Caracteristicile microcircuitelor CMOS cu tranzistoare cu efect de câmp. Porți logice CMOP

Pentru proiectarea circuitelor integrate digitale, pe lângă tranzistoarele bipolare pnp și pnp, se mai folosesc și tranzistoarele unipolare cu efect de câmp și canal (Fig. 5.17a), care se numesc tranzistori MOS (MOS - Metal-Oxide-Semiconductor - metal-oxide-semiconductor) ). În general, un tranzistor cu efect de câmp are patru electrozi: sursa S (Sursă), drenaj D (Drain), poarta G (Gate) și substrat SS (Substrate). Terminalul de poartă din imaginea FET este deplasat mai aproape de terminalul sursă. Imaginea canalului cu o linie întreruptă îmbogățită simbolizează absența conducției între dren și sursă la tensiunea poarta-sursă zero. În fig. 5.17, iar simbolurile „+” și „-” indică polaritatea tensiunilor de pe electrozi pentru funcționarea normală a tranzistorului cu efect de câmp. Substratul este de obicei conectat la sursă sau la unul dintre polii sursei de alimentare.

În fig. 5.17.6 prezintă un circuit pentru conectarea unei perechi de tranzistoare complementare (tranzistoare cu diferite tipuri de canale), care este un comutator electronic - invertor (LE NOT). O caracteristică a acestui comutator este absența curentului prin tranzistoare în stare statică, deoarece la orice valoare a semnalului de intrare unul dintre tranzistoarele conectate în serie este închis. Comutatorul consumă curent numai atunci când este comutat în intervalul de timp în care se modifică semnalul de intrare. La acest interval ambele tranzistoare

deschis, deoarece semnalul de intrare are valori duce la diferențe de tensiune între porțile și sursele tranzistoarelor de canal, semnificativ diferite de zero. Cel mai mare curent circulă la

Tranzistoarele cu efect de câmp fac posibilă construirea nu numai de comutatoare digitale, ci și analogice pentru comutarea semnalelor analogice bipolare, ceea ce nu poate fi realizat cu tranzistoarele bipolare. În fig. 5.17,c arată elementul principal al unui astfel de comutator analogic (în loc de potențialul de masă pentru comutarea semnalelor bipolare, ar trebui aplicată o tensiune negativă. La valori, ambele tranzistoare sunt închise (rezistența cheii private este rotativă; cheia este deschis, iar când unul dintre tranzistori se deschide, în funcție de polaritatea tensiunii de intrare comutate. În acest caz, rezistența dintre polii comutatorului variază de la unități la sute de ohmi, în funcție de tip (rezistența întrerupător deschis).Cu cât dependența de tensiune a semnalului comutat este mai mică, cu atât liniaritatea cheii este mai mare.La proiectarea comutatoarelor analogice, se iau măsuri pentru îmbunătățirea liniarității acestora.Intrarea și ieșirea comutatorului analogic indistinguibile - intrarea va fi polul comutatorului la care este aplicat semnalul comutat.

Au fost dezvoltate trei tehnologii principale pentru fabricarea circuitelor integrate de tranzistori cu efect de câmp:

tehnologia MOS (tehnologia n-MOS),

tehnologia MOS tehnologia p-MOS),

Tehnologia CMOS Tehnologia CMOS; CMOS - MOS complementar).

Toate aceste tehnologii sunt în mod constant îmbunătățite pentru a crește viteza și gradul de integrare a elementelor de pe cip. Până în prezent, au fost dezvoltate câteva zeci de aceste tehnologii.

Proiectarea circuitului CMOS IC. Primele serii CMOS IC au fost dezvoltate de companie în 1968, apoi a fost lansată o serie, care a fost înlocuită ulterior de o serie cu caracteristici îmbunătățite.Aceste serii IC sunt produse de multe companii străine, de exemplu, seriale seriale seriale etc. General

Dezavantajul circuitelor integrate din toate aceste serii este viteza lor scăzută (timpul de întârziere a semnalului ajunge la sute de milisecunde) și valorile scăzute ale curenților de ieșire.

În 1981, Motorola și National Semiconductor au dezvoltat circuite integrate în serie care sunt apropiate ca parametri fizici de serie. În special, performanța acestor serii CMOS și TTL este aceeași (timpul mediu de întârziere al porții nu este). Performanțe și mai mari au fost obținute în seria CMOS dezvoltată în 1985 de Texas Instruments Inc. (). Proprietățile pozitive atât ale CI TTL, cât și ale CI CMOS au fost implementate de companie în circuitele integrate din seria VST (1987), fabricate folosind tehnologia BiCMOS, o tehnologie cu plasarea tranzistoarelor bipolare și CMOS pe același cip cu niveluri de semnale IC de intrare și ieșire. compatibil cu nivelurile TTL).

În tabel 5.9 arată corespondența dintre seriile interne și străine de circuite integrate CMOS. Tensiunea de alimentare a unui circuit integrat CMOS poate fi variată în limite largi - cu cât tensiunea de alimentare este mai mare, cu atât CI va funcționa mai repede. În ceea ce privește funcțiile îndeplinite și (sau) numerotarea pinului, circuitele integrate din seria 4000 diferă în mare parte de circuitele integrate TTL cu scopuri funcționale similare. Gama funcțională a seriei IC include o parte din circuitele integrate ale seriei TTL 54/74 și ale seriei CMOS cu aceleași numere în toate aceste serii au același scop funcțional și numerotare pin).

În fig. 5.18, a prezintă circuitele de protecție cu diode ale intrărilor și ieșirilor LE de la tensiunea electrostatică pentru seria IC a în Fig. 5.18.6 - pentru seria IC Toate circuitele integrate digitale au o astfel de protecție a intrărilor și ieșirilor, cu excepția convertoarelor de nivel de tensiune care utilizează o versiune diferită a protecției intrării (Fig. 5.19). Cu prima versiune de protecție de intrare, nivelurile semnalului de intrare nu ar trebui să depășească tensiunea de alimentare din cauza deschiderii diodei conectate între intrare și pol. Cu a doua opțiune de protecție, nivelurile semnalului de intrare pot fi de câteva ori mai mari decât valoare fără a deteriora circuitul integrat (excesul de tensiune este stins printr-un rezistor). În acest caz, IC-ul acționează ca un convertor descendente logic 1. Circuitul de intrare oferă, de asemenea, protecție împotriva tensiunilor negative de intrare. ÎN

(vezi scanare)

În cele ce urmează, circuitele de protecție de intrare și ieșire, de regulă, nu vor fi afișate.

Diferența dintre serii (Fig. 5.19,a) și (Fig. 5.19,6) este prezența unor buffer-uri suplimentare la ieșirile CI ale acestuia din urmă pentru a decupla CI de mediul extern. În locul seriei, se produce în prezent o serie cu ieșiri fără tampon, care are parametri electrici similari (UB - Unbuffered, B - Buffered). Prezența unor buffer-uri de ieșire suplimentare în seria CD40005 duce la o creștere a întârzierilor semnalului în LE, dar îmbunătățește caracteristicile de comutare. Caracteristicile comparative ale acestor serii sunt prezentate în tabel. 5.10.

