Файл: Дроздов Е.А. Многопрограммные цифровые вычислительные машины.pdf

Г л а в а IV

ЭЛЕМЕНТЫ

§ 4.1. Классификация элементов

Любая электронная цифровая вычислительная машина состоит из множества простейших электронных схем, получивших название элементов. В устройствах машины с помощью элементов осуще­ ствляются логические преобразования и запоминание (в простей­ шем случае задержка на некоторое время t) электрических сигна­ лов, представляющих двоичные цифры. Кроме того, в различные участки сложных электронных схем устройств включаются элемен­ ты, предназначенные для восстановления или усиления (в общем случае — формирования) преобразуемых сигналов. Поэтому под элементом машины понимается ее простейшая функциональная часть, обеспечивающая выполнение одной из элементарных опера­ ций: логического преобразования, запоминания (задержки) или формирования сигнала, соответствующего коду двоичной цифры.

Элементы можно классифицировать в основном по назначению, по конструкции, технологии изготовления, используемым деталям и приборам и по типу выходных сигналов.

По назначению, в зависимости от реализуемой элементарной операции, элементы делятся на логические, запоминающие и фор­ мирующие.

К логическим относятся элементы, осуществляющие преобразо­ вание двоичных цифр в соответствии с одной из элементарных опе­ раций алгебры логики: НЕ, И, ИЛИ, И—НЕ, ИЛИ—НЕ и др. Из конструктивных соображений также широко используются элемен­ ты, реализующие более сложные операции (например, такие, как И—ИЛИ—НЕ).

Запоминающим называется элемент, который обеспечивает по­ стоянное или временное хранение кода двоичной цифры. Запоми­ нающие элементы используются как для построения запоминающих узлов (регистров), предназначенных для хранения кодов одинар­ ных чисел, так и для построения запоминающих устройств больших

92

емкостей, измеряемых десятками, сотнями тысяч и даже миллио­ нами чисел.

Формирующие элементы восстанавливают или дополнительно усиливают преобразуемые сигналы по мощности, амплитуде, а так­ же формируют их по форме и длительности. Это необходимо для надежного управления или просто «распознавания» дискретных сигналов последующими логическими и запоминающими элемента­ ми. Широко используются комбинированные элементы, реализую­ щие, например, функции логического преобразования и запомина­ ния или усиления.

Логические, запоминающие и формирующие элементы часто де­ лят на типовые и нетиповые. К типовым относят такие элементы, из которых строится подавляющая часть электронных схем вычис- лительно-управляющих и запоминающих устройств. Нетиповые (специальные) элементы используются для специального преобра­ зования информационных и управляющих сигналов. Это имеет ме­ сто при усилении слабых сигналов, воспроизводимых при считыва­ нии с магнитных элементов запоминающих устройств, при форми­ ровании специальных токовых сигналов в запоминающих устрой­ ствах, в устройствах ввода — вывода, аппаратуре сопряжения с ли­ ниями связи и т. п.

Классификация по конструкции и технологии производства мо­ жет быть очень громоздкой, если рассматривать все возможные элементы: от ламповых до микроминиатюрных. Однако, поскольку в машинах третьего поколения микроминиатюрные элементы в ос­ новном вытеснили обычные элементы с навесным монтажом, то такая классификация существенно упрощается, если ее прово­ дить только для современного технологического уровня произ­ водства.

Под микроминиатюризацией на основе достижений микроэлек­ троники прежде всего подразумевается широкое использование по­ лупроводниковых интегральных схем. Интегральной называется электронная микросхема, компоненты которой и соединения между ними выполнены в едином технологическом цикле, на едином осно­ вании и имеют общую герметизацию и защиту от механических воздействий. Наряду с интегральными схемами в электронной ап­ паратуре машин частично могут использоваться и дискретные элек­ тронные детали и приборы. Последнее объясняется трудностями или даже невозможностью изготовления по интегральной техноло­ гии некоторых типов мощных усилителей, конденсаторов большой емкости, трансформаторов.

