1.1. Лекция. От нуля до единицы 1План игр 2Искусство управления сложностью
 Скачать 2.34 Mb.
|
|
Глава 1 От нуля до единицы 81 причем на каждом из этих прямоугольников размещаются тысячи, миллионы или даже миллиарды транзисторов. Каждый такой кристалл тестируется, а затем помещается в пластиковый или керамический корпус-упаковку (package) с металлическими контактами (pins) для того, чтобы его можно было установить на монтажной плате. Корпус с рядом выводов по обеим длинным сторонам (Dual-Inline Package или DIP) с 40 металлическими контактами – по 20 на каждой стороне – содержит внутри небольшой кристалл (на рисунке он практически не виден). Этот кристалл соединяется с ножками контактов золотыми проводами, каждый из которых тоньше человеческого волоса. Фотография Кевина Mappа. © Харви колледж. Сэндвич полевого МОП-транзистора состоит из слоя проводника, называемого затвором (gate), наложенного на слой изолятора – диоксида кремния (SiO 2 ), в свою очередь, наложенного на кремневую пластину, называемую подложкой. Изначально для изготовления затвора использовался тонкий слой металла, отсюда и название этого типа транзисторов – металл-оксид-полупроводник. В современных же технологических процессах в качестве материала затвора используется поликристаллический кремний, поскольку кремний не плавится в ходе Глава 1 От нуля до единицы 82 последующей высокотемпературной обработки кристалла. Диоксид кремния – это хорошо известное всем нам стекло, и в полупроводниковой промышленности этот материал часто называют просто оксидом. Слои металл-оксид-полупроводника образуют конденсатор, в котором тонкий слой оксида (или окисла), называемого диэлектриком, изолирует металлическую пластину от полупроводниковой. С физической точки зрения исток и сток симметричны. Вместе с тем, мы будем говорить, что электрический заряд перетекает от истока к стоку. В n-МОП-транзисторе электрический заряд переносится электронами, которые двигаются из зоны с отрицательным напряжением в зону с положительным напряжением. В p-МОП-транзисторе заряд переносится дырками, которые двигаются из зоны с положительным напряжением в зону с отрицательным напряжением. Если схематически изобразить транзистор таким образом, чтобы зона максимального положительного напряжения находилась сверху, а зона максимального отрицательного напряжения снизу, то источником (отрицательного) заряда в n-МОП-транзисторе будет нижний вывод, а источником (положительного) заряда в p-МОП-транзисторе будет верхний вывод. Существуют два вида полевых МОП-транзисторов: n-МОП и p-МОП (по английски n-MOS и p-MOS, что произносится как н-мосс и пи-мосс). На Рис. 1.29 схематически показано сечение каждого из этих двух типов транзисторов так, как будто мы распилили кристалл и теперь Глава 1 От нуля до единицы 83 смотрим на транзистор сбоку. В транзисторах n-типа, называемых n-МОП, области, где расположены полупроводниковые примеси n-типа – в свою очередь называемые истоком (source) и стоком (drain) – находятся рядом с затвором (gate), причем вся эта структура размещается на подложке p-типа. В транзисторах же p-МОП и исток, и сток – это области p-типа, размещенные на подложке n-типа. Полевой МОП-транзистор ведет себя как переключатель, управляемый приложенным к нему напряжением. В таком транзисторе напряжение перехода создает электрическое поле, включающее или выключающее линию связи между источником и стоком. Термин полевой транзистор (field effect transistor) является прямым отражением принципа работы такого устройства. Знакомство с работой полупроводниковых устройств мы начнем с изучения n-МОП-транзистора. Глава 1 От нуля до единицы 84 Рис. 1.29 n-МОП и p-МОП-транзисторы Глава 1 От нуля до единицы 85 Технический специалист корпорации Intel держит в руках 12-дюймовый вейфер с несколькими сотнями микропроцессоров на нем. (Воспроизводится с разрешения корпорации Intel©, 2006 год). Подложка n-МОП транзистора обычно находится под напряжением земли GND, которое является минимальным напряжением в системе. Для начала рассмотрим случай, когда, как показано на Рис. 1.30 (a) , напряжение на затворе также равно 0 В. Диоды между истоком или стоком и подложкой находятся в состоянии, называемым обратным