Tabelul 5.10. (vezi scanarea) Parametrii circuitelor integrate din seria CD4000B și CD4000UB

Implementarea comutatorului analogic este prezentată în Fig. 5.20. Când valoarea semnalului este OE = 1 (OE - Output Enable), cheia este deschisă și când este închisă. În starea închisă, comutatorul este caracterizat de o impedanță de ieșire ridicată și se obișnuiește să spunem că ieșirea este în starea Z. În loc de

potențialul de masă, puteți aplica o tensiune negativă, dar condiția trebuie îndeplinită

Circuitul cu două intrări este prezentat în Fig. 5.21. Etapa de ieșire pe două tranzistoare complementare este o etapă tampon, deoarece izolează toate conexiunile interne de la ieșirea LE. Diferența dintre seria netamponată și cea tamponată este clar vizibilă din Fig. 5.22, unde sunt prezentate care îndeplinesc aceleași funcții.Un alt proiect de circuit al LE 2I-NE este prezentat în Fig. 5.23.

Un set universal de elemente, format din două perechi complementare de tranzistoare MOS și un invertor, este implementat în (Fig. 5.24). Acest kit permite utilizatorului să utilizeze conexiuni externe IC pentru a obține comutatoare analogice și

comutator analogic cu două canale (Fig. 5.25) - pinii 2 și 9 sunt conectați; 4 și 11; 3 și 6; 8, 10 și 13; 1, 5 și 12;

trei invertoare - conectați pinii 2, 11 și 14; 4, 7 și 9; 8 și 13 (ieșire NU cu intrarea 6); 1 și 5 (ieșire NU cu intrarea 3); 10 - intrare ieșire NU;

3SAU-NU - conectați pinii 4, 7 și 9; și 11; 5, 8 și 12 (ieșire LE cu intrările 3, 6 și 10);

3I-NOT - conectați pinii 2, 11 și 14; 4 și 8; 5 și 9; 1, 12 și 13 (ieșire LE cu intrările 3, 6 și 10);

LE, care implementează funcția de conectare a pinilor 2 și 14; 4, 8 și 9; 1 și 11; 5, 12 și 13 (ieșire

LE, care implementează funcția de conectare a pinilor 2 și 14; 7 și 9; 4 și 8; 1, 11 și 13; 5 și 12 (ieșire ;

invertor cu ieșire în stare Z care îndeplinește funcția

Starea de ieșire la și Z la pinii de conectare 8, 11 și 13;

În comparație cu circuitele integrate TTL, trebuie remarcate următoarele avantaje ale circuitelor integrate CMOS din seria 4000 (seria 561 și 1561):

consum redus de energie în intervalul de frecvență până la (în modul static, consumul de energie este pe supapă);

interval mare de tensiune de alimentare, puteți utiliza o sursă de alimentare nestabilizată; impedanță de intrare foarte mare (capacitate mare de încărcare la frecvențe de până la

dependență scăzută a caracteristicilor de temperatură. Dezavantajele circuitelor integrate CMOS din seria 4000 (seria 561 și 1561) includ:

rezistență crescută de ieșire (0,5 ... 1 kOhm); influență mare a capacității de sarcină și a tensiunii de alimentare asupra timpului de întârziere, a duratei marginilor și a consumului de energie;

timpi mari de întârziere și durata fronturilor; gamă largă de toți parametrii.

Graficele disipării puterii în funcție de frecvență pentru circuitele integrate CMOS și TTL se intersectează la o anumită frecvență, deoarece puterea dinamică a circuitelor integrate TTL depinde foarte puțin de frecvența de comutare. La frecvențele maxime admise, consumul de energie al unui circuit integrat CMOS este de același ordin cu cel al unui circuit integrat TTL.

În modul static (fără suprasarcină), nivelurile semnalului de ieșire ale unui IC CMOS diferă semnificativ de nivelurile unui IC CMOS, spre deosebire de valorile tipice.Cerințele pentru nivelurile semnalului de intrare diferă și ele semnificativ: pentru un IC CMOS, spre deosebire de ,2 V pentru TTL BC. Acest lucru cauzează anumite dificultăți atunci când utilizați TTL și nivel într-un singur dispozitiv.

Metodele de coordonare a nivelurilor vor fi discutate în § 5.6.

Seria produce două tipuri de circuite integrate CMOS: serii care nu sunt corelate la intrare cu circuitele integrate TTL și serii care sunt potrivite la intrare cu circuitele integrate TTL (care nu necesită o conversie de nivel suplimentară). Aceste serii diferă în implementarea circuitelor de intrare și ieșire ale CI, prezentate în Fig. 5.26, iar pentru seria IC din Fig. 5.26, b - pentru seria IC din Fig. 5.27 - pentru seria IC și în Fig. 5.28 - pentru seria IC Pragurile de comutare pentru seria IC sunt între , iar pentru seria IC pragul de comutare este egal cu cerințele pentru nivelurile semnalului de intrare specificate de inegalități

Imunitatea la zgomot a seriei IC este dată în tabel. 5.11, din care se poate observa că este semnificativ mai mare decât cel al seriei TTL (vezi Tabelul 5.5). Valorile limită ale parametrilor CI din aceste serii sunt indicate în tabel. 5.12 și condițiile de funcționare recomandate

(vezi scanare)

În tabel 5.13.

Circuitele integrate din seria CMOS, având aceleași numere (pentru CI străine) sau aceleași denumiri alfanumerice (pentru CI autohtone, separat în grupuri de seriile 176/561/564/1561 și 1564/1554), îndeplinesc aceleași funcții și coincid în dispunerea pinilor externi. În viitor, în desenele pentru circuitele integrate din seria CMOS, va fi indicat numele circuitului integrat al unei singure serii specifice, deși CI similare pot fi în alte serii.

Orez. 5.29 (vezi scanare)

În fig. 5.29 prezintă LE AND-NOT, AND, NOT, OR-NOT și suma modulo doi, produsă de industria autohtonă. Simbolurile grafice indică numărul de analogi ale circuitelor integrate străine. Elementele logice ale seriei 176 sunt prezentate în Fig. 5.30. Aplicația a fost discutată mai sus când s-a descris analogul său străin: perechi complementare de tranzistoare, poarta G, drenuri de tranzistori cu canal p și canal n, surse SP și SN

(click pentru a vizualiza scanarea)

tranzistoare cu canal p și canal n). LE străine, care în prezent nu au analogi autohtoni, sunt prezentate în Fig. 5.31 și 5.32.

