının altındaki bölgeye çekilir ve kaynak ile drenaj arasında elektron açısından zengin bir kanal oluşturur. Geçide pozitif voltaj uygulandığında, bu elektronlar kaynaktan drenaja hareket etmeye başlar. Bu durumda, transistör akımı iletir - transistörün "açıldığını" söylerler. Kapıdan voltaj kaldırılırsa, kaynak ile drenaj arasındaki bölgeye elektronların çekilmesi durur, iletken kanal tahrip olur ve transistör akımı geçmeyi durdurur, yani "kilitlenir". Böylece, kapıda voltajı değiştirerek, devre boyunca akım geçişini kontrol ederek geleneksel bir geçiş anahtarını açıp kapatabileceğiniz gibi, transistörü açıp kapatabilirsiniz. Transistörlere bazen elektronik anahtarlar denmesinin nedeni budur. Bununla birlikte, geleneksel mekanik anahtarların aksine, CMOS transistörleri neredeyse eylemsizdir ve saniyede trilyonlarca kez açık durumdan kapalı duruma geçebilir! Bu tür en basit transistörlerden onlarca milyondan oluşan işlemcinin hızını nihayetinde belirleyen bu özellik, yani anlık anahtarlama yeteneğidir.

Dolayısıyla, modern bir entegre devre on milyonlarca en basit CMOS transistöründen oluşur.

İşte işlemcinin enine kesit görüntüsü:

Yukarıda, koruyucu işleve ek olarak, aynı zamanda bir ısı dağıtıcı görevi gören koruyucu bir metal kapak vardır - soğutucuyu kurduğumuzda termal macunla serbestçe bulaştığımız şey budur. Isı dağıtıcının altında, kullanıcının tüm görevlerini yerine getiren aynı silikon parçası bulunur. Daha da aşağıda, işlemcinin bir ana kart soketine takılabilmesi için pin çıkışı (ve "bacakların" alanını artırmak için) gerekli olan özel bir alt tabakadır.

Çipin kendisi, üzerinde 9 adede kadar metalleştirme katmanının (bakırdan yapılmış) bulunduğu silikondan oluşur - bu, tam olarak gereken düzey sayısıdır, böylece belirli bir yasaya göre, silikon üzerinde bulunan transistörleri bağlamak mümkün olacaktır. yüzey (çünkü tüm bunları aynı seviyede yapmak imkansızdır). Temel olarak, bu katmanlar, yalnızca çok daha küçük bir ölçekte bağlantı telleri olarak işlev görür; böylece "teller" birbirlerine kısa devre yapmazlar, bir oksit tabakası ile ayrılırlar (düşük dielektrik sabiti ile).

İlk aşaması silikon substratların üretimi olan mikro devrelerin üretim sürecini daha ayrıntılı olarak inceleyelim.

Adım 1. Boşlukların büyütülmesi

Adım 2. Koruyucu bir dielektrik filmin (SiO2) uygulanması

3. Adım. Photoresist'in uygulanması

4. Adım Litografi

Adım 5. Dağlama

Adım 6. Difüzyon (iyon implantasyonu)

Adım 7. Püskürtme ve biriktirme

Adım 8. Son aşama

İleri teknoloji

Mantıksal CMOS (CMOS) inverterler

Tamamlayıcı MOS transistörleri (CMOS-mikro devreler) üzerindeki mikro devreler, n ve p kanallı MOS transistörleri temelinde oluşturulur. Aynı giriş potansiyeli n-kanallı transistörü açar ve p-kanallı transistörü kapatır. Mantıksal bir birim oluşturulduğunda, üst transistör açılır ve alttaki transistör kapanır. Sonuç olarak, CMOS devresinden hiçbir akım geçmez. Mantıksal sıfır oluştuğunda, alt transistör açılır ve üstteki transistör kapanır. Ve bu durumda, güç kaynağından gelen akım mikro devreden akmaz. En basit mantık öğesi bir invertördür. tamamlayıcı MOS transistörleri üzerinde yapılan bir invertör Şekil 1'de gösterilmektedir.

