В настоящее время КМОП-транзисторы применяются и в системах оперативной памяти, и в системах флэш-памяти.

В модулях оперативной памяти для хране­ния одного бита информации используется конденсатор — «паразитная» ем­кость, имеющаяся между электродами транзистора.

Для сохранения заряда емкости необходима постоянная его регенерация с пе­риодом десятки миллисекунд. Поэтому такая память является энергозависимой и называется динамической.

Схемы регенерации заряда емко­сти могут быть различными, и именно их организация определяет тип оперативной памяти:

FРМ DRАМ;

DRАМ ЕDО;

SDRАМ;

DR DRАМ;

DDR SDRАМ и др.

В КМОП-транзисторах флеш-памяти для обеспечения энергонезависимости под основным затвором помещен еще один, так называемый плавающий затвор (рис. 6.5). Плавающий затвор имеет металлизацию (пленку из арсенида галлия, хрома, никеля, вольфрама и др.) для создания на границе раздела между метал­лом и полупроводником потенциального барьера Шотки, позволяющего хра­нить заряд конденсатора длительное время.

Рис. 6.5. Структура элемента флеш-памяти

В появившихся в 2002 году новых видах памяти FеRАМ и МRАМ используются сверхтонкие магнитные пленки, наносимые на поверхность кристаллов инте­гральной схемы. Поверх этой пленки, изготовленной из магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), наносятся еще электроды. Эти элек­троды создают при пропускании через них электрического тока магнитное поле, намагничивающее цилиндрические магнитные домены (ЦМД) этой пленки в нужном направлении для записи кодов «1» и «О» и для считывания информации (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Кривая намагничивания материала с ППГ

Обозначения на рисунке: Н — напряженность магнитного поля, В — магнитная индукция материала, Нс — коэрцитивная сила материала, Вт — максимальная магнитная индукция, Вг — остаточная магнитная индукция.

При подаче положительного импульса H, превышающего Hс, материал намагни­чивается до значения Вт, превышающего Вr . После снятия внешнего поля H ма­териал возвращается в состояние Вr (запись «1»).

При подаче отрицательного импульса H, превышающего -Hс, материал намагни­чивается до значения -Hт. После снятия отрицательного импульса -Н материал возвращается в состояние –Вr (запись «О»). При считывании подается отрица­тельный импульс H, и скорость изменения магнитной индукции материала фор­мирует электронный импульс.

При считывании «0» ∆B минимальна, и электрический импульс практически не возникает.

Планарные микросхемы

Изготавливаются интегральные схемы с МОП-транзисторами по планарной тех­нологии: на поверхность пластины из полупроводника (кремния) наносится защит­ный слой диэлектрика (обычно путем окисления поверхности для образования пленки из диоксида кремния), в котором методами фотолитографии вскрывают микроокна. Поверх слоя диэлектрика наносится металлическая пленка, имею­щая в окнах контакт с поверхностью полупроводника. Через окна для создания электронно-дырочных переходов нужной (п- или р-) полярности проводится диф­фузия материалов-доноров или акцепторов-электронов. Так как кремний — четы­рехвалентный химический элемент, то для образования p-областей используются трехвалентные материалы (бор, галлий, алюминий), а для создания n-областей — пятивалентные материалы (сурьма, мышьяк, фосфор).

Весьма перспективна разработанная в университете Буффало технология исполь­зования «самоорганизующихся» химических веществ — материалов с микроско­пическими структурами («квантовыми точками») при изготовлении полупровод­никовых приборов. По данным исследователей, в названных веществах даже при комнатной температуре самопроизвольно происходит реакция, приводящая к соз­данию регулярных микроскопических структур с ячейками диаметром 0,04 мкм (механизм образования таких структур подобен образованию эмульсии в жид­кости).

Параметры транзисторов зависят от масштаба технологического процесса их из­готовления (масштаба технологии), который непрерывно уменьшается. Еще пару лет назад использовались технологии 0,15-0,11 мкм, сейчас уже 0,09 мкм, а в 2005 году ожидаются технологии 0,065 мкм. В 2003 году концерн IВМ пред­ложил комбинированную микросхему, в которой на одну и ту же подложку «кремний на изоляторе» (5ОI) помещают одновременно и биполярные, и поле­вые транзисторы. Такая схема обладает меньшим энергопотреблением, а комби­нированные чипы по технологии 0,065 мкм намечены к выпуску в 2005 году.

Уменьшение размеров транзисторов повышает плотность их размещения, умень­шает паразитные индуктивности и емкости электродов и позволяет повысить ра­бочую частоту микросхемы. Но при этом миниатюризация транзисторов (в ряде случаев толщина изолирующих слоев в транзисторе сопоставима с размерами атомов) приводит к росту паразитных токов утечки, что, в свою очередь, повы­шает энергопотребление и снижает устойчивость работы схемы. Снижение на­пряжения питания схемы уменьшает разогрев схем только частично, а мощность токов утечки может достигать сотен ватт.

Уменьшение токов утечки достигается следующими способами:

использованием медных проводников (вместо имеющих большее удельное электрическое сопротивление алюминиевых);

применением технологии напряженного (растянутого) кремния (увеличение расстояния между атомами кристаллической решетки уменьша­ет удельное электрическое сопротивление).

В таблице 6.2 приведены кодовые номера технологических процессов и их неко­торые характеристики.