смещением (reverse bias), поскольку напряжение на истоке и стоке не является отрицательным. В результате этого канал для движения тока Глава 1 От нуля до единицы 86 между истоком и стоком остается закрытым, а транзистор выключенным. Теперь рассмотрим ситуацию, когда напряжение на затворе повышается до V DD – так, как показано на Рис. 1.30 (b) . Если приложить положительное напряжение к затвору (верхней пластине конденсатора), то это создает электрическое поле между затвором и подложкой, в результате в зону между истоком и стоком под слоем оксисла формируется избыток электронов. При достаточно высоком напряжении на нижней границе затвора накапливается настолько много электронов, что область с полупроводником p-типа превращается в область с полупроводником n-типа. Такая инвертированная область называется каналом (channel). В этот момент в транзисторе образуется область проводимости от источника n-типа, через каналы n-типа к стоку n-типа, и через этот канал электроны могут беспрепятственно перемещаться от истока к стоку. Транзистор включен. Напряжение перехода, которое требуется для включения транзистора, называется пороговым значением напряжения (threshold voltage) V T и обычно составляет от 0,3 В до 0,7 В. Глава 1 От нуля до единицы 87 Рис. 1.30 Работа n-МОП-транзистора Транзистор p-МОП работает с точностью до наоборот, как вы, возможно, уже догадались по наличию точки в обозначении этого типа транзистора на Рис. 1.31 . Подложка p-МОП-транзистора находится под напряжением V DD . Если затвор также находится под напряжением V DD , то p-МОП-транзистор выключен. Если же на затвор подается напряжение земли GND, проводимость канала инвертируется, превращаясь в проводимость p-типа, и транзистор включается. Глава 1 От нуля до единицы 88 Гордон Мур, 1929- Гордон Мур родился в Сан-Франциско. Мур получил степень бакалара в области химии в университете штата Калифорния и степень доктора в области химии и физики в Калифорнийском Технологическом Университете (Caltech). В 1968 году Гордон Мур и Роберт Нойс основали корпорацию Intel. В 1965 году Мур заметил, что полупроводниковые технологии развиваются с такой скоростью, что число транзисторов, которое можно разместить на одной микросхеме, удваивается каждый год. Сегодня эта тенденция известна как закон Мура. Начиная с 1975 года, количество транзисторов на одной микросхеме удваивается каждые два года. Одно из следствий закона Мура гласит, что производительность микропроцессоров удваивается за период от 18 до 24 месяцев. Продажи же полупроводниковых устройств растут по экспоненте. К сожалению, потребление электроэнергии также имеет тенденцию к экспоненциальному росту (воспроизводится с разрешения корпорации Intel ©, 2006 г). К сожалению, полевые МОП-транзисторы в роли переключателя работают далеко не идеально. В частности, n-МОП-транзисторы хорошо передают 0, но плохо передают 1. Если переход n-МОП-транзистора находится под напряжением V DD , то напряжение на Глава 1 От нуля до единицы 89 стоке будет колебаться между 0 и V DD − V T . Аналогичным же образом, p-МОП-транзисторы хорошо передают 1, но плохо передают 0. Однако, как мы увидим в дальнейшем, возможно построить хорошо работающий логический вентиль, используя только те режимы n-МОП- и p-МОП-транзисторов, в которых их работа близка к идеальной. Рис. 1.31 Модели переключения полевых МОП-транзисторов Для изготовления n-МОП-транзистора требуется подложка с проводимостью p-типа, а для изготовления p-МОП-транзисторов необходима подложка n-типа. Для того, чтобы разместить оба типа транзисторов на одном кристалле, производственный процесс, как правило, начинается с подложки p-типа, в который затем имплантируют области для размещения p-МОП-транзисторов n-типа, называемые колодцами (wells). Такой процесс называется Комплементарным МОП или КМОП (Complementary MOS или CMOS). В настоящее время Глава 1 От нуля до единицы 90 КМОП-процесс используется для изготовления подавляющего большинства транзисторов и микросхем. Подведем итог. КМОП-процесс позволяет разместить МОП-транзисторы n-типа и p-типа, показанные на Рис. 1.31 , на одном кристалле. Напряжение на затворе (g) управляет током между истоком (s) и стоком (d). Транзисторы n-МОП выключены, когда значение напряжения на переходе соответствует логическому 0, и включены, когда значение напряжения на переходе соответствует логическому 1. Транзисторы p-МОП, напротив, включены, когда значение напряжения на переходе соответствует логическому 0, и выключены, когда значение напряжения на переходе соответствует логическому 1. 