CC BY
2ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ INTEGRATED ELECTRONICS ELEMENTS
Научная статья УДК 621.3.049.774.3
doi:10.24151/1561-5405-2024-29-3-310-318 EDN: AASYHU
Исследование влияния оптического излучения на интегральную микросхему ТТЛ-типа
С. Ш. Рехвиашвили1'2, Д. С. Гаев2
1 Институт прикладной математики и автоматизации Кабардино-Балкарского научного центра Российской академии наук, г. Нальчик, Россия
2Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х. М. Бербекова, г. Нальчик, Россия
Аннотация. Задача повышения быстродействия полупроводниковых интегральных микросхем цифровых устройств решается схемотехническими и конструктивно-технологическими методами. К схемотехническим методам относятся форсирование динамического режима с помощью корректирующих цепей, использование фиксирующих и шунтирующих диодов, нелинейной обратной связи и токовых переключателей. Конструктивно-технологические методы включают в себя миниатюризацию активных и пассивных компонентов на чипе, уменьшение паразитных емкостей, работу в режимах с высокими значениями плотностей токов базы и коллектора или тока стока, снижение перепадов напряжений между низкими и высокими уровнями в сигналах. Повышение быстродействия возможно также за счет применения принципов оптоэлектроники. В работе представлены результаты исследований функционирования интегральной микросхемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ-типа) при воздействии на нее немодулированного излучения, создаваемого красным лазером. Измерены статические и динамические характеристики микросхемы при различных интенсивностях воздействия. Показано, что изменение характеристик при оптическом воздействии обусловлено увеличением времени жизни неравновесных носителей заряда и фотовольтаическим эффектом в ^-«-переходах. Разработана SPICE-модель сложного инвертора ТТЛ-типа, учитывающая указанные физические эффекты. Результаты схемотехнического моделирования качественно воспроизводят полученные экспериментальные результаты. Проведенные исследования могут быть применены для создания быстродействующих интегральных микросхем на биполярных транзисторах принципиально нового типа.
© С. Ш. Рехвиашвили, Д. С. Гаев, 2024
Ключевые слова: интегральная микросхема ТТЛ-типа, статические и динамические характеристики, оптическое излучение, быстродействие, схемотехническое моделирование
Финансирование работы : работа выполнена в рамках госзаданий ИПМА КБНЦ РАН и КБГУ.
Для цитирования: Рехвиашвили С. Ш., Гаев Д. С. Исследование влияния оптического излучения на интегральную микросхему ТТЛ-типа // Изв. вузов. Электроника. 2024. Т. 29. № 3. С. 310-318. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2024-29-3-310-318. - EDN: AASYHU.
Original article
Investigation of the effect of optical radiation on the TTL integrated circuit
S. Sh. Rekhviashvili1,2, D. S. Gaev2
institute of Applied Mathematics and Automation
of the Kabardino-Balkar Scientific Center of the Russian Academy
of Sciences, Nalchik, Russia
2Kabardino-Balkarian State University named after H. M. Berbekov, Nalchik, Russia
Abstract. The problem of increasing the performance of semiconductor integrated circuits of digital devices is solved by circuit engineering and structural and technological methods. Circuit engineering methods include forcing the dynamic mode with the help of corrective circuits, the use of locking and shunt diodes, nonlinear feedback and current switches. Constructive and technological methods include miniaturization of active and passive components on a chip, reduction of parasitic capacitances, operation in modes with high values of the base and collector current densities or drain current, reduction of voltage differences between low and high levels in signals. An increase in performance is also possible due to the application of the optoelectronics principles. In this work, the results of investigation of the operation of a transistor-transistor logic (TTL) integrated circuit when exposed to unmodulated radiation generated by a red laser are presented. The static and dynamic characteristics of the chip were measured at different exposure intensities. It was demonstrated that the change in characteristics under optical influence is due to an increase in the lifetime of nonequilibrium charge carriers and the photovoltaic effect in p-n junctions. A SPICE model of a complex TTL type inverter considering these physical effects has been developed. The results of circuit simulation qualitatively reproduce the experimental results obtained. The conducted research can be applied to create high-speed integrated circuits on bipolar transistors of a fundamentally new type.