Orez. 5.32 (vezi scanare)

Parametrii IC din seria CMOS sunt prezentați în tabel. , și în tabel. A2.3 - parametrii circuitelor integrate din seria 4000, care ar trebui să fie luați în considerare în primul rând la proiectarea dispozitivelor digitale și cu microprocesor. Parametrii seriilor IC domestice 176, 561 și 1561 pot fi găsiți în cărțile de referință, iar seria IC 1554 - in. Material de referință util despre circuitele integrate din seria CMOS este disponibil la.

Circuite integrate din seria 54.AC11000/74.AC11000.

Pentru a reduce nivelul de zgomot în circuitele integrate CMOS de mare viteză care apare la comutarea LE, este de preferat să folosiți o locație centrală a pinii de alimentare pe

cip, iar ieșirile IC ar trebui să fie situate pe partea în care se află pinul comun de alimentare (GND). Compania a lansat o serie în care numărul AND indică locația centrală a pinii de alimentare IC, iar numerele indică numărul de serie al IC, ca în cealaltă serie. 5.33 arată LE-ul acestor serii.

Circuite integrate din seria SN54BCT/SN74BCT.

După cum sa menționat mai sus, circuitele integrate ale acestor serii sunt fabricate folosind tehnologia BiMOS. Circuitele de intrare ale CI sunt realizate conform circuitului prezentat în Fig. 5.34a, ceea ce face ca intrările acestor circuite integrate să fie compatibile cu nivelurile semnalului de intrare TTL.

Sistemele cu microprocesor utilizează un număr mare de drivere de magistrală și transceiver și, în orice moment, transceiver-ul sau driverul unui singur dispozitiv extern este în stare activă, iar restul sunt în starea Z. Driverele și transceiverele, implementate folosind tehnologii TTL, consumă curent în starea Z a ieșirilor de același ordin ca și în starea activă a ieșirilor, deși nu efectuează cea mai mare parte a muncii utile.

Scopul principal al dezvoltării IC-urilor BiMOS a fost reducerea drastică a consumului de curent în starea Z al ieșirilor IC destinate proiectării dispozitivelor externe ale sistemelor cu microprocesoare. În fig. arată circuitul - starea ieșirii, realizată folosind tehnologia BiMOS, circuitul de intrare prezentat în Fig. 5.34, a).

Intrări IC neutilizate.

Când proiectați dispozitive digitale pe circuite integrate, nu toate intrările acestora pot fi utilizate. Pe baza logicii de funcționare a dispozitivului în curs de dezvoltare, la aceste intrări ar trebui aplicat fie nivelul logic 0, fie nivelul 1. Nivelul logic 0 atât în circuitele integrate TTL, cât și în CMOS este furnizat prin conectarea unei intrări neutilizate la carcasă. Nivelul logic 1 este furnizat. la intrările neutilizate conectându-le la o sursă de tensiune de alimentare (TTL IC) sau (CMOS IC), cu toate acestea, intrările circuitelor integrate TTL din seria 54/74, care folosesc tranzistori multi-emițător, se recomandă să fie conectate la sursa de alimentare. printr-un rezistor de limitare a curentului pentru a proteja împotriva supratensiunii care apar, de exemplu, atunci când alimentarea este pornită.

Orez. 16.10.

Diferența fundamentală dintre circuitele CMOS și tehnologia nMOS este absența rezistențelor active în circuit. La fiecare intrare a circuitului este conectată o pereche de tranzistoare cu un tip diferit de canal. Tranzistoarele cu un canal de tip p sunt conectate de substrat la sursa de alimentare, astfel încât formarea unui canal în ele va avea loc atunci când diferența de potențial dintre substrat și poartă este suficient de mare, iar potențialul de la poartă trebuie să fie negativ raportat la substrat. Această stare este asigurată prin aplicarea potențialului de masă la poartă (adică 0 logic). Tranzistoarele cu un canal de tip n sunt conectate de substrat la masă, astfel încât formarea unui canal în ele va avea loc atunci când un potențial de sursă de energie este aplicat la poartă (adică 1 logic). Aplicarea simultană a unui zero logic sau a unuia logic unor astfel de perechi de tranzistoare cu diferite tipuri de canale duce la faptul că un tranzistor al perechii va fi neapărat deschis, iar celălalt închis. Astfel, sunt create condiții pentru conectarea ieșirii fie la o sursă de alimentare, fie la masă.

Deci, în cel mai simplu caz, pentru circuitul invertorului (Fig. 16.10) la A = 0, tranzistorul VT1 va fi deschis și VT2 va fi închis. În consecință, ieșirea circuitului F va fi conectată prin canalul VT1 la sursa de alimentare, care corespunde stării logice: F=1. La A=1, tranzistorul VT1 va fi închis (poarta și substratul au aceleași potențiale), iar VT2 va fi deschis. Prin urmare, ieșirea circuitului F va fi conectată prin canalul tranzistorului VT2 la masă. Aceasta corespunde unei stări logice zero: F=0.

Adăugarea logică (Fig. 16.11) se realizează prin conectarea în serie a canalelor p ale tranzistoarelor VT1 și VT2. Când este furnizată cel puțin o unitate, nu se formează un singur canal pentru acești tranzistori. În același timp, datorită conexiunii paralele a VT3 și VT4, tranzistorul corespunzător din partea de jos a circuitului este deschis, asigurând conectarea ieșirii F la masă. Se dovedește că F=0 când se aplică cel puțin un 1 logic - aceasta este regula SAU-NU.

Orez. 16.11.

Funcția NAND este realizată printr-o conexiune paralelă a VT1 și VT2 în partea superioară a circuitului și o conexiune serială a VT3 și VT4 în partea inferioară (Fig. 16.12). Dacă se aplică zero la cel puțin o intrare, un singur canal pe VT3 și VT4 nu va fi format, ieșirea va fi deconectată de la masă. În același timp, cel puțin un tranzistor din partea superioară a circuitului (la poarta căruia se aplică un zero logic) va asigura conectarea ieșirii F la sursa de alimentare: F = 1 când se aplică cel puțin un zero. - regula SI-NU.

Orez. 16.12.

Rezumat scurt

În funcție de baza elementului, există diferite tehnologii de producție IC. Principalele sunt TTL pe tranzistoarele bipolare și nMOS și CMOS activate tranzistoare cu efect de câmp.

Termeni cheie

tehnologia nMOS tranzistoare cu efect de câmp cu un canal indus de tip n.

tampon cu 3 stări– partea de ieșire a circuitului TTL, oferind posibilitatea trecerii la a treia stare, de înaltă impedanță.

Tehnologia CMOS- Tehnologia de producție IC bazată pe tranzistoare cu efect de câmp cu canale de ambele tipuri de conductivitate electrică.

Colector deschis– o opțiune pentru implementarea părții tampon a elementelor TTL fără rezistor în circuitul de sarcină, care este îndepărtată în afara circuitului.