Şekil 1. Tamamlayıcı MOS transistörlerinde (CMOS invertör) yapılmış bir invertörün şematik diyagramı

CMOS mikro devrelerinin bu özelliğinin bir sonucu olarak, önceden düşünülen tiplere göre bir avantaja sahiptirler - girişe uygulanan saat frekansına bağlı olarak akımı tüketirler. Bir CMOS mikro devresinin akım tüketiminin bağımlılığının, anahtarlama frekansına bağlı olarak yaklaşık bir grafiği, Şekil 2'de gösterilmektedir.

Şekil 2. Bir CMOS mikro devresinin akım tüketiminin frekansa bağımlılığı

Mantık CMOS (CMDP) öğeleri "AND"

"AND-NOT" mantıksal öğesinin şeması CMOS yongalarında, daha önce baktığımız elektronik olarak kontrol edilen anahtarlardaki basitleştirilmiş AND devresiyle neredeyse çakışıyor. Aradaki fark, yükün devrenin ortak kablosuna değil, güç kaynağına bağlı olmasıdır. Tamamlayıcı MOS transistörleri (CMOS) üzerinde yapılan "2I-NOT" mantık elemanının şematik diyagramı Şekil 3'te gösterilmektedir.

Şekil 3. Tamamlayıcı MOS transistörlerinde (CMOS) yapılmış "2I-NOT" mantık elemanının şematik diyagramı

Bu devrede üst kolda sıradan bir devre kullanılabilir, ancak düşük bir sinyal seviyesi oluştuğunda devre sürekli olarak akımı tüketecektir. Bunun yerine, yük olarak p-MOS transistörleri kullanılır. Bu transistörler dirençli bir yük oluşturur. Çıkışta yüksek bir potansiyel oluşturulması gerekiyorsa, transistörler açılır ve düşükse kapanırlar.

Şekil 2'de gösterilen CMOS mantık öğesi "VE" şemasında, güç kaynağından CMOS mikro devresinin çıkışına giden akım, girişlerden en az biri (veya aynı anda her ikisi) varsa, transistörlerden birinden geçecektir. düşük bir potansiyel (mantık seviyesi sıfır). Mantıksal CMOS elemanının "VE" her iki girişinde mantıksal bir birimin seviyesi mevcutsa, her iki p-MOS transistörü kapatılacak ve CMOS mikro devresinin çıkışında düşük bir potansiyel oluşacaktır. Bu devrede, Şekil 1'de gösterilen devrede olduğu gibi, üst kolun transistörleri açıksa alt kolun transistörleri kapanacak, dolayısıyla statik durumda akım tarafından tüketilmeyecektir. güç kaynağından CMOS mikro devresi.

CMOS mantık elemanı "2I-NOT" un geleneksel grafik temsili Şekil 4'te gösterilmektedir ve doğruluk tablosu Tablo 1'de gösterilmektedir. Tablo 1'de girişler x 1 ve x 2 olarak belirtilmiştir ve çıkış F'dir.

Şekil 4. "2I-NOT" mantıksal öğesinin koşullu grafik temsili

Tablo 1. "2I-NOT" gerçekleştiren bir CMOS mikro devresinin gerçek tablosu

x1	x2	F
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

CMOS transistörlerde yapılan "OR", elektronik kontrollü anahtarların paralel bağlanmasıdır. Daha önce tartışılan basitleştirilmiş "2OR" devresinden farkı, yükün devrenin ortak kablosuna değil, güç kaynağına bağlı olmasıdır. Bir direnç yerine, p-MOS transistörleri yük olarak kullanılır. Tamamlayıcı MOS transistörlerinde yapılan "2OR-NOT" mantık elemanının şematik diyagramı Şekil 5'te gösterilmektedir.
Şekil 5. Tamamlayıcı MOS transistörlerinde yapılan "OR-NOT" mantıksal öğesinin şematik diyagramı