Keywords: TTL integrated circuit, static and dynamic characteristics, optical radiation, operating speed, circuit simulation
Funding: the work was carried out within the framework of the state assignments of IAMA KBSC RAS and KBSU.
For citation: Rekhviashvili S. Sh., Gaev D. S. Investigation of the effect of optical radiation on the TTL integrated circuit. Proc. Univ. Electronics, 2024, vol. 29, no. 3, pp. 310-318. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2024-29-3-310-318. - EDN: AASYHU.
Введение. Интегральные микросхемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) характеризуются надежностью, высоким быстродействием (десятки мегагерц), устойчивостью к статическим зарядам. Микросхемы ТТЛ-типа изготавливаются по планар-ной технологии на биполярных транзисторах. К недостаткам микросхем данного типа можно отнести невысокую степень интеграции (небольшое количество логических элементов на кристалле), чувствительность к напряжению питания и высокий ток потребления (от 10 до 120 мА в зависимости от типа микросхемы). Кроме того, микросхемы ТТЛ-типа по уровням токов и напряжений несовместимы с распространенными МОП-микросхемами и микросхемами эмиттерно-связанной логики. Для их совместного использования требуются специальные микросхемы - преобразователи уровня. Для микросхем ТТЛ-типа напряжение логической единицы находится в интервале от 2,4 В до напряжения питания, т. е. до значения не более 5 В, напряжение логического нуля, как правило, не превышает 0,5 В.
Несмотря на недостатки, микросхемы ТТЛ-типа активно используются. В частности, микросхема К155ЛА3 (зарубежный аналог - SN7400N) применяется в несложных электронно-вычислительных системах, средствах автоматики и контрольно-измерительных приборах. На основе этой цифровой микросхемы изготавливаются аналоговые усилители с отрицательной обратной связью. На микросхемах ТТЛ-типа серии 7400 со средней степенью интеграции реализован центральный процессор 8-битного компьютера Gigatron TTL. Таким образом, простая и сбалансированная конструкция, состоящая из пассивных и активных компонентов, отработанная технология изготовления микросхем ТТЛ-типа [1] делают их удобными объектами для исследования различных физических процессов, протекающих в кремниевых интегральных структурах.
В настоящей работе исследуется воздействие на стандартную микросхему ТТЛ-типа немодулированного оптического излучения. Отметим, что использовать постоянное оптическое воздействие впервые предложено в [2] для повышения быстродействия транзисторов и транзисторных интегральных микросхем. Главное отличие такого подхода от известных технических решений в оптоэлектронике заключается в отсутствии физических и конструктивных ограничений, порождаемых гальванической развязкой в управляющих цепях. Традиционная структура интегральной микросхемы сохраняется, но дополняется внешним источником непрерывного оптического излучения.
Методы исследования. Исследовали микросхему К155ЛА3 (рис. 1). Корпус микросхемы DIP сошлифовывали с лицевой стороны так, чтобы оставался тонкий защитный полимерный слой, но через него излучение могло проникать в кристалл. В качестве источника излучения применяли красный маломощный полупроводниковый лазер с длиной волны 650 нм. Интенсивность засветки фиксировали, когда на осциллограмме выходного сигнала стабилизировались максимальные изменения. Измерены осциллограммы сигналов и передаточные характеристики по напряжению при работе микросхемы в качестве инвертора. Амплитуду входного переменного сигнала выбирали вблизи порога срабатывания. Напряжение питания микросхемы составляло 4,3 В, т. е. ниже номинального значения. Результаты измерений представлены на рис. 2 и 3.
Рис. 1. Базовый элемент микросхемы К155ЛА3 Fig. 1. The basic element of the K155LA3 chip
1
I
f-
\ ятт:
2
иmm son mr/л ел.
