Конспект лекций «Элементная база РЭС» (стр. 10 )

КМОП структуры

Это обычный комплементарный ключ.

В статическом режиме отсутствует сквозной ток.

КМОП структуры -  наиболее распространённые структуры в микроэлектронике.

Достоинства:

+ в статическом режиме практически полное отсутствие сквозного тока, т. е. потребляемой мощности (десятки пВт);

+ КМОП логика имеет достаточно высокую помехоустойчивость;

+ работоспособность в очень широком диапазоне питающих напряжений (3..15 В);

+ высокая нагрузочная способность, т. е. к выходу одной ячейки можно подключить до 1000 входов аналогичных ячеек;

+ по сравнению с БТ, число технологических операций КМОП структур почти в 2 раза меньше.

+ меньшая площадь на кристалле по сравнению с БТ.

- необходимость защиты от статического электричества

Высокое сопротивление подзатворного диэлектрика наряду с его малой толщиной приводит к тому, что статический заряд способен вызывать пробой, что может привести к отказу интегральной схемы. Поэтому для защиты от высоковольтных разрядов статического электричества в КМОП интегральных схемах применяют специальную диодно-резисторную схему защиты (применяются только там, где выводы КМОП структуры соединяются с внешними выводами).

Полевые транзисторы с управляющим переходом

Все предыдущие типы транзисторов сформированы на кремниевой подложке. Кроме кремния используется также арсенид галлия. Главная цель использования которого – повышение быстродействия. Цифровые микросхемы на основе арсенида галлия относятся к классу сверхскоростных, а аналоговые микросхемы предназначены для работы в СВЧ диапазоне.

При разработке используются следующие преимущества арсенида галлия:

+ более высокая подвижность электронов;

+ большая ширина запрещённой зоны;

+ более высокое удельное сопротивление нелегированного полупроводника (вытекает из 2-го);

- очень высокая стоимость.

Простейшая структура:

- под затвором нет диэлектрика

- встроенный канал под затвором

Транзистор создают на подложке из нелегированного арсенида галлия. Он имеет слабо выраженную проводимость p-типа. У поверхности методом ионного легирования формируют области истока и стока, а затем тонкий слой канала n-типа. Типичная толщина канала – 100 нм.

_______________________________________________________________________________________Лекция пропущена 6.10.2010

…Базовые матричные кристаллы

…Недостатки:

неполное использование элементов. Чем выше степень интеграции, тем меньше доля используемой площади базового кристалла.

Другой разновидностью БИС является БИС с использованием библиотеки схем топологических фрагментов. Основные блоки имеются в разработанном виде, но не изготовленном.

13.11.2010

Flash-память. Твёрдотельный накопитель (Solid State Drive)

рис1

транзистор имеет 2 затвора: управляющий и плавающий.

Особенности структуры: высокое качество диэлектрика, что обеспечивает удержание электрона 10 лет. При программировании напряжением, на управляющем затворе создаётся электрическое поле и возникает тоннельный эффект. Некоторые электроны туннелируют через слой изолятора и попадают на плавающий затвор. Заряд на плавающем затворе изменяет проводимость канала между стоком и истоком, что используется при чтении. В традиционных устройствах с одноуровневой ячейкой в каждой ячейке может храниться 1 бит информации (0 или 1). Но существуют т. н. многоуровневые ячейки, которые могут хранить больше 1 бита информации, используя разный уровень электрического заряда на плавающем затворе транзистора. Программирование и чтение ячеек сильно различается в энергопотреблении. Устройства flash-памяти потребляют большой ток при записи, тогда как при чтении затраты энергии малы. Для стирания информации на управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение и электроны уходят с плавающего затвора. Основной перспективной является замена традиционных винчестеров. До самого недавнего времени flash-память уступала традиционным накопителям при чтении/записи, но компенсировала это высокой скоростью поиска информации (сопоставима со звуком).

+ Меньший размер и энергопотребление

- Соотношение цена/Гб выше, чем у HDD.

- меньшая скорость считывания (суммарная).

flash-память на тратит время на разгон и позиционирование головок, однако среднее время чтения больше, чем у HDD. Однако последние разработки свидетельствуют, что скорость чтения достигает 100Мб/с, что сопоставимо с HDD.

- меньшее количество циклов перезаписи.

Объём флеш-накопителей достигает 1Тб.

2009 год – 30нм технология производства.

Оптоэлектроника

1. Основные понятия и определения

Оптоэлектроника – это раздел электроники, в которой неразрывны оптические и электрические процессы. Этот раздел связан с разработкой, производством и применением оптоэлектронных приборов. Оптоэлектронный прибор – это приборы, чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, ИК и УФ областях спектра. Либо прибор, излучающий или преобразующий когерентное или некогерентное излучение в этих областях.