CMOS mantık geçidinde "2OR-NOT", seri bağlı p-MOS transistörleri yük olarak kullanılır. İçinde, güç kaynağından CMOS mikro devresinin çıkışına giden akım, yalnızca üst koldaki tüm transistörler açıksa, yani. tüm girişler aynı anda düşük bir potansiyele sahipse (). Girişlerden en az birinin mantık-bir seviyesi varsa, CMOS transistörlerine monte edilmiş itme-çekme aşamasının üst kolu kapatılacak ve güç kaynağından gelen akım CMOS mikro devresinin çıkışına akmayacaktır. .

CMOS mikro devresi tarafından uygulanan mantıksal eleman "2OR-NOT" nun doğruluk tablosu Tablo 2'de gösterilmektedir ve bu elemanların geleneksel grafik isimleri Şekil 6'da gösterilmektedir.

Şekil 6. "2OR-NOT" öğesi

Tablo 2. "2 OR-NOT" mantıksal işlevini gerçekleştiren MOS mikro devresinin gerçek tablosu

x1	x2	F
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

Şu anda, en büyük gelişmeyi alan CMOS mikro devreleridir. Dahası, bu mikro devrelerin besleme voltajında \u200b\u200bsürekli bir düşüş eğilimi vardır. K1561 (C4000V'nin yabancı analogu) gibi ilk CMOS mikro devreleri serisi, oldukça geniş bir besleme voltajı varyasyonuna (3..18V) sahipti. Aynı zamanda, belirli bir mikro devre için besleme voltajında \u200b\u200bbir azalma ile maksimum çalışma frekansı azalır. Daha sonra, üretim teknolojisi geliştikçe, daha iyi frekans özelliklerine ve daha düşük besleme voltajına sahip CMOS mikro devrelerini iyileştirdi, örneğin SN74HC ortaya çıktı.

CMOS mikro devrelerinin kullanımının özellikleri

CMOS mikro devrelerinin ilk ve ana özelliği, bu mikro devrelerin yüksek giriş empedansıdır. Sonuç olarak, besleme voltajının yarısı da dahil olmak üzere girişinde herhangi bir voltaj indüklenebilir ve üzerinde uzun süre saklanabilir. CMOS elemanının girişine güç kaynağının yarısı uygulandığında, çıkış aşamasının hem üst hem de alt kollarındaki transistörler açılır, sonuç olarak mikro devre kabul edilemez derecede büyük bir akım tüketmeye başlar ve arızalanabilir. Çıktı: dijital CMOS mikro devrelerinin girişleri asla bağlantısız bırakılmamalıdır!

CMOS yongalarının ikinci özelliği, güç kapalıyken çalışabilmeleridir. Ancak, genellikle yanlış çalışırlar. Bu özellik, giriş aşamasının tasarımıyla ilgilidir. CMOS sürücünün tam şematik diyagramı Şekil 7'de gösterilmektedir.

Şekil 7. Bir CMOS sürücünün tam şematik diyagramı

Giriş aşamasını statik bozulmadan korumak için VD1 ve VD2 diyotları tanıtıldı. Aynı zamanda, CMOS mikro devresinin girişine yüksek bir potansiyel uygulandığında, VD1 diyotundan mikro devre güç veriyoluna geçecek ve oldukça küçük bir akım tükettiği için CMOS mikro devresi çalışmaya başlayacaktır. Ancak bazı durumlarda bu akım mikro devrelere güç sağlamak için yeterli olmayabilir. Sonuç olarak, CMOS yongası düzgün çalışmayabilir. Çıktı: cMOS mikro devresi düzgün çalışmıyorsa, mikro devrenin güç kaynağını dikkatlice kontrol edinözellikle dava açar. Negatif besleme terminali kötü lehimlenirse, potansiyeli, devrenin ortak telinin potansiyelinden farklı olacaktır.