1 MK c/flej
б
Рис. 2. Осциллограммы сигналов: а - без оптического воздействия; б - с оптическим воздействием (1 - входной сигнал; 2 - выходной сигнал) Fig. 2. Waveforms of signals: a - without optical effect; b - with optical effect (1 - input signal; 2 - output signal)
Напряжения переключения находятся на пересечении передаточной характеристики и линии равных потенциалов. Для исследованной микросхемы с оптическим воздействием и без него эти напряжения составляют 1,25 и 1,35 В соответственно. Кроме красного лазера тестировали зеленый (длина волны 532 нм) и синий (длина волны 450 нм) маломощные полупроводниковые лазеры. Выявлено, что с уменьшением длины волны излучения наблюдаемые в микросхеме эффекты снижаются. Таким образом, наиболее предпочтительным оказался красный лазер.
Схемотехническое моделирование осуществляли с помощью программы ЬТБрюе, которая имеет все необходимые вычислительные возможности [3] и находится в свободном доступе.
Результаты и их обсуждение. Фоновое оптическое воздействие на микросхему ТТЛ-типа приводит к снижению порога срабатывания и уменьшению времени переходных процессов. При этом обеспечивается ее устойчивая работа при пониженных значениях логического перепада. Если облучать непосредственно поверхность кристалла без слоя полимера, то вместо лазера можно использовать светодиод [2]. Эффективность применения красного лазера, вероятно, обусловлена двумя факторами, связанными с особенностями оптического поглощения полимерного материала корпуса и кремниевого чипа приборной структуры. С одной стороны, с увеличением длины волны внешнего излучения полимерный материал становится более прозрачным, что ведет к увеличению относительной доли внешнего излучения, попадающего на кремниевый чип. С другой стороны, воздействие излучением с длинами волн меньше, чем длина волны, при которой наблюдается максимум фотопроводимости кремния, приводит к росту поглощения в приповерхностном слое кремниевого чипа за счет активации процессов поверхностной рекомбинации, это также уменьшает долю воздействующего излучения в объеме кристалла.
Интерпретацию полученных экспериментальных результатов проводили с помощью схемотехнического моделирования сложного инвертора ТТЛ-типа (см. рис. 1), на основе которого построена микросхема К155ЛА3. В качестве исходных данных для моделирования взяты типовые значения токов и напряжений, номиналов резисторов и параметров полупроводниковых приборов. Фотовольтаический эффект на ^-и-переходах транзисторов и диода учитывали посредством подключения к их выводам идеальных источников тока с учетом требуемой полярности. Значения токов этих источников, а также значения внутренних параметров транзисторов и диода определяли эмпирически в машинном эксперименте. Предполагалось также, что фототоки на эмиттерных переходах в полтора раза превышают фототоки на коллекторных переходах. Для того чтобы учесть уменьшение сопротивлений резисторов и базовых областей в результате облучения, все номиналы умножали на один и тот же осредненный коэффициент, равный 0,85. Оценка данного коэффициента проведена отдельно при лазер-
Рис. 3. Передаточные характеристики по напряжению: 1 - без оптического воздействия;
2 - с оптическим воздействием;---линия
равных потенциалов Fig. 3. Voltage transfer characteristics: 1 - without
optical effect; 2 - with optical effect;---a line
of equal potentials
ном облучении с различными интенсивностями образца р-кремния, имеющего свойства базовой области микросхемы. SPICE-модель инвертора имеет вид
* TTL INVERTER
V1 1 0 PULSE(0 1.3 0 1n 1n 5u 10u)
V2 4 0 DC 4.3
R1 4 2 4k
R2 5 4 1.6k
R3 7 6 500
R4 8 6 250
R5 9 4 130
X1 3 2 1 DEVICE1
X2 5 3 6 DEVICE1
X3 8 7 0 DEVICE1
X4 9 5 10 DEVICE1
X5 11 6 0 DEVICE1
X6 10 11 DEVICE2
SUBCKT DEVICE1 COLLECTOR BASE EMITTER
QTTL COLLECTOR BASE EMITTER TRANSISTOR
MODEL TRANSISTOR NPN(BF=30 BR=0.05 IS=0.1f RB=100
+ CJE=0.5p CJC=0.1p TF=2n TR=200n)
IE EMITTER BASE 45p
IC COLLECTOR BASE 30p
.ENDS
SUBCKT DEVICE2 ANODE CATHODE DTTL ANODE CATHODE DIODE MODEL DIODE D(IS=0.1f RS=100 CJO=0.5p TT=2n) IAC CATHODE ANODE 45p .ENDS
.TRAN 0.01u 20u PRINT TRAN V(1) V(11) .DC V1 0 2 0.01 PRINT DC V(11) .END
Моделирование показывает, что увеличение фототоков р-и-переходов при прочих одинаковых условиях уменьшает напряжение высокого уровня. Но в реальных экспериментах наблюдается также и выравнивание фронтов выходного сигнала и уменьшение напряжения переключения микросхемы (см. рис. 2 и 3). Отсюда следует, что в расчетах необходимо принимать во внимание возможные изменения параметров пассивных и активных компонентов.