Если конструкция и технология характеризуют конструкторскотехнологический уровень производства элементов и машин в целом, то используемые активные и пассивные компоненты схем опреде­ ляют физические явления и процессы, на которых основано пред­ ставление и преобразование информации в устройствах ЦВМ. В на­ стоящее время широкое применение в схемах машин находят полу­ проводниковые, магнитные и магнитно-полупроводниковые эле­ менты.

93

При классификации по характеру выходных сигналов указанные элементы могут быть разделены на две группы: с т а т и ч е с к и е

ии м п у л ь с н ы е.

Вэлементах первой группы выходные сигналы, соответствую­ щие двоичным цифрам, представляются в виде статических сигна­ лов. Под статическим сигналом понимается такой сигнал, который после завершения переходных процессов принимает постоянное зна­ чение. Такой сигнал при устойчивом состоянии элемента может удерживаться на его выходе сколь угодно долго. Статическими сигналами могут быть либо определенные уровни потенциала, либо определенные значения постоянного тока. Однако, поскольку при измерениях в большинстве случаев анализируются потенциалы, то

статические элементы чаще называют п о т е н ц и а л ь н ы м и. Это название в основном и будет употребляться при дальнейшем изло­ жении.

Импульсные элементы выдают сигналы, соответствующие кодам двоичных цифр, в виде импульсов напряжения или тока. Эти им­ пульсы образуются в моменты перехода элемента из одного устой­ чивого состояния в другое, причем длительности их обычно соиз­ меримы с временем переходных процессов элементов. Если полу­ проводниковые элементы могут работать как в статическом, так и в импульсном режиме, то магнитные и магнитно-полупроводнико­ вые в основном являются импульсными.

При передаче информации от одного элемента к другому ис­ пользуются, как правило, стандартные для данной машины сигна­ лы, имеющие строго определенные фронты, длительности и ампли­ туды. Типы и наборы стандартных сигналов выбираются при проек­ тировании машины и в каждом конкретном случае зависят от вида используемых элементов и от принятого способа представления в машине информационных и управляющих сигналов.

Рассмотренная классификация элементов может быть расшире­ на путем учета еще некоторых признаков, таких, как быстродей­ ствие, потребляемая мощность, технологичность и т. д. Однако это может быть целесообразным только при сравнительном ана­ лизе конкретных элементов и строящихся на их основе схем машин.

При создании любой цифровой вычислительной машины стре­ мятся строить схемы ее устройств по возможности из однотипных по конструкции и используемым деталям и приборам элементов. Это упрощает производство и эксплуатацию машины.

Любая совокупность однотипных по физическому принципу ра­ боты элементов, используемая для построения ЭЦВМ, обязательно включает все типы элементов, объединяемых первым признаком классификации: логические, запоминающие и формирующие. Такая совокупность элементов объединяется понятием с и с т е мы э л е ­ м е н т о в . Для классификации систем элементов удобным являет­ ся третий признак классификации, а именно, по характеру выход­ ных сигналов. Классификация систем элементов согласно этому признаку дается в § 4.8.

94

Вданной главе рассматриваются полупроводниковые элементы

винтегральном исполнении, пришедшие на смену полупроводнико­ вым элементам с навесным монтажом. При этом рассмотрение принципов построения и работы начинается с простейших переклю­ чающих схем-—диодных элементов. Такая последовательность изу­ чения принципиальных схем удобна с методической точки зрения.

§4.2. Интегральные схемы и конструкции современных машин

Микрокомпоненты интегральных схем выполняются внутри или на поверхности общей подложки. Подложка может быть активной (из полупроводникового материала) или нейтральной (например, выполненной из керамики или пластмассы). По конструктивно-тех­ нологическим признакам интегральные схемы делятся на несколько типов. В настоящее время наибольшее распространение получили

Вполупроводниковой монолитной интегральной схеме активные

ипассивные компоненты изготовляются в едином технологическом процессе на общем основании — полупроводниковой пластине

(обычно из кремния). Компоненты формируются с помощью ло­ кальной диффузии или сочетанием диффузии с эпитаксиальным -наращиванием (осаждением кремния при высокой температуре из газообразной среды). Травление, диффузия и наращивание осущест­ вляются через маски, последовательно наносимые на пластину спо­ собом фотолитографии.