Circuite de sarcină rezistivă– Circuite TTL în care starea circuitului tampon este determinată de starea nu a unuia, ci a două tranzistoare.

Logica tranzistor-tranzistor– tehnologie pentru producerea de circuite integrate bazate pe tranzistoare bipolare.

Abrevieri acceptate

CMOS - complementar, metal, oxid, semiconductor

Trusa de antrenament

Exerciții pentru curs 16

Exercitiul 1

Opțiunea 1 pentru exercițiul 1.Desenați un circuit al unui element NOR cu 3 intrări folosind tehnologia nMOS.

Opțiunea 2 pentru exercițiul 1.Desenați un circuit al unui element NAND cu 3 intrări folosind tehnologia nMOS.

Opțiunea 3 pentru exercițiul 1.Desenați un circuit al unui element NOR cu 4 intrări folosind tehnologia nMOS.

Exercițiul 2

Opțiunea 1 pentru exercițiul 2.Desenați un circuit al unei porți NOR cu 3 intrări folosind tehnologia CMOS.

Opțiunea 2 pentru exercițiul 2.Desenați un circuit al unei porți NAND cu 3 intrări folosind tehnologia CMOS.

Opțiunea 3 pentru exercițiul 2.Desenați un circuit al unei porți NOR cu 4 intrări folosind tehnologia CMOS.

Exercițiul 3

Opțiunea 1 pentru exercițiul 3.Desenați un circuit al unui element NOR cu 3 intrări folosind tehnologia TTL.

Opțiunea 2 pentru exercițiul 3.Desenați o diagramă a unui element NAND cu 3 intrări folosind tehnologia TTL.

Opțiunea 3 pentru exercițiul 3.Desenați un circuit al unui element NOR cu 4 intrări folosind tehnologia TTL.

Exercițiul 4

Opțiunea 1 pentru exercițiul 4.Desenați un circuit al unui element SAU cu 3 intrări folosind tehnologia nMOS.

Opțiunea 2 pentru exercițiul 4.Desenați un circuit al unui element AND cu 3 intrări folosind tehnologia nMOS.

Opțiunea 3 pentru exercițiul 4.Desenați un circuit al unui element SAU cu 4 intrări folosind tehnologia nMOS.

Exercițiul 5

Opțiunea 1 pentru exercițiul 5.Desenați circuitul unei porți SAU cu 3 intrări folosind tehnologia CMOS.

Opțiunea 2 pentru exercițiul 5.Desenați o schemă de circuit a unui element AND cu 3 intrări folosind tehnologia CMOS.

Opțiunea 3 pentru exercițiul 5.Desenați circuitul unei porți SAU cu 4 intrări folosind tehnologia CMOS.

Exercițiul 6

Opțiunea 1 pentru exercițiul 6.Desenați un circuit al unui element SAU cu 3 intrări folosind tehnologia TTL.

Opțiunea 2 pentru exercițiul 6.Desenați un circuit al unui element AND cu 3 intrări folosind tehnologia TTL.

Opțiunea 3 pentru exercițiul 6.Desenați un circuit al unui element SAU cu 4 intrări folosind tehnologia TTL.

Exercițiul 7

Opțiunea 1 pentru exercițiul 7.Desenați o diagramă a unui element 2I-OR-NU folosind tehnologia TTL.

Opțiunea 2 pentru exercițiul 7.Desenați o diagramă a unui element 2I-OR-NOT folosind tehnologia CMOS.

Opțiunea 3 pentru exercițiul 7.Desenați o diagramă a unui element 2ȘI-SAU-NU folosind tehnologia nMOS.

Exercițiul 8

Opțiunea 1 pentru exercițiul 8.Desenați un circuit al unei porți NOR cu 3 intrări cu un buffer cu 3 stări.

Opțiunea 2 pentru exercițiul 8.Desenați circuitul unei porți NAND cu 3 intrări cu un colector deschis.

Opțiunea 3 pentru exercițiul 8.Desenați un circuit al unei porți SAU cu 3 intrări cu un buffer în 3 stări.

Invertoare logic CMOS (CMOS).

Microcircuitele bazate pe tranzistoare MOS complementare (microcircuite CMOS) sunt construite pe baza tranzistoarelor MOS cu canale n și p. Același potențial de intrare deschide un tranzistor cu canal n și închide un tranzistor cu canal p. Când se formează unul logic, tranzistorul superior este deschis, iar cel inferior este închis. Ca rezultat, nici un curent nu trece prin circuitul CMOS. Când se formează un zero logic, tranzistorul inferior este deschis, iar cel superior este închis. Și în acest caz, nu curge nici un curent de la sursa de alimentare prin microcircuit. Cel mai simplu element logic este un invertor. un invertor realizat pe tranzistoare MOS complementare este prezentat în figura 1.

Figura 1. Schema schematică a unui invertor realizat pe tranzistoare MOS complementare (invertor CMOS)

Ca urmare a acestei caracteristici a microcircuitelor CMOS, acestea au un avantaj față de tipurile discutate anterior - consumă curent în funcție de frecvența de ceas aplicată la intrare. Un grafic aproximativ al consumului de curent al unui cip CMOS în funcție de frecvența de comutare este prezentat în Figura 2.

Figura 2. Dependența consumului de curent al unui cip CMOS de frecvență

Porți logice CMOS (CMDP) „ȘI”

Diagrama elementelor logice „NAND” pe cipurile CMOS coincide practic cu circuitul simplificat „ȘI” pe comutatoarele controlate electronic, pe care l-am examinat mai devreme. Diferența este că sarcina este conectată nu la firul comun al circuitului, ci la sursa de alimentare. O diagramă schematică a unui element logic „2I-NOT” realizat pe tranzistoare MOS complementare (CMOS) este prezentată în Figura 3.

Figura 3. Schema schematică a unui element logic 2I-NOT realizat pe tranzistoare MOS complementare (CMOS)

În acest circuit, ar fi posibil să se utilizeze unul obișnuit în brațul superior, cu toate acestea, atunci când se generează un nivel scăzut de semnal, circuitul ar consuma constant curent. În schimb, tranzistorii p-MOS sunt utilizați ca sarcină. Acești tranzistori formează o sarcină activă. Dacă este necesar să se genereze un potențial ridicat la ieșire, atunci tranzistoarele se deschid, iar dacă este scăzut, atunci se închid.

În circuitul elementului logic CMOS „ȘI” prezentat în Figura 2, curentul de la sursa de alimentare la ieșirea microcircuitului CMOS va trece printr-unul dintre tranzistori dacă cel puțin una dintre intrări (sau ambele simultan) are un potențial scăzut (nivel logic zero). Dacă un nivel logic este prezent la ambele intrări ale elementului logic „ȘI” CMOS, atunci ambele tranzistoare p-MOS vor fi închise și se va forma un potențial scăzut la ieșirea microcircuitului CMOS. În acest circuit, precum și în circuitul prezentat în figura 1, dacă tranzistoarele din partea superioară sunt deschise, atunci tranzistoarele din partea inferioară vor fi închise, prin urmare, într-o stare statică, cipul CMOS nu va consuma curent. de la sursa de alimentare.