При повышении интенсивности оптического воздействия происходит линейное увеличение коэффициентов передачи транзисторов в активном ß^ и инверсном ß« режимах в зависимости от электрической мощности накачки в широком диапазоне [2]. Причем ß^, как правило, изменяется значительнее, чем ß«. По всей вероятности, в случае с элементами ТТЛ-типа параметр ß« может оставаться почти неизменным, что связано со сложной и многослойной конструкцией коллектора в планарной биполярной структуре. Большое влияние на статические и динамические характеристики оказывает увеличение сквозного тока насыщения транзистора Is, т. е. тока, протекающего между коллектором и эмиттером через оба р-и-перехода при разомкнутой цепи базы. Это объясняется тем, что в биполярных транзисторах определяющую роль играют неосновные
носители заряда, концентрация которых в базовых областях при оптическом воздействии может увеличиваться на порядки. Кроме того, нельзя пренебрегать уменьшением встроенных сопротивлений базовых областей транзисторов и диода. Встроенные сопротивления эмиттера и коллектора всегда малы, поэтому при моделировании их можно не учитывать. На рис. 4 и 5 представлены результаты моделирования. Видно, что теоретические расчеты качественно воспроизводят экспериментальные результаты, которые показаны на рис. 2 и 3.
Без излуч _______
—
/
400 мВ/д< •л. 2
2 мкс/'дсл С излуче! шем
/
Рис. 4. Модельные осциллограммы сигналов: 1 - входной сигнал; 2 - выходной сигнал Fig. 4. Model waveforms of signals: 1 - input signal; 2 - output signal
Для повышения быстродействия элементов ТТЛ-типа номиналы всех резисторов можно до некоторой степени понижать, что приведет к сокращению времени задержки распространения сигнала и увеличению максимальной рабочей частоты [4-6]. Скорость переключения биполярного транзистора лимитируется временем рассасывания зарядов в базе. Поэтому другой эффективный способ повышения быстродействия микросхем ТТЛ-типа основан на применении транзисторов с диодами Шоттки [4-6], которые предотвращают накопление неосновных носителей зарядов в базовых областях, устраняют режим насыщения транзисторов и тем самым уменьшают результирующее время переключения. Эти механизмы в рассматриваемом случае совокупно отрабатываются за счет внешнего оптического воздействия на микросхему. Таким образом, моделирование позволяет сделать следующий вывод: одновременное увеличение эмиттерных и коллекторных фототоков и сквозных токов насыщения транзисторов приводит к снижению порога переключения микросхемы, уменьшению влияния барьерных емкостей и, как следствие, к уменьшению времени установления переходного процесса.
