RU2799113C1 - Method for increasing speed of transistors and transistor integrated circuits - Google Patents

Method for increasing speed of transistors and transistor integrated circuits Download PDF

Info

Publication number
RU2799113C1
RU2799113C1 RU2022107217A RU2022107217A RU2799113C1 RU 2799113 C1 RU2799113 C1 RU 2799113C1 RU 2022107217 A RU2022107217 A RU 2022107217A RU 2022107217 A RU2022107217 A RU 2022107217A RU 2799113 C1 RU2799113 C1 RU 2799113C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
integrated circuits
transistors
transistor integrated
led
low
Prior art date
Application number
RU2022107217A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Серго Шотович Рехвиашвили
Виктор Валерьевич Нарожнов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный центр "КАБАРДИНО-БАЛКАРСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК" (КБНЦ РАН)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный центр "КАБАРДИНО-БАЛКАРСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК" (КБНЦ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный центр "КАБАРДИНО-БАЛКАРСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК" (КБНЦ РАН)
Application granted granted Critical
Publication of RU2799113C1 publication Critical patent/RU2799113C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electronics; microelectronics.
SUBSTANCE: method for controlling the speed of transistors and transistor integrated circuits includes exposing the semiconductor structures of transistors and transistor integrated circuits to a photon flux from an LED or a low-power laser, while transistors, transistor integrated circuits, an LED or a low-power laser are placed in one housing, and affecting the semiconductor structures of transistors and transistor integrated circuits are carried out by a continuous stream of photons from an LED or a low-power laser during the operation of transistors and transistor integrated circuits.
EFFECT: increasing the speed of semiconductor devices and integrated circuits.
1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области электроники и микроэлектроники, а именно к работе дискретных биполярных и полевых транзисторов, а также интегральных схем на биполярных и полевых транзисторах.The invention relates to the field of electronics and microelectronics, namely to the operation of discrete bipolar and field-effect transistors, as well as integrated circuits based on bipolar and field-effect transistors.

Повышение быстродействия периферийных цифровых устройств возможно с применением приборов и принципов оптоэлектроники. Из уровня техники известны следующие оптоэлектронные приборы:Increasing the performance of peripheral digital devices is possible with the use of instruments and principles of optoelectronics. The following optoelectronic devices are known from the prior art:

1. Электроника. Энциклопедический словарь. Гл. ред. В.Г. Колесников. – М.: Сов. энциклопедия, 1991. – С. 348–351.1. Electronics. Encyclopedic Dictionary. Ch. ed. V.G. Kolesnikov. – M.: Sov. Encyclopedia, 1991. - S. 348-351.

2. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. – М.: Радио и связь, 1989. – 360 с.2. Nosov Yu.R. Optoelectronics. - M.: Radio and communication, 1989. - 360 p.

3. Розеншер Э., Винтер Б. Оптоэлектроника. – М.: Техносфера, 2004. – 592 с.3. Rozensher E., Winter B. Optoelectronics. - M.: Technosfera, 2004. - 592 p.

4. Тилл У., Лаксон Дж. Интегральные схемы. Материалы, приборы, изготовление. – М.: Мир, 1985. – 504 с4. Till U., Lakson J. Integrated circuits. Materials, devices, manufacturing. - M.: Mir, 1985. - 504 p.

Фототранзистор и фототиристор представляют собой приборы, в которых вместо управляющих электродов используется освещение полупроводниковых слоёв. Оптотиристор отличается тем, что источник света - светодиод из GaAs — встроен в общий корпус с кремниевой тиристорной структурой. На практике широко применяются оптроны, которые состоят из излучателя и фотоприёмника в едином корпусе. Как правило, в качестве излучателя используется светодиод. Фотоприемниками служат фоторезисторы, фотодиоды, биполярные и полевые фототранзисторы, фототиристоры. Принцип работы большинства приборов оптоэлектроники заключается в преобразовании световых сигналов в электрические сигналы при отсутствии гальванической развязки в управляющей цепи. Это осуществляется за счет внутреннего фотоэффекта – при освещении полупроводниковой структуры в ней происходит генерация электрон-дырочных пар и создается управляющий фототок.The phototransistor and photothyristor are devices that use illumination of semiconductor layers instead of control electrodes. The optothyristor differs in that the light source - a GaAs LED - is built into a common housing with a silicon thyristor structure. In practice, optocouplers are widely used, which consist of an emitter and a photodetector in a single package. As a rule, an LED is used as an emitter. Photodetectors are photoresistors, photodiodes, bipolar and field-effect phototransistors, photothyristors. The principle of operation of most optoelectronic devices is to convert light signals into electrical signals in the absence of galvanic isolation in the control circuit. This is due to the internal photoelectric effect - when a semiconductor structure is illuminated, electron-hole pairs are generated in it and a control photocurrent is created.

