الکترونیک دیجیتال اجزای مدارات دیجیتال دکتر سعید شیری Amirkabir University of Technology Computer Engineering & Information Technology Department

مقدمه اجزای اصلی سازنده مدارات دیجیتال را میتوان به صورت ترانزیستورهای MOS ، دیودها و سیمهای ارتباط دهنده آنها نام برد. ترانزیستورها سالهاست که در مدارات دیجیتال مورد مطالعه بوده اند اما تاثیر سیمها در کارکرد مدار در سالهای اخیر اهمیت بیشتری داشته اند که در اثر کوچک تر شدن مدارات و افزایش سرعت آنها بوجود آمده است. برای بررسی نقش هر یک از اجرای مدار مدلی برای هر یک از عناصر تعریف میشود که کار تحلیل و شبیه سازی مدار را تسهیل میکند. از مدلهای ساده میتوان برای تحلیل دستی مدارات استفاده نمود ولی آنها ممکن است دقت کمی داشته باشند. در جاهائیکه دقت بیشتری مورد نیاز باشد از مدلهای پیچیده تر استفاده خواهد شد که عمدتا برای شبیه سازی کامپیوتری مورد استفاده قرار میگیرند. در این فصل مدلهای مختلفی معرفی خواهند شد.

دیود دیود بندرت بصورت مستقیم در مدارات دیجیتال بکار برده میشود. اما بصورت غیر مستقیم در همه جای مدار وجود دارد. هر ترانزیستور MOS خود حاوی چند دیود با گرایش معکوس است که عملکرد آن را تحت تاثیر قرار میدهند. خازنهای وابسته به ولتاژی که از این دیودهای پارازیتی تشکیل میشوند نقش مهمی در رفتار سوئیچینگ گیتهای MOS دارد. از دیودها همچنین برای محافظت ورودی های مدارات دیجیتال در مقابل بارهای استاتیکی استفاده میشود. Electro-Static Discharge (ESD) Protection

دیود پیوند PN پیوند PN ساده ترین عنصر المان نیمه هادی است که از دو ناحیه P و N ساخته میشود. ناحیه P با استفاده از یک ناخالصی پذیرنده نظیر Boron و ناحیه N با استفاده از یک ناخالصی دهنده نظیر فسفر ساخته میشود. در بین دو ناحیه یک ناحیه تخلیه بوجود می آید. p n B A SiO 2 Al Cross-section of pn -junction in an IC process n p A B Al One-dimensional representation A B diode symbol

ایجاد جریان مجاورت دو ناحیه N و P باعث میشود تا غلظت عناصر دارای گرادیان بزرگی شود.غلظت الکترون ها( حفره ها) در ناحیه N (P) زیاد بود و در ناحیه P (N) بشدت کم میشود. این گرادیان باعث میشود تا الکترونها از ناحیه N به ناحیه P نفوذ نمایند. همین امر برای ناقلهای اکثریت ناحیه دیگر اتفاق میافتد (جریان نفوذی). حرکت ناقلها باعث باقی ماندن یون های غیر متحرک در ناحیه مربوطه میشود. در ناحیه اتصال بین دو نمیه هادی تعداد زیادی ناقل اکثریت محل خود را ترک کرده و یونهائی که برجای باقی میمانند تشکیل یک ناحیه تخلیه میدهند که در آن تمام ناقلهای متحرک محل خود را ترک گفته اند. وجود یونها در این ناحیه سبب به وجود آمدن یک میدان الکتریکی در مرز بین دو نیمه هادی میشود. این میدان باعث میشود تا ناقلها نتوانند از ناحیه تخلیه عبود کنند در نتیجه در حالت تعادل جریان عبوری از ناحیه صفر خواهد بود. در واقع میتوان گفت که این میدان یک جریان رانشی (drift) بوجود می آورد که با جریان نفوذی قبلی برابری کرده و آنرا خنثی میکند.

ناحیه تخلیه In this figure P is more heavily doped than n (NA>ND), where NA and ND are the acceptor and donor concentrations

ناحیه تخلیه در حالتیکه ولتاژ بایاس صفر است، در ناحیه تخلیه اختلاف پتانسیلی برابر با مقدار زیر بوجود می آید که Built-in Potential نامیده میشود. ni= غلظت ناقلهای ذاتی در یک نیمه هادی خالص ( ) : ولتاژ حرارتی

دیود در گرایش مستقیم در گرایش مستقیم ولتاژ مثبتی به ناحیه p اعمال میشود تا پتانسیل آن افزوده گردد. اینکار باعث کاهش پتانسیل موجود در ناحیه تخلیه میگردد. در اثر کاهش ولتاژ ناحیه تخلیه، جریان نفوذی بیشتر خواهد شد. ناقلهائی که با عبور از ناحیه تخلیه به ناحیه مقابل میرسند در آنجا بعنوان ناقلهای اقلیت محسوب شده و با ناقلهای اکثریت موجود در آنجا ترکیب میشوند. نتیجه این نفوذ ناقلها باعث ایجاد یک جریان از p به سمت n خواهد شد.

توزیع حاملهای اقلیت در گرایش مستقیم

رابطه جریان دیود رابطه جریان دیود با ولتاژ اعمالی به آن در گرایش مستقیم را میتوان با یک رابطه نمائی نشان داد: مقدار IS یا جریان اشباع بستگی به سطح دیود دارد و تابعی از مقدار غلظت ناخالصی های دیود است. در اغلب موارد مقدار آن بصورت تجربی بدست می آید. در گرایش معکوس مقدار جریان اندکی بیشتر از IS خواهد بود.

