Релейно-контактные вентили

В 1938 году известный специалист в области теории информации Клод Шеннон предложил использовать для моделирования основных логических операций релейно-контактные электрические схемы. Этот подход был использован в электромеханических релейных вычислительных машинах Z-3 (Германия, Конрад Цузе, 1936), «Марк 2» (США, Говард Айкен, 1947), РВМ-1 (СССР, Н.И. Бессонов, 1951) и в целом ряде других машин.

В качестве примера рассмотрим изображённую на рис. 16 реализацию логических операций коньюнкции и дизьюнкции с помощью схем, которые принято называть вентилями «И» и «ИЛИ» соответственно. Логические операнды в этих схемах соответствуют релейно-контактным переключателям, которые на рисунке обозначены как р и q. При этом логическое значение 0 и 1 моделируются соответственно разомкнутым и замкнутым состояниями контакта. Результат операции отображается включённой в сеть лампочкой. Если лампочка не горит, результат равен 0; горящая лампочка соответствует результату, равному 1. Иначе говоря знаки двоичного алфавита 0 и 1 моделируются отсутствием или наличием тока в цепи соответственно. Переключатели называются релейными потому, что управление ими обычно осуществляется с помощью электромагнитных реле.

Рис. 16. Вентили «И» и «ИЛИ» на базе релейно-контактной схемы.

Основным недостатком описанного способа реализации операций над данными является наличие механических перемещений контактов релейной схемы, которые требуют значительных временных затрат. Время выполнения операции определяется временем, в течение которого производится замыкание или размыкание контакта. Даже в самых современных релейных устройствах на это требуются сотые доли секунды. Именно это обстоятельство привело к тому, что уже в 1950-е годы релейные вычислительные машины были вытеснены сначала ламповыми, а затем транзисторными компьютерами.

Электронные технологии и элементы, на основе которых создавались ЭВМ, многократно изменялись. Первое поколение ЭВМ строилось на релейных схемах, второе – на электронных лампах, третье - на дискретных полупроводниковых приборах (диодах и триодах - транзисторах), следующие поколения - на интегральных полупроводниковых схемах.

Все современные вентили реализуются на основе полупроводниковых устройств – транзисторов или их аналогов в интегральных схемах, характерное время срабатывания которых приближается к долям наносекунды (1 нс = 10^-9 с.)

Изменялись электронные полупроводниковые элементы по виду используемых элементов, типу связей между транзисторами. В частности, использовались следующие системы элементов:

• резисторно - диодные;

• резисторно - транзисторные;

• феррито- транзисторные;

• диодно- транзисторные;

• транзисторно- транзисторные.

Наиболее широкое распространение в современных интегральных схемах получили транзисторно-транзисторные системы элементов (ТТЛ транзисторно-транзисторная логика), в которых роль резисторов и диодов выполняют транзисторы с фиксированными напряжениями на своих электродах.

В машинах третьего поколения применялись биполярные германиевые и кремневые рпр- и прп- транзисторы;

В интегральных схемах применяются униполярные полевые МОП - транзисторы (МОП- металл-оксид-полупроводник, или MOS - Metal-Oxide- Semiconductor).

Транзистор, полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В общем случае транзистором называют любое устройство, которое имитирует главное свойство транзистора - изменения сигнала между двумя различными состояниями при изменении сигнала на управляющем электроде.

Полевые транзисторы имеют три электрода, см. рис. 16.1.

• затвор (аналог базы биполярных транзисторов);

• исток (аналог эмиттера);

• сток (аналог коллектора).

Затвор электрически изолирован от прочих электродов пленкой оксида кремния, управляет протеканием тока между истоком и стоком не путем диффузии электронов (как в прп - транзисторах) или дырок (как в рпр- транзисторах), а создаваемым им электростатическим полем. Поэтому МОП - транзисторы и называют полевыми.

Униполярные транзисторы имеют большее быстродействие, нежели биполярные, так как механизм их работы не связан с медленными диффузионными процессами. Элементы транзистора размещены на плоской кремниевой подложке (рис. 16.1).

Рис. 16.1. Структура полевого транзистора.

Изменялась и архитектура систем логических элементов. Полевые транзисторы имеют несколько разновидностей:

• nМОП;

• pМОП;

• МОП с дополнительной симметрией (КМОП - транзисторы - комплементарная структура металл-оксид-полупроводник, CMOS - Complementary Metal Oxide Semiconductor).

С целью радикального снижения энергопотребления в одном логическом элементе могут применяться транзисторы обоих типов проводимости, как с каналом n-типа, так и с каналом p-типа. Такая схема называется КМОП - "комплементарная". КМОП структуры требуют большего числа технологических операции при изготовлении, что первоначально ограничивало достижимую степень интеграции (довольно долго по этому параметру лидировали n-МОП структуры).

Первоначально полевые транзисторы назывались МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-проводник), но, поскольку в качестве диэлектрика стал использоваться оксид кремния, их переименовали в МОП транзисторы. Но, вероятно, в ближайшее время придется вернуться к их первоначальному названию, ибо в качестве изолятора начинает использоваться другой более эффективный диэлектрик, обладающий меньшей, чем оксид, диэлектрической проницаемостью и тем самым создающий меньшие величины паразитных емкостей между электродами.

КМОП-схемы имеют меньшее энергопотребление чем биполярные транзисторы и другие типы полевых транзисторов, могут более плотно упаковываться; созданные на их основе интегральные схемы могут использоваться в более миниатюрном масштабе микротехнологий.

В настоящее время КМОП-транзисторы применяются и в системах оперативной памяти и флэш-памяти. В модулях оперативной памяти для хранения одного бита информации используется конденсатор. Величина заряда этой емкости определяет хранимый бит: наличие заряда — «0», отсутствие заряда - «1».

В КМОП-транзисторах флэш-памяти для обеспечения энергонезависимости под затвором помещен еще один, так называемый плавающий затвор, см. рис. 16.2. 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.

Изготавливаются интегральные схемы с МОП-транзисторами по планарной технологии. На поверхность пластины из полупроводника (кремния) наносится защитный слой диэлектрика (обычно - диоксид 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 р-областей используются трехвалентные материалы (бор, галлий, алюминий), а для создания n-областей - пятивалентные материалы (сурьма, мышьяк, фосфор).

Рис. 16.2. Структура элемента флэш-памяти

Перспективной является разработанная в университете Буффало технология использования «самоорганизующихся» химических веществ - материалов с микроскопическими структурами («квантовыми точками») при изготовлении полупроводниковых приборов.

Дата добавления: 2014-01-07