CMOS mikro devrelerinin dördüncü özelliği, sıfırdan tekliye geçtiğinde ve bunun tersi olduğunda güç devresinden darbe akımının akışıdır. Sonuç olarak, TTL mikro devrelerinden CMOS analog mikro devrelere geçerken, gürültü seviyesi keskin bir şekilde artar. Bazı durumlarda, bu önemlidir ve CMOS mikro devrelerinin kullanımını BICMOS veya mikro devreler lehine terk etmek gerekir.

CMOS mantık seviyeleri

CMOS mikro devrelerinin mantık seviyeleri,. Yük akımının yokluğunda, CMOS mikro devresinin çıkışındaki voltaj, besleme voltajı (bir mantık seviyesi) veya ortak telin potansiyeli (sıfır mantık seviyesi) ile çakışır. Yük akımındaki bir artışla mantıksal birimin voltajı, besleme voltajından 2.8V'a (U p \u003d 15V) düşebilir. Beş voltluk bir güç kaynağına sahip bir dijital CMOS mikro devresinin (bir dizi mikro devre K561) çıkışındaki izin verilen voltaj seviyesi, Şekil 8'de gösterilmektedir.

Şekil 8. Dijital CMOS mikro devrelerinin çıkışındaki mantıksal sinyal seviyeleri

Daha önce de belirtildiği gibi, dijital bir mikro devrenin girişindeki gerilime genellikle çıkışa kıyasla geniş bir aralıkta izin verilir. CMOS için mikro devreler% 30 hisse senedi üzerinde anlaştı. Beş voltluk bir güç kaynağına sahip CMOS mikro devreleri için mantıksal sıfır ve bir seviyelerinin sınırları Şekil 9'da gösterilmektedir.

Şekil 9. Dijital CMOS mikro devrelerinin girişindeki mantıksal sinyal seviyeleri

Besleme gerilimi düştüğünde, mantıksal sıfır ve mantıksal birliğin sınırları aynı şekilde belirlenebilir (besleme gerilimini 3'e bölün).

CMOS aileleri

İlk CMOS mikro devrelerinin girişinde koruyucu diyotlar yoktu, bu yüzden kurulumları çok zordu. Bu, K172 serisi mikro devrelerin bir ailesidir. K176 serisinin bir sonraki geliştirilmiş CMOS yongaları ailesi bu koruma diyotlarını aldı. Günümüzde oldukça yaygındır. K1561 serisi, ilk nesil CMOS yongalarının gelişimini tamamlar. Bu ailede 90 ns hıza ve 3 ... 15V besleme gerilimi aralığına ulaşıldı. Yabancı ekipman şu anda yaygın olduğu için, bu CMOS mikro devrelerinin yabancı bir analogunu vereceğim - C4000V.

CMOS mikro devrelerinin bir başka gelişimi de SN74HC serisidir. Bu mikro devrelerin yerli karşılığı yoktur. 27 ns hıza sahiptirler ve 2 ... 6 V voltaj aralığında çalışabilirler. Pinout ve fonksiyonel serilerde çakışırlar, ancak mantıksal seviyelerde uyumlu değildirler, bu nedenle aynı zamanda CMOS çipleri ile uyumludurlar. SN74HCT serisinin (yerli analog - K1564) TTL mikro devreleri ve mantık seviyeleri ile uyumlu olarak geliştirilmiştir.

Şu anda, üç voltluk bir güç kaynağına geçiş oldu. Bunun için SN74ALVC CMOS mikro devreleri 5.5 ns sinyal gecikme süresi ve 1.65 ... 3.6 V besleme aralığı ile geliştirildi. Aynı mikro devreler 2,5 voltluk bir besleme ile çalışabilir. Bu durumda, sinyal gecikme süresi 9 ns'ye çıkar.

En umut verici CMOS mikro devreleri ailesinin şu anda 1,9 ns sinyal gecikme süresi ve 0,8 ... 2,7 V güç kaynağı aralığı ile SN74AUC ailesi olduğu düşünülmektedir.