O reprezentare schematică a unei porți CMOS 2NAND este prezentată în Figura 4, iar tabelul de adevăr este dat în Tabelul 1. În Tabelul 1, intrările sunt desemnate x 1 și x 2, iar ieșirea este F.

Figura 4. Reprezentarea grafică simbolică a elementului logic „2ȘI-NU”

Tabelul 1. Tabelul de adevăr al unui cip CMOS care efectuează „2NAND”

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

„OR”, realizat pe tranzistoare CMOS, este o conexiune paralelă a comutatoarelor controlate electronic. Diferența față de circuitul simplificat „2OR” discutat mai devreme este că sarcina este conectată nu la firul comun al circuitului, ci la sursa de alimentare. În loc de un rezistor, tranzistorii p-MOS sunt utilizați ca sarcină. O diagramă schematică a unui element logic „2OR-NOT” realizat pe tranzistoare MOS complementare este prezentată în Figura 5.

Figura 5. Schema schematică a unui element logic „OR-NOT”, realizat pe tranzistoare MOS complementare

Circuitul de poartă CMOS 2OR-NOT utilizează tranzistori p-MOS conectați în serie ca sarcină. În ea, curentul de la sursa de alimentare va curge la ieșirea microcircuitului CMOS numai dacă toate tranzistoarele din partea superioară sunt deschise, adică. dacă un potențial scăzut () este prezent la toate intrările simultan. Dacă cel puțin una dintre intrări are un nivel logic, atunci brațul superior al etapei push-pull asamblate pe tranzistoare CMOS va fi închis și niciun curent de la sursa de alimentare nu va curge la ieșirea microcircuitului CMOS.

Tabelul de adevăr al elementului logic „2OR-NOT”, implementat de un microcircuit CMOS, este prezentat în Tabelul 2, iar denumirea grafică a acestor elemente este prezentată în Figura 6.

Figura 6. elementul „2SAU-NU”

Tabelul 2. Tabelul de adevăr al unui cip MOS care efectuează funcția logică „2OR-NOT”

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

În prezent, microcircuitele CMOS sunt cele care au primit cea mai mare dezvoltare. Mai mult, există o tendință constantă de reducere a tensiunii de alimentare a acestor microcircuite. Prima serie de microcircuite CMOS, cum ar fi K1561 (un analog străin de C4000V) a avut o gamă destul de largă de modificări ale tensiunii de alimentare (3..18V). În acest caz, atunci când tensiunea de alimentare a unui anumit microcircuit scade, frecvența maximă de funcționare a acestuia scade. Ulterior, pe măsură ce tehnologia de producție s-a îmbunătățit, au apărut cipuri CMOS îmbunătățite cu proprietăți de frecvență mai bune și tensiune de alimentare mai mică, de exemplu, SN74HC.

Caracteristici ale utilizării cipurilor CMOS

Prima și principala caracteristică a cipurilor CMOS este impedanța mare de intrare a acestor cipuri. Ca rezultat, orice tensiune poate fi indusă la intrare, inclusiv una egală cu jumătate din tensiunea de alimentare, și stocată la ea pentru o perioadă destul de lungă. Când jumătate din putere este furnizată la intrarea unui element CMOS, tranzistoarele se deschid în ambele brațe superioare și inferioare ale etajului de ieșire, ca urmare, microcircuitul începe să consume un curent inacceptabil de mare și poate eșua. Concluzie: Intrările cipurilor digitale CMOS nu trebuie lăsate niciodată neconectate!

A doua caracteristică a cipurilor CMOS este că pot funcționa atunci când alimentarea este oprită. Cu toate acestea, cel mai adesea funcționează incorect. Această caracteristică este legată de proiectarea etapei de intrare. Schema completă a circuitului invertorului CMOS este prezentată în Figura 7.

Figura 7. Schema de circuit completă a invertorului CMOS

Diodele VD1 și VD2 au fost introduse pentru a proteja treapta de intrare împotriva defecțiunilor cauzate de electricitatea statică. În același timp, atunci când se aplică un potențial ridicat la intrarea unui microcircuit CMOS, acesta va trece prin dioda VD1 către magistrala de alimentare a microcircuitului și, deoarece consumă un curent suficient de mic, microcircuitul CMOS va începe să funcționeze . Cu toate acestea, în unele cazuri, acest curent poate să nu fie suficient pentru a alimenta microcircuitele. Ca urmare, este posibil ca cipul CMOS să nu funcționeze corect. Concluzie: Dacă cipul CMOS nu funcționează corect, verificați cu atenție sursa de alimentare a cipul, în special terminalele de locuințe. Dacă borna de putere negativă este slab lipită, potențialul său va diferi de potențialul firului comun al circuitului.

A patra caracteristică a microcircuitelor CMOS este fluxul de curent pulsat prin circuitul de putere atunci când trece de la zero la o stare și invers. Ca urmare, la trecerea de la microcircuite TTL la microcircuite analogice CMOS, nivelul de zgomot crește brusc. În unele cazuri, acest lucru este important și este necesar să se abandoneze utilizarea microcircuitelor CMOS în favoarea microcircuitelor BICMOS.

Nivelurile logice ale cipurilor CMOS

Nivelurile logice ale cipurilor CMOS sunt semnificativ diferite de . În absența curentului de sarcină, tensiunea la ieșirea cipului CMOS coincide cu tensiunea de alimentare (nivel logic de unu) sau cu potențialul firului comun (nivel logic de zero). Pe măsură ce curentul de sarcină crește, tensiunea unității logice poate scădea la 2,8V (U p =15V) de la tensiunea de alimentare. Nivelul de tensiune admisibil la ieșirea unui microcircuit CMOS digital (seria de microcircuite K561) cu o sursă de alimentare de cinci volți este prezentat în Figura 8.

Figura 8. Nivelurile semnalului logic la ieșirea cipurilor CMOS digitale

După cum am menționat mai devreme, tensiunea la intrarea unui cip digital în comparație cu ieșirea este de obicei permisă în limite mari. Pentru cipurile CMOS, am convenit asupra unei marje de 30%. Limitele nivelurilor logice zero și unu pentru microcircuitele CMOS cu o sursă de cinci volți sunt prezentate în Figura 9.

Figura 9. Nivelurile semnalului logic la intrarea cipurilor CMOS digitale

Când tensiunea de alimentare este redusă, limitele zero logic și cel logic pot fi determinate în același mod (împărțiți tensiunea de alimentare la 3).

