ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ С ЗАТВОРОМ ШОТКИ

Описание изобретения
Логический элемент на полевых транзисторах с
затвором Шотки.
Изобретение относится к импульсной электронике, в том числе к цифровой электронике, более конкретно - к логическим и запоминающим устройствам и может быть использовано в нагрузочных элементах логических вентилей, ячеек памяти и усилителей считывания запоминающих устройств на арсениде галлия и других полупроводниках типа АзВз.
Активными приборами микросхем на основе арсенида галлия и других полупроводников типа ЛзВз почти исключительно являются полевые транзисторы с затвором Шотки (ПТШ).
В микросхемах большой степени интеграции (БИС) на полевых транзисторах с затвором Шотки преим5Ш1ественно используются логические элементы с непосредственными связями (НСПЛ), содержащие переключаемый транзистор и нагрузочный элемент, включенные последовательно между общей шиной и источником питания.
В известных технических решениях 1-3 для построения элементов НСПЛ совместно используются приборы двух типов: либо 111Ш нормально закрытого и нормально открытого типов, либо ПТШ нормально закрытого типа и резисторы. Общим недостатком всех известных нагрузочных элементов является плохая воспроизводимость характеристик при величине токов менее 0,1 мА. Это связано с тем, что физичес1сие процессы в приборах и проектные нормы не позволяют уменьшить ширину ПТШ менее 2-3 мкм. Нормально открытые транзисторы минимальных размеров имеют ток больше 0,1 мА, а резисторы высоких номиналов занимают очень большую площадь.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является логический элемент на полевых транзисторах с каналами одного типа проводимости, который содержит переключаемый транзистор и нагрузочный элемент, состоящий из двух транзисторов: нагрузочного и дополнительного, 1. Дополнительный транзистор нормально открытого типа подключен стоком к шине питания, истоком - к затвору нагрузочного транзистора, затвором - к истоку нагрузочного транзистора. Дополнительный транзистор будет находится в режиме близком к режиму отсечки, что позволяет
М1СИ Н 03 к 19/094
обеспечить его ток много меньше тока нагрузочного транзистора минимальных размеров в соответствии с проектными нормами.
Недостатком данного логического элемента является возможность нарушения работоспособности при изменении рабочей температуры или технологических параметров, обусловленная тем, что ток дополнительного транзистора может изменится в десятки раз при небольшом изменении его порогового напряжения ( 0,1 - 0,2 В ) и сравняться с током нагрузочного транзистора.
Техническим результатом изобретения является повышение устойчивости работы при одновременном упрощении констр)тсции логического элемента.
Сушрость заявленного устройства заключается в том, что в логическом элементе на полевых транзисторах с затвором Шотки и каналами одного типа проводимости, содержаш;ем переключаемый нагрузочный и дополнительный транзисторы, использован дополшительный транзистор нормального закрытого типа, затвор которого не подключен к другим узлам схемы, как показано на фиг. 1.
Логкгаеский элемент содержит переключаемый ПТШ нормально закрытого типа (1), нагрузочный ПТШ нормально закрьггого типа (2), включенные последовательно между общей шиной и шиной питания, а также дополнительный ПТШ нормально закрытого типа (3), включенный между шиной питания и затвором нагрузочного транзистора, причём затвор дополнительного ПТШ не подключен к другим узлам схемы.
Логический элемент работает следующим образом. Стабильность напряжения переключения и выходного напряжения низкого уровня обеспечивается стабильностью соотношения токов нагрузочного элемента и переключаемого ПТШ. Величины токов пропорциональны ширине транзисторов. Переключаемый и нагрузочный транзисторы одинаковой конструкции и отличаются только шириной. Дополнительный транзистор нормально закрытого типа задает ток смещения в затвор нагрузочного ПТШ. Ток смешения всегда много меньше тока нагрузочного ПТШ, чем и обеспечивается постоянство соотношений токов переключаемого ПТШ и нагрузочного элемента.
Исследования вольтамперных характеристик (ВАХ) нормально закрытых ПТШ позволили сделать следующие выводы: 1. Как в прямом, так и в обратном включении ток затвора ПТШ описывается формулой:
EXP (U - IRVrnФJ
Где I и и - ток и напряжение на затворном электроде при заземленных электродах истока и стока; 1о - масштабный ток; ш коэффициент неидеальности ВАХ; R - эффективное последовательное сопротивление; Фт- температурный потенциал.
2.Масштабные токи ( IQ ) для прямой и обратной ветвей ВАХ равны.
3.Коэффициенты неидеальности ВАХ для прямого и обратного включения находятся в соотношении примерно равном - 4.
4.Потенциал на затворе нормально закрытого 111Ш с неподключенным затвором определяется только напряжением сток-исток.
5.Открывание нормально закрытого ИГШ с неподключенным затвором определяется только напряжением сток-исток, в 4-5 раз превышающем пороговое напряжение, как показано на фиг. 2.
На фиг.З приведена схема измерения передаточных характеристик логических элементов, а на фиг. 4 измеренные характеристики логических инверторов при изменении температуры, напряжения питания и при естественном технологическом разбросе параметров приборов.
Использование в логическом элементе ПТШ только одного нормально закрытого типа позволяет упростить конструкцию и технологию изготовления интегрального устройства, а также обеспечивает идентичность характеристик всех логических элементов устройства.
Испо;п зование дополнительного транзистора нормально закрытого типа с неподключенным затвором обеспечивает величину затворного тока смещения нагрузочного ПТШ много меньше тока стока даже при минимальных размерах нагрузочного транзистора. Это техническое решение стабилизирует передаточные характеристики логических элементов при изменении температуры и порогового напряжения ИГШ.
Возможность осуществления изобретения подтверждается практической реализацией заявляемой конструкции логических элементов в составе тестового кристалла на арсениде галлия. Тестовые кристаллы изготовлены на арсениде галлия одновременно с цифровыми микросхемами. Исследование логических элементов показали возможность достижения указанных преимуществ.
Использованные источникн.
1.1. Патент РФ, No 1821917, кл. Н ОЗ К 19/094,1991 г. - прототип.
2.Авторское свидетельство СССР No 1050118, кл. Н ОЗ К 19/094, 1982 г.
3.Патент ФРГ No В2846687 кл. НОЗ F 3/16,1980 г.
Подписи к иллюстрациям.
Фиг. 1 Логический элемент (инвертор), построенный на нормально закрытых полевых транзисторах с затвором Шотки:
1 - переключаемый транзистор; 2 - нагрузочный транзистор;
3 - дополнительный транзистор. Фиг. 2 Выходные ВАХ нормально закрытого ПТШ. Сплошные линии соответствуют напряжениям на затворе: 1-0,2В; 2-0,3В; 3-0,4В; 4-0,5В; 5-0,6В; 6-0,7В; 7-0,8В; 8 - 0,9В.
Пунктирная линии соответствует ВАХ ПТШ с неподключенным затвором.
Фиг. 3 Схема для измерения передаточных характеристик инверторов.
Фиг.4 Передаточные характеристики инверторов на нормально закрытых ПТШ.
А - Изменение характеристик инвертора в диапазоне температур. Линии: 1-20° С; 2-80«С;3-120° С.
Б - Разброс характеристик инверторов в пределах пластины. В - Изменение характеристик инвертора при изменении напряжения питания. Линии: 4 - 1,8 В; 5 - 2,4В; 6 - 3,0В.