Известны различные технические решения для оптоэлектронных интегральных схем. Некоторые из них описаны в патентах JP 2007096305 A, US 9202971 B2, патент US 2018/0040597 A1, US 2018/0323873 A1. Такие интегральные микросхемы представляют собой приёмники или передатчики оптических сигналов, которые могут использоваться, например, в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС). There are various technical solutions for optoelectronic integrated circuits. Some of them are described in JP 2007096305 A, US 9202971 B2, US 2018/0040597 A1, US 2018/0323873 A1. Such integrated circuits are receivers or transmitters of optical signals that can be used, for example, in fiber optic communication lines (FOCL).

В патенте US 2018/0372781 A1.предлагаются датчики напряжения и тока с использованием изолятора с оптической связью. US 2018/0372781 A1 proposes voltage and current sensors using an optical coupled isolator.

По своим функциям оптопары могут заменять трансформаторы. According to their functions, optocouplers can replace transformers.

Оптически связанный изолятор может использоваться в качестве силового затвора для снижения потребляемой мощности. Энергосбережение достигается за счет выбора фототранзисторов и регулируемых резисторов смещения, чтобы установить минимальный прямой ток фотодиода и уменьшить разряд батареи, обеспечивая при этом достаточный коэффициент усиления для оптического транзистора. Напряжение смещения может быть выбрано равной напряжению включения фотодиода. Кроме того, потребляемая мощность датчиков напряжения и тока может регулироваться путем регулировки частоты сигнала управления с помощью микроконтроллера.An optically coupled isolator can be used as a power gate to reduce power consumption. Power savings are achieved by selecting phototransistors and adjustable bias resistors to set the minimum photodiode forward current and reduce battery drain while still providing sufficient gain for the optical transistor. The bias voltage can be chosen to be equal to the turn-on voltage of the photodiode. In addition, the power consumption of the voltage and current sensors can be adjusted by adjusting the frequency of the control signal using a microcontroller.

Общим недостатком имеющихся оптоэлектронных приборов и интегральных схем является невозможность их применения в качестве логических элементов для создания интегральных схем цифровых устройств и микропроцессоров с высокой плотностью компоновки. A common disadvantage of the available optoelectronic devices and integrated circuits is the impossibility of their use as logic elements for creating integrated circuits of digital devices and microprocessors with a high packing density.

Задача повышения быстродействия чрезвычайно актуальна для цифровых устройств и микропроцессоров. Известные методы повышения быстродействия полупроводниковых приборов и интегральных схем подразделяются в основном на два типа: конструктивно-технологические и схемотехнические. 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. Схемотехнические методы позволяют для одной и той же технологической структуры чипа достичь высокоскоростной работы путём реализации тех или иных схемных решений. Здесь выделяются форсирование динамического режима с помощью корректирующих цепей, использование фиксирующих и шунтирующих диодов, нелинейной обратной связи и токовых переключателей.The task of increasing performance is extremely relevant for digital devices and microprocessors. Known methods for increasing the speed of semiconductor devices and integrated circuits are mainly divided into two types: constructive-technological and circuitry. Structural and technological methods include miniaturization of active and passive components on a chip, reduction of parasitic capacitances, operation in modes with high base and collector current densities or drain current, and reduction of voltage drops between low and high levels in signals. Circuitry methods allow for the same technological structure of the chip to achieve high-speed operation by implementing certain circuit solutions. Here, forcing the dynamic mode with the help of corrective circuits, the use of clamping and shunt diodes, non-linear feedback and current switches are highlighted.