1.7.5 Логический вентиль НЕ на КМОП-транзисторах Схема на Рис. 1.32 демонстрирует, как можно построить логический элемент НЕ, используя КМОП-транзисторы. На этой схеме треугольник обозначает напряжение земли GND, а горизонтальная линия обозначает напряжение питания V DD На всех последующих схемах в этой книге мы не будем использовать буквенные обозначения V DD и GND. Рис. 1.32 Схема вентиля НЕ Глава 1 От нуля до единицы 91 n-МОП-транзистор N1 включен между землей GND и выходным контактом Y. В свою очередь, p-МОП-транзистор P1 включен между напряжением питания V DD и выходным контактом Y. Напряжение на входном контакте А управляет переходами обоих транзисторов. Если напряжение на А равно 0, то транзистор N1 выключен, а транзистор P1 включен. При этом, напряжение на контакте Y равно напряжению питания V DD , а не земли, что соответствует логической единице. В этом случае говорят, что Y «подтянут» к единице (англ.: pulled up). Включенный транзистор P1 хорошо передает логическую единицу (равную напряжению питания), то есть напряжение на контакте Y очень близко к V DD . Если же напряжение на контакте А равно логической единице, то транзистор N1 включен, а транзистор P1 выключен, и напряжение на контакте Y равно напряжению земли, что соответствует логическому нулю. В этом случае говорят, что Y «подтянут» к нулю (англ.: pulled down). Включенный транзистор N1 хорошо передает логический ноль, то есть напряжение на контакте Y очень близко к GND. Проверка в таблице истинности на Рис. 1.12 подтверждает, что мы действительно имеем дело с логическим вентилем НЕ. Глава 1 От нуля до единицы 92 1.7.6 Другие логические вентили на КМОП-транзисторах На Рис. 1.33 показана схема для построения с помощью МОП-транзисторов логического элемента И-НЕ с двумя входными контактами. На электронных схемах принято, что если нет никаких дополнительных замечаний или обозначений, то подразумевается, что две линии соединяются друг с другом в том случае, если одна из линий заканчивается в точке пересечения (пересечение в форме буквы Т). Если же обе линии продолжаются за точкой пересечения, то для обозначения контакта этих двух линий в точке пересечения ставится точка. Если точка отсутствует, то это означает, что линии не пересекаются, и одна из линий проходит над другой. На Рис. 1.33 n-МОП-транзисторы N1 и N2 соединены последовательно. Причем, чтобы замкнуть выходной контакт на землю GND – то есть понизить логический уровень (pull down), оба этих транзистора должны быть включены. В то время как p-МОП-транзисторы P1 и P2 соединены параллельно, и только один из них должен быть включен, чтобы соединить выходной контакт с напряжением питания V DD – то есть повысить логический уровень (pull up). В Табл. 1.6 перечислены все возможные состояния для части схемы, понижающей логический уровень (pull-down network), для части Рис. 1.33 Схема вентиля И-НЕ с двумя входами Глава 1 От нуля до единицы 93 схемы, повышающей логический уровень (pull-up network), и для выхода. Из Табл. 1.6 видно, что электрическая схема, показанная на Рис. 1.33 , действительно работает как логический вентиль И-НЕ. Например, если A равно 1 и B равно 0, то транзистор N1 включен, однако транзистор N2 выключен и блокирует связь контакта Y с напряжением земли GND. При этом транзистор P1 выключен, а транзистор P2 включен и соединяет напряжение питания V DD с контактом Y. То есть, на контакте Y мы имеем 1. Табл. 1.6 Работа вентиля И-НЕ A B Схема понижения логического уровня Схема повышения логического уровня Y 0 0 ВЫКЛ. ВКЛ. 1 0 1 ВЫКЛ. ВКЛ. 1 1 0 ВЫКЛ. ВКЛ. 1 1 1 ВКЛ. ВЫКЛ. 0 Рис. 1.34 в обобщенном виде показывает блоки, необходимые для построения любого инвертированного логического вентиля, такого как НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Глава 1 От нуля до единицы 94 Рис. 1.34 Общая форма инвертирующего логического вентиля