Familii de circuite integrate CMOS

Primele cipuri CMOS nu aveau diode de protecție la intrare, așa că instalarea lor a prezentat dificultăți semnificative. Aceasta este o familie de cipuri din seria K172. Următoarea familie îmbunătățită de cipuri CMOS, seria K176, a primit aceste diode de protecție. Este destul de comun astăzi. Seria K1561 completează dezvoltarea primei generații de cipuri CMOS. În această familie, s-a realizat o viteză de 90 ns și un domeniu de tensiune de alimentare de 3 ... 15 V. Deoarece echipamentele străine sunt în prezent larg răspândite, voi oferi un analog străin al acestor microcircuite CMOS - C4000B.

O dezvoltare ulterioară a cipurilor CMOS a fost seria SN74HC. Aceste microcircuite nu au analog domestic. Au o viteză de 27 ns și pot funcționa în intervalul de tensiune 2 ... 6 V. Ele coincid în pinout și gama funcțională cu, dar nu sunt compatibile cu ele la niveluri logice, astfel încât microcircuitele CMOS din seria SN74HCT au fost dezvoltate la în același timp (analogicul domestic este K1564) compatibil cu microcircuite TTL și niveluri logice.

În acest moment, a existat o tranziție la sursa de alimentare de trei volți. Pentru acesta au fost dezvoltate microcircuite CMOS SN74ALVC cu un timp de întârziere a semnalului de 5,5 ns și un domeniu de putere de 1,65 ... 3,6 V. Aceleași microcircuite sunt capabile să funcționeze cu o sursă de alimentare de 2,5 V. Timpul de întârziere a semnalului crește la 9 ns.

Cea mai promițătoare familie de cipuri CMOS este considerată în prezent familia SN74AUC, cu un timp de întârziere a semnalului de 1,9 ns și o gamă de alimentare de 0,8 ... 2,7 V.

Baza elementelor CMOS este un invertor construit pe două tranzistoare MOS complementare (complementare) ( n-MOS și p-MOS) cu o poartă izolată și un canal indus. O caracteristică a acestei scheme ( orez. 4.17) este că tensiunea de intrare controlează nu numai tranzistorul cheie, ci și tranzistorul de sarcină.

Pe orez. 4.5.2. Sunt date caracteristicile dren-gate ale tranzistoarelor utilizate. Tranzistor cu n-canal ( VT n) începe să conducă curent dacă la poarta sa i se aplică o tensiune pozitivă, iar tranzistorul cu R-canal ( VT p) – dacă se aplică o tensiune negativă la poarta acesteia în raport cu sursa.

Este important ca ambii tranzistori să aibă un „toc” în caracteristicile lor de drenare. Astfel, dacă dorim ca circuitul să funcționeze cu o tensiune de alimentare pozitivă (+ E P), atunci este necesar să se utilizeze ca tranzistor cheie VT nși ca încărcătură – VT p.

Orez. 4.17.1. invertor CMOS

Orez. 4.5.2. Caracteristicile porții de drenaj ale tranzistoarelor CMOS

Invertor ( orez. 4.17) este construit astfel încât sursa VT p conectat la ro, si sursa VT n- cu pământul. porti VT nȘi VT p sunt combinate și servesc ca intrare a invertorului, scurgeri VT nȘi VT p sunt de asemenea combinate și servesc ca ieșire a invertorului. Cu această conexiune, următoarele formule vor fi valabile pentru determinarea tensiunii poartă-sursă VT nȘi VT p: U zip = U in, U zir = U in -E p

U fermoar– tensiune poarta-sursa n- tranzistor de canal ( VT n);

U zir– tensiune poarta-sursa R- tranzistor de canal ( VT r).

Când luăm în considerare funcționarea invertorului, vom presupune că VT nȘi VT p au caracteristici identice și tensiune de prag U Pn =½ U Pr½=1,5V.

U pp- tensiune de prag n-tranzistor de canal;

U Pr- tensiune de prag p-tranzistor de canal.

Să luăm în considerare funcționarea unui invertor CMOS în funcție de HVV ( orez. 4.18-a), în care se pot distinge patru secțiuni și dependențe U ZI = f(U BX) (orez. 4.18-b).

Sectiunea 1: U 0 în £ U Pp. în care U zip = U inȘi VT nînchis, U zir = U in - E p< U PrȘi VT p deschis.

Orez. 4.18. Caracteristicile invertorului CMOS:
a) ХВВ, b) U PORTA-SURSA = f(U ВХ); c) I CONSUM = f(U BX)

VT nînchis), VT p este în saturație profundă, tensiunea de ieșire va fi aproape de E P ( U 1 OUT » E P).

Secțiunea II: U P > U VX > U Pp,

Unde SUS - tensiunea la care comută circuitul

Și U OUT = 0,5(U 1 - U 0). U SPTA = U VX > U PpȘi VT nîncepe să se deschidă U ZIR = U VX -E P< U Пр Și VT p este deschis.

În această zonă ½ U Piese de schimb½ < ½ U ZIR½, deci VT p va rămâne în saturație și VT n– în modul activ.

VT n.

Curentul care curge în circuit creează o cădere de tensiune pe canal VT p, din această cauză, tensiunea de ieșire începe să scadă. Cu toate acestea, odată cu creșterea tensiunii de intrare în această secțiune, tensiunea de ieșire scade puțin, deoarece VT p este încă în saturație.

Punct SUS:U VX = U P = 0,5E P;

U SPTA =U VX = U P > U Pp, Și VT n deschis; 0,5E P< U Пр Și VT p este deschis.

În acest moment | U Piese de schimb|=|U ZIR| prin urmare, rezistențele canalelor ambelor tranzistoare sunt egale. Astfel, tensiunea de ieșire va fi egală cu jumătate din tensiunea sursei de alimentare ( U IEȘIRE=0,5E P). Acest punct corespunde unei secțiuni verticale pe caracteristică. În acest moment, circuitul consumă curent maxim, deoarece ambele tranzistoare sunt deschise. Cu cea mai mică modificare a tensiunii de intrare, tensiunea de ieșire se schimbă dramatic.

Secțiunea III: E P -½ U Pr½ > U BX > U P;U Piese de schimb= U VX > U PpȘi VT n deschis; U ZIR = U VX -E P< U Пр Și VT P este deschis, dar cu creștere U VX devine din ce în ce mai puțin deschis.

Pe acest site U Piese de schimb >|U ZIR|, și prin urmare VT n este în saturație, a VT p – în modul activ.

Curentul consumat de circuit este determinat în acest caz de tranzistor VT p.

Tensiunea de ieșire din această secțiune este egală cu căderea de tensiune pe canal VT n. Deoarece VT n este în saturație, atunci această scădere este mică și cu creștere U BX scade din ce in ce mai mult.

Secțiunea IV: E p > U în > E p -½ U Pr½; U fermoar= U în > U PȘi Vn deschis; U zir = U in -E p >U zipȘi VT p este închis.