Таблица 6.2 Кодовые номера технологических процессов изготовления транзисторов

Электронные и логические схемы некоторых базовых компонентов компьютера

Логические операции AND, OR и NOT довольно просто технически выполня­ются на любых системах элементов: и на электронных лампах, и на дискретных полупроводниковых элементах, и в интегральных схемах. Существуют много­численные справочники, позволяющие выбрать подходящий вариант их техни­ческой реализации.

ПРИМЕЧАНИЕ Здесь и далее будем считать, что «1» представляется наличием положительного импульса, а «0» — его отсутствием.

Простейшие принципиальные электрические схемы OR и АND на резисторно-диодных элементах и схема NОТ на биполярных транзисторах показаны на рис. 6.7, а, б, в соответственно.

Пояснения к схеме OR: положительный импульс на выходе возникает при появ­лении положительного импульса на любом (а, b, с) входе, так как внутреннее со­противление диода в прямом направлении мало (много меньше R.

Пояснения к схеме AND: положительный импульс на выходе возникает только при одновременном наличии положительных импульсов на всех трех (а, b, с) входах. При отсутствии хотя бы одного входного импульса cсоответствующий ему диод будет открыт и замкнет питающее напряжение +Е через внутренние сопротивления диода и источника входного сигнала (они много меньше R) на «землю».

Пояснение к схеме NОТ: при подаче на вход (базу) прп:-транзистора положи­тельного импульса триод откроется и на выходе (коллекторe) напряжение с высокого снизится до нуля.

На рис.

показана схема NОТ на полевых КМОП-транзисторах транзисторно-транзисторной технологии.

Пояснение к схеме NОТ: при подаче положительного импульса на вход (а) тран­зистор T1 с каналом p-типа запирается, а транзистор Т2 с каналом n-типа откры­вается и на выходе (b) появляется отрицательный импульс.

На рис.

показана комплементарная схема NANDна полевых транзисторах, выполненная по транзисторно-транзисторной технологии.

При подаче трех входных сигналов (а, b, с), из которых хотя бы один будет низким (код 0) на выходе схемы (f) будет высокое напряжение (код 1).

Действительно, если любой входной сигнал будет низким, соответствующий ему транзистор с проводимостью n-типа (Т1 , Т2 , Т3 ) в последовательной цепи будет закрыт, а соответствующий ему транзистор с проводимостью р-типа (Т4, Т5 , Т6) в параллельной цепи будет открыт, и напряжение +Е пройдет на выход f.

Только если все три входных сигнала будут высокими (код «1» на выходе будет низкое (нулевое) напряжение (код «0»). Последовательная цепь из транзисторов с проводимостью n-типа будет иметь низкое сопротивление (все транзисторы открыты), а в параллельной цепи из транзисторов с проводимостью р-типа все транзисторы будут закрыты и на выход f пройдет нулевой потенциал «земли» по отношению к напряжению +Е это будет низкое напряжение (код 0)

Как уже отмечалось, в больших интегральных схемах с целью унификации их структуры синтез логических и вычислительных схем выполняются на базе толь ко одного логического «уникального оператора: NОR, NАND или NORAND. Но каждый из уникальных операторов структурно легко реализуем на основе базовых, и наоборот каждый базовый операнд легко конструируется из уникальных.

На рис показаны:

-логическая конструкция схемы NАND на основе схем AND и NОТ,

- стандартные изображения логических схем NАНD и ОR,

- логические конструкции схем NОТ, АНD и ОR на основе схем NAND.

Реализация АND, ОR и NОТ на основе уникальных операторов используется при логическом синтезе вычислительных схем, ибо для базовых операторов процедуры формализованного логического синтеза разработаны наиболее подробно и конструктивно.

Среди многих элементарных схем в компьютере наибольшее распространение получила схема триггера — статического запоминающего и логического элемента.

Примеры  реализации логических схем на транзисторах

Элемент НЕ

При подаче на вход схемы сигнала низкого уровня (0) транзистор будет заперт, т.е. ток через него проходить не будет, и на выходе будет сигнал высокого уровня (1). Если же на вход схемы подать сигнал высокого уровня (1), то транзистор “откроется”, начнет пропускать электрический ток. На выходе за счет падения напряжения установится напряжение низкого уровня. Таким образом, схема преобразует сигналы одного уровня в другой, выполняя логическую функцию.

Элемент ИЛИ

Здесь транзисторы включены параллельно друг другу. Если оба закрыты, то их общее сопротивление велико и на выходе будет сигнал низкого уровня (логический “0”). Достаточно подать сигнал высокого уровня (“1”) на один из транзисторов, как схема начнет пропускать ток, и на сопротивлении нагрузки установится также сигнал высокого уровня (логическая “1”).

Элемент И

Если на входы Вх1 и Вх2 поданы сигналы низкого уровня (логические “0”), то оба транзистора закрыты, ток через них не проходит, выходное напряжение на R_н близко к нулю.

 Пусть на один из входов подано высокое напряжение (“1”). Тогда соответствующий транзистор откроется, однако другой останется закрытым, и ток через транзисторы и сопротивление проходить не будет. Следовательно, при подаче напряжения высокого уровня лишь на один из транзисторов, схема не переключается и на выходе остается напряжение низкого уровня.

 И лишь при одновременной подаче на входы сигналов высокого уровня (“1”) на выходе мы также получим сигнал высокого уровня.