Оптоэлектронные приборы подразделяются:

1. Индикаторы. электрически управляемые приборы, предназначенные для визуального отображения информации. Различают полупроводниковые (светодиодные), жидкокристаллические, катодолюминесцентные, газоразрядные индикаторы.

2. Приёмники изображения (фотоприёмники). Различают фотоприёмники в ИК, видимом и УФ диапазоне. Используются для преобразования изображений в последовательность видеосигналов.

3. Солнечные батареи. Представляют собой матрицы фотоэлементов на основе p-n переходов. Предназначены для преобразования энергии фотонов в электрическую энергию.

4. Оптоэлектронные датчики. Приборы, преобразующие различные физические воздействия (температура, давление, влажность, ускорение) в электрические сигналы. Пример – лазерные датчики влажности и загрязнённости атмосферы.

5. Оптопары. Состоят из полупроводниковых излучающих и фотоприёмных элементов, между которыми имеется оптическая связь. Электрическая связь между ними отсутствует. Используется для бесконтактной коммутации сильноточных и высоковольтных цепей.

6. Устройства хранения информации. Используется носитель, на который с помощью теплового воздействия сфокусированного лазерного луча записывается информация. Достоинство такой записи – большой срок хранения.

7. Оптические системы передачи и обработки информации.

+ частота колебаний в оптическом диапазоне на много порядков выше, чем в электрическом, что позволяет во много раз повысить пропускную способность линий связи за счёт увеличения ширины спектра модулируемых частот, а также за счёт одновременной передачи сигнала на нескольких несущих частотах.

+ использование в качестве носителей информации электрически нейтральных фотонов обеспечивает электрическую развязку, т. е. отсутствие влияния приёмника на передатчик, а также высокую помехозащищённость вследствие невосприимчивости фотонов к воздействию электромагнитных полей.

+ отсутствие воздействия паразитных ёмкостей и паразитных связей между каналами.

- невосприимчивость к внешним воздействиям затрудняет управление интенсивностью и направленностью светового потока.

- низкий КПД преобразования электрического сигнала в оптический и наоборот.

Наиболее распространёнными являются волоконно-оптические линии связи, в которых оптический сигнал представляет собой излечение, где один или несколько параметров (амплитуда, фаза, частота) изменяются в соответствии с передаваемой информацией.

Разделяют:

  1) источники излучения и передающие фотоэлектронные модули

  2) волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), служащие для передачи оптического сигнала

  3) оптические делители и коммутаторы

  4) приёмники излучения и приёмные оптоэлектронные модули, преобразующие оптические сигналы в электрические.

8. Оптическая вычислительная техника. Это совокупность оптоэлектронных устройств, предназначенных для создания цифровых либо аналоговых устройств.

2. Элементы фотоприёмных устройств

Интегральная оптоэлектроника – направление оптоэлектроники, посвящённое разработке оптоэлектронных микросхем.

Тенденции развития интегральной оптоэлектроники:

1. Миниатюризация элементов оптоэлектронных микросхем.

2. Интеграция элементов и компонентов в одном объёме или на одном кристалле.

3. Применение групповых методов обработки.

Среди многоэлементных матричных фотоприёмных устройств различают:

1. Матрицы с использованием МОП-транзисторов.

2. ПЗС-матрицы.

Матрица с использованием МОП транзисторов

Представляет собой набор ячеек, каждая из которых содержит интегрированную структуру МОП транзистора и фотоприёмного устройства, представленную на рисунке:

рис2

Фотоприёмник на основе МОП транзистора

Представляет собой транзистор с увеличенной областью истока. При этом переход исток-подложка вып ф-ции фотодиода. сток – с шиной столбца у. Работа: на все шины у подаётся -, а на все шины х импульс, отпирающий транзистор т. о., что на фотодиодах устанавливаются одинаковые обратные напряжения. Эти обратные напряжения поддерживаются ёмкостями p-n перехода. Это стирание информации.

Экспонирование. Через диоды протекают фототоки, пропорциональные освещённости. Эти токи разряжают ёмкости p-n перехода, поэтому к концу этапа экспонирования напряжение между p-n переходами будет пропорционально освещённости.

При подаче импульсов на одну из шин строки транзисторы ячеек этой строки отпираются и напряжение диодов проходит над шиной у, которые в этот момент являются плавающими (напряжения).

- полезный сигнал, выделяемый на шине у незначительный, что обуславливается большой собственной ёмкостью шины у. Для ликвидации этого недостатка шины у подключаются к усилителям (размещены на том же кристалле).

- процесс считывания является разрушающим потому, что осуществляется перераспределение зарядов всей строки. Поэтому реальные ячейки фотоприёмных устройств являются более сложными.