În această stare, circuitul nu consumă practic niciun curent (din moment ce VT p este închis). VT n este în saturație profundă, tensiunea de ieșire va fi aproape de zero ( Ieși» 0).

După cum se poate vedea din HVV ( Fig 4.5.1a), elementele CMOS au imunitate bună la zgomot. Imunitatea la zgomot de zero și unu este egală. Acest lucru se datorează faptului că punctul de comutare ( U în = U P) se află exact în centrul intervalului de tensiune de intrare ( E P >U în > 0). La E P= +5V valoarea maximă a zgomotului poate ajunge la 1,5V. Odată cu creșterea E P imunitatea absolută la zgomot crește. Imunitatea la zgomot a elementelor CMOS este de aproximativ 30% din E P (U 0 intrare max» 0.3 E P, U 1 intrare min» 0,7 E P).

Deoarece intrarea invertorului CMOS conține tranzistori MOS cu o poartă izolată, rezistența de intrare este foarte mare (10 12 ¸ 10 13 Ohmi). Prin urmare, astfel de circuite nu consumă practic niciun curent la intrare.

Rezistența de ieșire a circuitelor CMOS este scăzută în starea Log. 0 și în starea Jurnal. 1, deoarece unul dintre tranzistori VT n sau VT p va fi cu siguranță deschis. Astfel, rezistența de ieșire este determinată de rezistența canalului a tranzistorului MOS deschis și este de 10 2 ¸ 10 3 Ohmi.

Rezistența ridicată la intrare și la ieșire scăzută determină un raport ridicat de evaporare statică la ieșire. Factorul de ramificare va fi limitat de sus doar de cerințele de performanță. Deoarece fiecare intrare a circuitului are o anumită capacitate, pe măsură ce raportul de ramificare crește, capacitatea de sarcină va crește, ceea ce, la rândul său, va crește timpul de comutare al elementului.

Astfel, pe măsură ce frecvența de funcționare scade, raportul de ventilație va crește. În legătură cu cele de mai sus, este clar că caracteristicile de intrare și de încărcare își pierd sensul. Caracteristica de încărcare este importantă numai atunci când împerechezi elemente CMOS cu elemente de alte tipuri.

Rezistența scăzută de ieșire a elementului în ambele stări vă permite să reîncărcați rapid capacitatea de sarcină. Acest lucru cauzează timpi scurti de întârziere la pornirea și oprirea circuitului. În practică, timpii de întârziere sunt 50 ¸ 200 ns.

Orez. 4.5.1v explică procesul de consum de curent de către circuit.

Într-o poziție statică, circuitele CMOS consumă foarte puțin curent (10 -6 -10 -7 A).

Majoritatea curentului este consumat la comutarea circuitului în timp ce U Piese de schimbși ½ U ZIR½> U PORși ambii tranzistori VT nȘi VT p deschis (secțiunile II și III pe HBB) Cu toate acestea, mărimea acestui curent este mai mică decât cea a circuitelor TTL, deoarece rezistența de volum a tranzistoarelor MOS deschise depășește rezistența tranzistoarelor bipolare deschise. Din acest motiv, circuitele CMOS nu au un rezistor limitator.

La comutarea circuitului, curent este, de asemenea, consumat pentru a încărca capacitatea de sarcină. Mărimea acestui curent poate fi determinată ca I=CEf P Unde f P– frecvența de comutare a circuitului.

Avantajele circuitelor CMOS includ, de asemenea, capacitatea de a funcționa la diferite tensiuni de alimentare (3-15V). Pe măsură ce tensiunea de alimentare crește, imunitatea absolută la zgomot va crește, dar va crește și consumul de curent (secțiunile II și III de pe HVV vor deveni mai largi). Cu o tensiune de alimentare de + 5 V, nivelurile de semnal ale circuitelor CMOS devin compatibile cu nivelurile TTL. Cu toate acestea, trebuie avut grijă ca U 1 min de intrare pentru circuitele CMOS ar fi mai mult E P - |U PR | pentru blocare sigură VT p. În acest scop, ieșirea TTL este adesea conectată printr-un rezistor la E P.

Funcționarea circuitelor CMOS pe circuitele TTL se realizează, de regulă, prin circuite de cablare.

Pe orez. 4.19 Este prezentată o diagramă a unui element CMOS de bază. Elementul implementează funcția 4I-NOT. Tranzistoarele sunt aranjate astfel încât să nu circule curent prin circuit pentru orice combinație de semnale de intrare. Elementele de tip OR-NOT sunt construite într-un mod similar. (Fig. 4.20).

În astfel de circuite, datorită conexiunii secvențiale a tranzistorilor într-unul dintre brațe, rezistența de ieșire într-una dintre stări crește. Prin urmare, astfel de elemente au timpi de pornire și oprire diferiți. Pentru elementul AND-NOT, timpul de pornire este mai mare decât timpul de oprire, iar pentru elementul SAU-NU, invers.

Orez. 4.19. Implementarea funcției 4I-NOT pe CMOS

Orez. 4.20. Implementarea funcției 4OR-NOT pe CMOS

Datorită rezistenței foarte mari de intrare, chiar și o sarcină statică poate crea o tensiune de avarie. Pentru a proteja împotriva sarcinilor de electricitate statică de înaltă tensiune, există un circuit special de protecție (în interiorul cipului) la intrările circuitelor CMOS (Fig. 4.21).

Orez. 4.21. Invertor CMOS cu circuite de protecție a porții ESD

Diode VD1, VD2Și VD3 protejați izolația porții de defecțiuni. Diode VD4Și VD7 protejați ieșirea invertorului de defecțiuni între RȘi n regiuni. Diode VD5Și VD6 conectat în serie între magistralele de alimentare pentru a proteja împotriva inversării accidentale a polarității puterii.

Reprezentanții tipici ai circuitelor CMOS sunt elementele din seria K564, care sunt caracterizate de următorii parametri:

E P=3¸15V; U 0= 0,01 V (la E P=5V și eu n=0); U 1=4,99 V (la E P=5V și eu n=0); I 0 intrare=0,2 pA; I 1 intrare=0,2 pA; eu P= 0,17 mA (la E P=10V, F=100kHz și S n=50pF); t z=80ns; Am 0 afară= 0,9 mA (la U 0 afară=0,5V și E P=10V); Eu 1 afară= 0,9 mA (la U 1 afară=E P-0,5V și E P=10V); C n = 200pF; intrare S=12pF.

Un experiment individual (IEA) necesită o atenție specială în timpul pregătirii.

Lectura. Fabricarea procesorului

Microprocesor este un circuit integrat format pe un mic cristal de siliciu. Siliciul este folosit în microcircuite datorită faptului că are proprietăți semiconductoare: conductivitatea sa electrică este mai mare decât cea a dielectricilor, dar mai mică decât cea a metalelor. Siliciul poate fi făcut atât un izolator, prevenind mișcarea sarcinilor electrice, cât și un conductor - atunci sarcinile electrice vor trece liber prin el. Conductivitatea unui semiconductor poate fi controlată prin introducerea de impurități.