В планарной биполярной структуре при постоянном внешнем оптическом воздействии возникают следующие физические процессы. При высоких значениях концентраций генерируемых электронов и дырок роль ловушек снижается и диффузионные длины и времена жизни электронов и дырок возрастают. Это, в свою очередь, вызывает рост коэффициентов передачи транзисторов. Увеличение времени жизни неравновесных носителей заряда в условиях фоновой засветки подтверждается измерениями фотопроводимости [7, с. 417-437]. Отметим, что аналогичные результаты получены в ра-
0 0,5 1,0 1,5 t/in,B
Рис. 5. Модельные передаточные характеристики по напряжению: 1 - без оптического воздействия; 2 - с оптическим воздействием Fig. 5. Model voltage transfer characteristics: 1 - without optical effect; 2 - with optical effect
ботах [8, 9] при измерении СВЧ-проводимости в кремнии и объяснены образованием экситонов. В зависимости от напряжения смещения и длины волны внешнего излучения электрическая емкость фотодиодов может увеличиваться до двух раз по сравнению с темновым режимом [10]. В случае с микросхемой этот эффект не сказывается на осциллограммах выходного сигнала вследствие возрастания сквозных токов насыщения транзисторов. В ^-n-переходах возникает фотовольтаический эффект, который является причиной появления добавочных токов в транзисторной структуре. Наличие данных токов способствует быстрому рассасыванию неосновных носителей заряда в базовых областях и снижению логических уровней, что в некоторой степени аналогично работе диода с резким восстановлением (Step Recovery Diode, SRD).
Заключение. Изучение особенностей функционирования микросхемы К155ЛА3 ТТЛ-типа при воздействии на нее постоянного оптического излучения, создаваемого красным маломощным полупроводниковым лазером, показало следующее. Непрерывная фоновая засветка позволяет снизить порог переключения микросхемы, уменьшить влияние барьерных емкостей и сократить время установления переходного процесса. Проведенное схемотехническое моделирование сложного инвертора ТТЛ-типа дало возможность объяснить экспериментальные результаты. В кристалле микросхемы имеют место по меньшей мере два физических явления: при высоких значениях концентраций генерируемых электронов и дырок роль ловушек снижается и диффузионные длины и времена жизни электронов и дырок возрастают; в ^-n-переходах возникает фотовольтаический эффект, который приводит к появлению добавочных токов в транзисторных структурах микросхемы.
Литература
1. Тилл У., Лаксон Дж. Интегральные схемы: Материалы, приборы, изготовление / пер. с англ. М. Б. Левина, В. Г. Микуцкого. М.: Мир, 1985. 504 с.
2. Пат. 2799113 РФ. Способ повышения быстродействия транзисторов и транзисторных интегральных схем / С. Ш. Рехвиашвили, В. В. Нарожнов; заявл. 18.03.2022; опубл. 04.07.2023, Бюл. № 19. 9 с. EDN: LBNUKU.
3. Володин В. Я. LTspice: компьютерное моделирование электронных схем. СПб.: БХВ-Петербург, 2010. 389 с.
4. TTL Logic data book: Standard TTL, Schottky, low-power Schottky circuits. Rev. ed. Dallas: Texas Instruments, 1988. 1100 p.
5. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Лаб. базовых знаний, 2003. 488 с.
6. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и микропроцессорная техника. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 2005. 790 с.
7. Полупроводники / пер. с англ.; под ред. Н. Б. Хеннея. М.: Изд-во иностр. лит., 1962. 667 с.
8. Бородовский П. А., Булдыгин А. Ф., Токарев А. С. О некоторых эффектах, наблюдаемых при СВЧ-измерениях времени жизни в слитках кремния // Микроэлектроника. 2006. Т. 35. № 6. С. 403-408. EDN: HZFTHV.
9. Бородовский П. А., Булдыгин А. Ф., Голод С. В. Аномальная релаксация фотопроводимости в кремнии при высоких уровнях инжекции // ФТП. 2009. Т. 43. № 3. С. 329-331. EDN: RCPWYT.
10. Measurement of photo capacitance in amorphous silicon photodiodes / D. Gonçalves, L. M. Fernandes, P. Louro et al. // Technological innovation for the Internet of Things: 4th IFIP WG 5.5/SOCOLNET doctoral conference on computing, electrical and industrial systems (DoCEIS 2013). Berlin; Heidelberg: Springer, 2013. P. 547-554. https://doi.org/10.1007/978-3-642-37291-9_59
Статья поступила в редакцию 28.08.2023 г.; одобрена после рецензирования 03.10.2023 г.;
принята к публикации 10.04.2024 г.