Гибридные пленочные интегральные схемы создают нанесением на диэлектрическую подложку пленок различных материалов. Пле­ ночными реализуются резисторы, конденсаторы и межкомпонент­ ные соединения. Бескорпусные транзисторы и диоды устанавлива­ ются на тех же подложках и соединяются с пассивными элемента­ ми тонкими проволоками.

Гибридные совмещенные интегральные схемы являются комби­ нацией вышеуказанных вариантов и могут быть двух типов. В пер­ вом основу составляет монокристалл полупроводникового материала с нанесенными на защитный слой окиси тонкопленочными пас­ сивными элементами, во втором — нейтральная подложка, на кото­ рой в несколько слоев размещаются активные и пассивные компо­ ненты.

В гибридных пленочных и совмещенных интегральных схемах обеспечивается хорошая изоляция между компонентами и возмож­ но получение резисторов и конденсаторов с высокой точностью. Однако из-за меньшей стоимости при массовом производстве наи­ большее предпочтение отдается полупроводниковым монолитным схемам.

На рис. 4.1,6 дана примерная структура разреза монолитной схемы простейшего усилителя — инвертора с емкостным входом

95

(рис. 4.1, я). Все компоненты схемы выполнены по технологии, ана­ логичной изготовлению диффузионных транзисторов. В качестве ре­ зистора используется омическое сопротивление определенной обла­ сти кристалла, в которую путем диффузии введены акцепторные примеси. Обкладками конденсатора являются тонкая алюминиевая пленка и поверхность части пластины кремния; диэлектриком слу­ жит слой двуокиси кремния. Конденсаторы могут выполняться также на основе использования емкостей обратно смещенных р—«-переходов.

Рис. 4.1. Структура монолитной интегральной схемы:

а — принципиальная схема; 6 — структура схемы в разрезе

В толще пластины компоненты изолированы одна от другой об­ ратно смещенными р—«-переходами. Электрически компоненты со­ единены алюминиевыми проводниками. Проводники нанесены в виде тонких пленок на поверхность интегральной схемы поверх по­ крывающей ее диэлектрической пленки. Они контактируют с эле­ ментами в свободных от окиси участках. Участки — контактные площадки — могут иметь различную форму, например прямоуголь­ ную, как изображено на топологических чертежах рис. 4.2.

На рис. 4.2, а приведен топологический чертеж, показывающий в плане взаимное расположение областей и контактных площадок варианта высокочастотного биполярного транзистора. На рис. 4.2, б дан топологический чертеж варианта резистора.

В настоящее время серийно выпускается много различных типов интегральных элементов ЭЦВМ, построенных на основе биполяр­ ных транзисторов. Эти элементы надежны в работе, имеют высокие скорости переключения и плотности размещения компонентов схем на полупроводниковых пластинах. Однако высокие показатели ин­ тегральных схем, достигнутые на основе биполярных транзисторов, не являются пределом возможностей микроминиатюризации эле-

96

ментов. Оказывается, что по сравнению с биполярными транзисто­ рами (изготавливаемыми методом двойной диффузии), работа ко­ торых основывается на перемещении двух типов носителей, мень-

Контактная площадка

Рис. 4.2. Топологические чертежи:

а — интегрального транзистора с полосовыми контактами; 6 — интегрального рези­ стора

шие размеры имеют так называемые униполярные транзисторы, действующие на основе перемещения носителей одного типа. Пред­ ставителями такого типа являются транзисторы с изолированным затвором со структурой металл — диэлектрик — полупроводник (МДП-транзисторы). Если биполярные транзисторы занимают на

97