Microprocesor conține milioane de tranzistori, interconectate prin conductori subțiri din aluminiu sau cupru și utilizate pentru prelucrarea datelor. Așa se formează anvelopele interioare. Ca rezultat, microprocesorul îndeplinește multe funcții - de la operații matematice și logice până la controlul funcționării altor cipuri și a întregului computer.

Unul dintre parametrii principali ai microprocesorului este frecvența cristalului, care determină numărul de operații pe unitatea de timp, frecvența magistralei de sistem și dimensiunea memoriei interne SRAM cache. Procesorul este etichetat în funcție de frecvența de operare a cristalului. Frecvența de funcționare a cristalului este determinată de frecvența de comutare a tranzistorilor de la o stare închisă la o stare deschisă. Capacitatea unui tranzistor de a comuta mai repede este determinată de tehnologia de producție a plachetelor de siliciu din care sunt fabricate cipurile. Dimensiunea procesului tehnologic determină dimensiunile tranzistorului (grosimea acestuia și lungimea porții).

Cum se fac microcircuitele?

După cum știți dintr-un curs de fizică școlar, în electronica modernă principalele componente ale circuitelor integrate sunt semiconductorii de tip p și de tip n(în funcție de tipul de conductivitate). Semiconductor- aceasta este o substanță a cărei conductivitate este superioară dielectricilor, dar inferioară metalelor. Baza ambelor tipuri de semiconductori poate fi siliciul (Si), care în forma sa pură (așa-numitul semiconductor intrinsec) conduce slab curentul electric, dar adăugarea (introducerea) unei anumite impurități în siliciu îi poate schimba radical proprietățile conductoare. . Există două tipuri de impurități: donator și acceptor.

Impuritatea donatorului duce la formarea semiconductorilor de tip n cu conductivitate de tip electronic, iar acceptorul duce la formarea semiconductorilor de tip p cu conductivitate de tip orificiu. Contactele p- și n-conductori fac posibilă formarea tranzistoarelor - principalele elemente structurale ale microcircuitelor moderne. Acești tranzistori, numiti tranzistori CMOS, pot exista în două stări de bază: deschise, când conduc electricitatea, și oprite, când nu conduc electricitatea. Deoarece tranzistoarele CMOS sunt elementele principale ale microcircuitelor moderne, haideți să vorbim despre ele mai detaliat.

Când vorbesc despre procesoare Intel, aceștia folosesc adesea termeni specifici, cum ar fi tehnologia de proces de 0,13 microni și, mai recent, tehnologia de proces de 90 de nanometri. De exemplu, se obișnuiește să se spună că noul procesor Intel Pentium 4 cu nucleu Northwood este realizat folosind tehnologia de 0,13 microni, iar viitoarea generație de procesoare se va baza pe o tehnologie de proces de 90 de nanometri. Care este diferența dintre aceste procese tehnologice și cum afectează capacitățile procesoarelor în sine?

Cum funcționează un tranzistor CMOS?

Cel mai simplu tranzistor CMOS de tip n are trei electrozi: sursă, poartă și scurgere. Tranzistorul în sine este alcătuit dintr-un semiconductor de tip p cu conductivitate în orificii, iar semiconductorii de tip n cu conductivitate electronică sunt formați în regiunile de dren și sursă. În mod natural, datorită difuziei găurilor din regiunea p în regiunea n și difuzarea inversă a electronilor din regiunea n în regiunea p, se formează straturi de epuizare (straturi în care nu există purtători majori de sarcină). la limitele tranziţiilor regiunilor p şi n. În starea sa normală, adică atunci când nu se aplică nicio tensiune pe poartă, tranzistorul se află într-o stare „blocat”, adică nu este capabil să conducă curentul de la sursă la scurgere. Situația nu se schimbă chiar dacă se aplică o tensiune între dren și sursă (nu ținem cont de curenții de scurgere provocați de mișcarea sub influența câmpurilor electrice generate de purtători minoritari de sarcină, adică găuri pentru regiune n şi electroni pentru regiunea p).

Cu toate acestea, dacă se aplică un potențial pozitiv porții (Fig. 1), situația se va schimba radical.

Orez. 1. Principiul de funcționare al tranzistorului CMOS

Sub influența câmpului electric al porții, găurile sunt împinse adânc în p-semiconductor, iar electronii, dimpotrivă, sunt atrași în zona de sub poartă, formând un canal bogat în electroni între sursă și scurgere. Dacă se aplică o tensiune pozitivă pe poartă, acești electroni încep să se deplaseze de la sursă la scurgere. În acest caz, tranzistorul conduce curentul - se spune că tranzistorul este „deschis”. Dacă tensiunea de poartă este îndepărtată, electronii nu mai sunt atrași în zona dintre sursă și scurgere, canalul conductor este distrus și tranzistorul nu mai trece de curent, adică se „oprește”. Astfel, prin schimbarea tensiunii porții, puteți deschide sau închide tranzistorul, similar modului în care puteți porni sau opri un comutator obișnuit, controlând fluxul de curent prin circuit. Acesta este motivul pentru care tranzistoarele sunt uneori numite comutatoare electronice. Cu toate acestea, spre deosebire de comutatoarele mecanice convenționale, tranzistoarele CMOS sunt practic lipsite de inerție și sunt capabile să comute de la pornit la oprit de trilioane de ori pe secundă! Această caracteristică, adică capacitatea de a comuta instantaneu, determină în cele din urmă performanța procesorului, care constă din zeci de milioane de astfel de tranzistori simpli.

Deci, un circuit integrat modern este format din zeci de milioane de tranzistoare CMOS simple.

Iată o imagine în secțiune transversală a procesorului:

Deasupra se afla un capac metalic de protectie, care, pe langa functia de protectie, serveste si ca distribuitor de caldura - asta acoperim cu generozitate cu pasta termica la instalarea racitorului. Sub distribuitorul de căldură se află aceeași bucată de siliciu care îndeplinește toate sarcinile utilizatorului. Chiar mai jos este un substrat special, care este necesar pentru rutarea contactelor (și creșterea zonei „picioarelor”), astfel încât procesorul să poată fi instalat în soclul plăcii de bază.

Cipul în sine este format din siliciu, pe care există până la 9 straturi de metalizare (cupru) - exact de câte straturi sunt necesare pentru ca, conform unei anumite legi, să poată conecta tranzistori situati pe suprafața siliciu (din moment ce este pur și simplu imposibil să faci toate acestea la un singur nivel). În esență, aceste straturi acționează ca fire de legătură, doar la o scară mult mai mică; Pentru a preveni scurtcircuitarea „firelor” între ele, acestea sunt separate printr-un strat de oxid (cu constantă dielectrică scăzută).