Импульсные устройства. Основные понятия и определения импульсной техники. Электронные ключи. Интегральные логические схемы, страница 30

Потребляемая мощность достаточно высока и превышает величину, определённую при анализе переключателя тока, вследствие наличия дополнительных энергопотребляющих элементов схемы, в первую очередь, эмиттерных повторителей.

Уменьшение времени  задержки до величин, меньших  1 нс, несмотря на совершенствование технологии всё же достигается увеличением потребляемой мощности.

Пример зарубежной схемы МС10ЕР с рекордным показателем 0,17 нс  демонстрирует прямую пропорциональность возрастания потребляемой мощности с уменьшением достигаемой задержки. Общим недостатком ЭСЛ следует считать малую помехоустойчивость, но в отношении внутренних помех  это компенсируется малым уровнем логического перепада.

3.6. Интегральные логические схемы на МДП – транзисторах

Обширный класс интегральных микросхем, в том числе ИЛС, составляют ключевые схемы, использующие транзисторы, изготовленные по технологии металл – диэлектрик – полупроводник (МДП или МОП, если диэлектриком является окисел). Свойства МДП – транзисторов существенно отличаются  от биполярных, что  определяет отличие технических показателей МДП ключевых и логических схем.

3.6.1. Основные характеристики МДП – транзисторов. МДП   транзисторы являются униполярными приборами:  ток в канале от истока к стоку образуется основными носителями материала, соответственно существуют МДП транзисторы  и  типов. Процессы диффузии в МДП – транзисторах отсутствуют. Ток в канале является током проводимости, поэтому существует понятие: сопротивление канала.

Различаются две группы МДП – транзисторов: с встроенным каналом и с индуцированным. В приборах с встроенным каналом ток от истока к стоку существует при нулевом напряжении на управляющем электроде – затворе.           Для МДП – транзисторов с индуцированным каналом для образования канала необходимо подать на затвор относительно истока напряжение  величиной в несколько вольт положительной полярности для канала типа, и  отрицательной  для  канала. Тогда при увеличении (по модулю) напряжения   ток канала () возрастает, как показано на рис.3.19, примерно пропорционально . 

Рис.3.19

На рис.3.19  приведены типичные зависимости , которые показывают, что крутизна характеристик  МДП – транзисторов составляет доли миллиампера/вольт, что существенно меньше, чем для биполярных транзисторов (или электронных ламп).  Обратная величина крутизны  представляет сопротивление канала, которое   согласно рис.3.19  составляет около 10 ком.

Поскольку ток в канале МДП – транзисторов является током проводимости, время пролёта канала, длина которого в современных схемах может быть около 1 микрометра,  составляет  десятки пикосекунд. Поэтому быстродействие ключевых МДП – схем определяется только временем перезаряда паразитных ёмкостей. Постоянная времени этого процесса есть произведение сопротивления канала на величину емкости. В каждом ключевом каскаде паразитная ёмкость складывается из ёмкостей затвор-сток, затвор – исток, исток – сток и ёмкости нагрузки, включающей ёмкость соединений.  При приведенной оценке сопротивления канала  кОм  суммарная ёмкость в 1 пФ определяет постоянную времени заряда и длительность переключения как  нс. Это является основным фактором ограничения быстродействия МДП – схем.

Паразитные ёмкости пропорциональны площадям элементов интегральных схем с коэффициентом  . В рассмотренном примере суммарную ёмкость следует разделить на 3-4 элемента интегральной схемы, в результате на каждый элемент приходится ёмкость примерно 0.3 пФ, что соответствует площади элемента . Линейный размер такого элемента 45 мкм соответствует уровню технологии МДП интегральных схем среднего уровня интеграции  80-х годов.

Для снижения длительности переключения до 1 нс требуется снижение паразитных ёмкостей в 25 раз, т.е. линейных размеров элементов  в раз, следовательно, требуется МДП технология с размером элементов интегральных схем в 9 микрометров.  Приведенные оценочные примеры обладают достаточной обобщенностью, поскольку показывают связь возможностей схемотехники МДП с достижимой точностью технологии.