Транзисторы n-МОП хорошо передают 0, поэтому схема, понижающая логический уровень (pull-down network), составленная из таких транзисторов, помещается между выходным контактом и землей GND для передачи 0 на выход. Транзисторы p-МОП хорошо передают 1, поэтому схема, повышающая логический уровень (pull-up network), составленная из таких транзисторов, помещается между выходным контактом и напряжением питания V DD для передачи 1 на выход. Понижающая и повышающая схемы могут состоять из транзисторов, соединенных как параллельно, так и последовательно. Причем при параллельном соединении транзисторов вся схема включена, если включен хотя бы один из транзисторов. При последовательном соединении схема включена, только если оба транзистора включены. Глава 1 От нуля до единицы 95 Косая черта на входной линии указывает на то, что этот логический элемент имеет несколько входов. Опытные разработчики утверждают, что электронные устройства работают, пока они содержат внутри магический дым. Для подтверждения этой теории они ссылаются на наблюдения, в ходе которых было установлено, что если магический дым по каким-то причинам уходит из устройства наружу, то это устройство прекращает функционировать. Глава 1 От нуля до единицы 96 Если и понижающую, и повышающую части схемы включить одновременно, то во всей схеме возникнет короткое замыкание между напряжением питания V DD и землей GND. Сигнал на выходном контакте может оказаться в запретной зоне, а транзисторы, потребляющие при этом большое количество энергии, могут перегореть. С другой стороны, если и понижающую и повышающую части схемы одновременно выключить, то выходной сигнал будет отключен и от V DD, и от GND. В этом случае говорят, что выходной сигнал плавает (floats). Его значение, так же как и в случае одновременно включенных схем, не определено. Наличие плавающего сигнала на выходе системы обычно нежелательно, но в разделе 2.6 мы рассмотрим, как разработчик может использовать такие сигналы. В правильно функционирующем логическом вентиле в любой момент времени одна из схем должна быть включена, а другая выключена, и напряжение на выходе должно быть или высоким (V DD ), или низким (GND). Ни короткое замыкание, ни плавающее значение сигнала не допускается. Чтобы гарантировать это условие, пользуются правилом дополнения проводимости (conduction complements). Если n-МОП-транзисторы в какой-либо цепи соединены последовательно, то p-МОП-транзисторы в этой же цепи должно быть соединены параллельно. Если же n-МОП-транзисторы соединены параллельно, то p-МОП-транзисторы должны соединяться последовательно. Глава 1 От нуля до единицы 97 Пример 1.20 СХЕМА ВЕНТИЛЯ И-НЕ С ТРЕМЯ ВХОДАМИ Нарисуйте схему вентиля И-НЕ с тремя входами, используя КМОП-транзисторы. Решение: Вентиль И-НЕ должен выдать 0 только в том случае, если все входы равны 1. Следовательно, схема, понижающая логический уровень, должна иметь 3 последовательно включенных n-МОП-транзистора. По правилу дополнений (Conduction complements rule) p-МОП-транзисторы должны быть включены параллельно. Такой вентиль показан на Рис. 1.35 Вы можете удостовериться в правильности функционирования проверкой таблицы истинности. Рис. 1.35 Схема вентиля И-НЕ с тремя входами Глава 1 От нуля до единицы 98 Пример 1.21 СХЕМА ВЕНТИЛЯ ИЛИ-НЕ С ДВУМЯ ВХОДАМИ Нарисуйте схему вентиля ИЛИ-НЕ с двумя входами, используя КМОП транзисторы. Решение: Вентиль ИЛИ-НЕ должен выдавать 0, если хотя бы один из входов равен 1. Следовательно, схема, понижающая логический уровень, должна иметь 2 n-МОП-транзистора, включенных параллельно. По правилу дополнений (Conduction complements rule) p-МОП транзисторы должны быть включены последовательно. Такой вентиль показан на Рис. 1.36 Пример 1.22 СХЕМА ВЕНТИЛЯ И С ДВУМЯ ВХОДАМИ Нарисуйте схему для вентиля И с двумя входами, используя КМОП транзисторы. Решение: Схему И невозможно построить на основе одного КМОП-вентиля. Однако, построение И-НЕ и НЕ вентилей – дело довольно простое. Итак, лучший способ построить вентиль И, используя КМОП транзисторы, состоит в том, чтобы использовать И-НЕ, за которым следует НЕ, как показано на Рис. 1.37 Рис. 1.36 Схема вентиля ИЛИ-НЕ с двумя входами Рис. 1.37 Схема вентиля И с двумя входами |