Информация об авторах
Рехвиашвили Серго Шотович - доктор физико-математических наук, заведующий отделом теоретической и математической физики Института прикладной математики и автоматизации Кабардино-Балкарского научного центра Российской академии наук (Россия, 360000, Кабардино-Балкарская Республика, г. Нальчик, ул. Шор-танова, 89А), [email protected]
Гаев Дахир Сайдулахович - кандидат химических наук, директор Научно-технологического центра микроэлектроники и нанотехнологий Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х. М. Бербекова (Россия, 360004, Кабардино-Балкарская Республика, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173), [email protected]
References
1. Till W. C., Luxon J. T. Integrated circuits: Materials, devices, and fabrication. Englewood Cliffs, NJ, Prentice-Hall, 1982. x, 452 p.
2. Rekhviashvili S. Sh., Narozhnov V. V. Method for increasing speed of transistors and transistor integrated circuits. Patent 2799113 RF, publ. 04.07.2023, Bull. no. 19. 9 p. (In Russian). EDN: LBNUKU.
3. Volodin V. Ya. LTspice: Computer simulation of electronic circuits. St. Petersburg, BKhV-Peterburg Publ., 2010. 389 p. (In Russian).
4. TTL Logic data book: Standard TTL, Schottky, low-power Schottky circuits. Rev. ed. Dallas, Texas Instruments, 1988. 1100 p.
5. Stepanenko I. P. Fundamentals of microelectronics. 2nd ed., rev. and upd. Moscow, Lab. bazovykh znaniy Publ., 2003. 488 p. (In Russian).
6. Gusev V. G., Gusev Yu. M. Electronics and microprocessor technology. 3rd ed., rev. and upd. Moscow, Vyssh. shk. Publ., 2005. 790 p. (In Russian).
7. Hannay N. B., ed. Semiconductors. N. Y., Reinhold, 1959. xxiii, 767 p.
8. Borodovskii P. A., Buldygin A. F., Tokarev A. S. Anomalous photoconductivity decay observed in microwave measurements of carrier lifetime in silicon ingots. Russ. Microelectron., 2006, vol. 35, iss. 6, pp. 345-349. https://doi.org/10.1134/S1063739706060011
9. Borodovskii P. A., Buldygin A. F., Golod S. V. Anomalous relaxation of photoconductivity in silicon at high excitation levels. Semiconductors, 2009, vol. 43, iss. 3, pp. 310-312. https://doi.org/10.1134/ S1063782609030099
10. Gongalves D., Fernandes L. M., Louro P., Vieira M., Fantoni A. Measurement of photo capacitance in amorphous silicon photodiodes. Technological innovation for the Internet of Things: 4th IFIP WG 5.5/SOCOLNET doctoral conference on computing, electrical and industrial systems (DoCEIS 2013). Berlin, Heidelberg, Springer, 2013, pp. 547-554. https://doi.org/10.1007/978-3-642-37291-9_59
The article was submitted 28.08.2023; approved after reviewing 03.10.2023;
accepted for publication 10.04.2024.
Information about the authors
Sergo Sh. Rekhviashvili - Dr. Sci. (Phys.-Math.), Head of the of Theoretical and Mathematical Physics Department, Institute of Applied Mathematics and Automation of the Kabardino-Balkar Scientific Center of the Russian Academy of Sciences (Russia, 360000, Kabardino-Balkarian Republic, Nalchik, Shortanov st., 89A), [email protected]
Dakhir S. Gaev - Cand. Sci. (Chem.), Director of the Scientific and Technological Center of Microelectronics and Nanotechnology, Kabardino-Balkarian State University named after H. M. Berbekov (Russia, 360004, Kabardino-Balkarian Republic, Nalchik, Chernyshevsky st., 173), [email protected]