جریان دیود در گرایش مستقیم

دیود در گرایش معکوس اگر ناحیه p به ولتاژ منفی متصل گردد باعث خواهد شد تا جریان نفوذی در ناحیه تخلیه کاهش پیدا کرده و جریان عبوری از ناحیه تخلیه محدود به جریان دریفت خواهد شد. بعلت کم بودن ناقلهای اقلیت در ناحیه تخلیه مولفه جریان رانش بسیار کم خواهد بود و میتوان دیود را در گرایش معکوس یک وسیله نارسانا دانست.

مدل دیود برای آنالیز دستی برای آنالیز سریع مدارات استفاده از مدل ایده آل دیود بعلت غیرخطی بودن آن دشوار است از اینرو از مدل ساده تری استفاده میشود که در آن دیود با یک منبع ولتاژ حدود 0.7 ولت جایگزین میشود.

بررسی دیود در شرایط دینامیکی بررسی رفتار دینامیکی و یا گذرای ادوات نیمه هادی میتواند در تعیین سرعت ماکزیمم آن اهمیت داشته باشد. رفتار دیود میتواند تحت تاثیر مقدار با موجود در ناحیه تخلیه و همچنین ناحیه های p و n باشد. در واقع سرعت تخلیه بار از این نواحی یک نقش تعیین کننده در این امر دارد. بسیاری از دیودهای موجود در مدارات MOS در گرایش معکوس قرار دارند و باید همیشه در این حالت باقی بمانند. از اینرو مطالعه رفتار دینامیکی دیود ها در ناحیه تخلیه اهمیت ویژه ای پیدا میکند.

خازن ناحیه پیوند ناحیه تخلیه را میتوان بنوعی خازن تشبیه کرد که بار ذخیره شده در آن برابر است با: با تغییر ولتاژ اعمالی به دیود بار ذخیره شده در این ناحیه نیر تغییر میکند از اینرو ظرفیت خازنی آنرا میتوان برابر دانست با: Cj0 مقدار ظرفیت خازنی تحت شرایط بایاس صفر بوده و فقط تابع شرایط فیزیکی ساخت دیود است.

رابطه ظرفیت خازنی با ولتاژ اعمالی ظرفیت خازنی ناحیه تخلیه رابطه غیر خطی با ولتاژ اعمالی به آن دارد. در عمل مرز ناحیه تخلیه تیز و لبه ای نیست و بطورت خطی تغییر میکند که این امر مقدار ظرفیت خازنی را تحت تاثیر قرار میدهد. مقدار این مشخصه با پارامتر m در رابطه نشان داده میشود.

مدل خطی همانطور که مشاهده میشود ظرفیت خازنی ناحیه تخلیه بشدت وابسته به ولتاژ اعمالی به دیود میباشد. از آنجائیکه این امر میتواند مدلسازی دیدو را مشکل نماید میتوان یک خازن معادل برای آن در نظر گرفت که مقدار بار ذخیره شده در آن هنگامی که مدار از حالت 1 به 0 تغییر میکند مقدار بار معادلی جابجا شود.

مقاومت سری با دیود در عمل مقدار جریان عبوری از دیود از مقدار ایده آل آن کمتر است زیرا تمامی ولتاژ اعمالی به دو سر دیود به ناحیه تخلیه منتقل نمیشود و افت ولتاژی در ناحیه p یا n صورت میپذیرد. مقدار این مقومت بسگی به مقدار ناخالصی نواحی دارد و بین 1 تا 100 اهم متغییر است. اهمیت این مقاومت برای جریانهای بیشتر از 1mA بیشتر خواهد بود.

مدل دیود برای شبیه سازی در این مدل جریان حالت پایدار از رابطه زیر تعیین میشود که در آن n برای اکثر دیود ها برابر با یک است. مقاومت Rs معادل نشاندهنده مقاومت ناحیه تخلیه میباشد. وجود این مقاومت باعث کاهش جریان دیود از مقدار ایده آل آن خواهد شد. رفتار دینامیکی دیود را میتوان با خازن CD مدل کرد.

پارامترهای بکار رفته در SPICE

انواع دیود دیود پایه کوتاه: در این دیود عرض ناحیه پایه p خیلی کمتراز طول نفوذ الکترونهاست. از اینرو توزیع ناقلهای اقلیت در آن بصورت خطی خواهد بود. در گرایش مستقیم هدایت بالائی داشته و بار جمع شده در آن کم خواهد بود. دیود پایه بلند: عرض ناحیه پایه p بیشتر از طول نفوذ الکترونهاست. از اینرو توزیع ناقلها در آن غیر خطی خواهد بود.

دیود شاتکی از اتصال برخی فلزات نظیر سیلیساید پلاتینیم (Pt5Si2) با نیمه هادی نوع N یک سد در برابر الکترونها ایجاد میشود که باعث میگردد تا الکترونها فقط در یک جهت جریان داشته باشند. این خاصیت نوع جدیدی از دیود به نام Metal–semiconductor diodes و یا دیود شاتکی را بوجود می آورد. این دیود سریعتر از دیود پیوندی بوده و ولتاژ آستانه آن نیز کمتر است. Metal–semiconductor diodes and circuit symbol