Задача настоящего изобретения – применение принципов оптоэлектроники для повышения быстродействия транзисторов и интегральных схем на их основе. The objective of the present invention is to apply the principles of optoelectronics to increase the speed of transistors and integrated circuits based on them.

Основное отличие предлагаемого способа повышения быстродействия от известных технических решений в оптоэлектронике заключается в отсутствии физических и конструктивных ограничений, связанных с гальванической развязкой в управляющих цепях. Традиционная структура биполярных и полевых транзисторов с электродами базы и затвора сохраняется.The main difference of the proposed method for increasing the performance from the known technical solutions in optoelectronics is the absence of physical and design restrictions associated with galvanic isolation in control circuits. The traditional structure of bipolar and field-effect transistors with base and gate electrodes is preserved.

Суть изобретения заключается в следующем. На поверхность полупроводникового кристалла транзистора или интегральной схемы в процессе его работы от излучателя падает стационарный и непрерывный поток фотонов (Фиг.1). Интенсивность этого потока может прецизионно регулироваться внешним устройством. В тонком приповерхностном слое кристалла происходит генерация неравновесных электрон-дырочных пар, увеличиваются токи основных и неосновных носителей заряда в активных областях приборных структур. По отношению к биполярному транзистору это приводит к уменьшению напряжения открывания (для кремния менее 0.6 В, для германия менее 0.3 В), росту коэффициента передачи тока базы в схеме с общим эмиттером, который зависит от эффективности эмиттера, ускорению переноса неосновных носителей заряда в базе и уменьшению поверхностной рекомбинации [с.184]. В полевых транзисторах МОП и с управляющим pn-переходом непрерывное облучение фотонами снижает пороговое напряжение [с.217] и напряжение отсечки [с.250], а также увеличивает токи основных носителей заряда в каналах. При воздействии потока фотонов на биполярные или полевые интегральные схемы изменяются их статические и динамические характеристики. Уменьшение напряжений открывания или отсечки транзисторов приводит к уменьшению пороговых напряжений логических элементов и вентилей в составе интегральной схемы, сужению диапазона переключения между низкими и высокими уровнями сигналов и уменьшению потребляемой мощности. Кроме того, непрерывное воздействие потока фотонов делает транзисторы и интегральные схемы малочувствительными к внешнему радиационному воздействию. Тем самым попутно решается проблема радиационной стойкости. В целом можно сказать, что внешний излучатель создает своеобразную оптическую накачку для полупроводниковых приборов и интегральных схем. [4]The essence of the invention is as follows. On the surface of a semiconductor crystal of a transistor or an integrated circuit during its operation, a stationary and continuous photon flux falls from the emitter (Figure 1). The intensity of this flow can be precisely controlled by an external device. In a thin near-surface layer of the crystal, nonequilibrium electron-hole pairs are generated, and the currents of the majority and minor charge carriers increase in the active regions of the device structures. In relation to a bipolar transistor, this leads to a decrease in the opening voltage (less than 0.6 V for silicon, less than 0.3 V for germanium), an increase in the base current transfer coefficient in a circuit with a common emitter, which depends on the efficiency of the emitter, an acceleration of the transfer of minor charge carriers in the base, and a decrease in surface recombination [p.184]. In field-effect transistors MOS and with a control pn-junction, continuous irradiation with photons reduces the threshold voltage [p.217] and cutoff voltage [p.250], and also increases the currents of the main charge carriers in the channels. When exposed to a photon flux on bipolar or field integrated circuits, their static and dynamic characteristics change. Reducing the opening or cutoff voltages of transistors leads to a decrease in the threshold voltages of logic elements and gates in the integrated circuit, a narrowing of the switching range between low and high signal levels, and a decrease in power consumption. In addition, the continuous exposure to a stream of photons makes transistors and integrated circuits insensitive to external radiation exposure. Thus, the problem of radiation resistance is solved in passing. In general, it can be said that the external emitter creates a kind of optical pumping for semiconductor devices and integrated circuits. [4]

На фиг. 2-4 представлены примеры результатов исследования статических и динамических характеристик ключа на дискретном биполярном npn-транзисторе в едином корпусе с излучателем в виде «белого» SMD-светодиода. На всех графиках характеристики (а) и (б) были измерены соответственно с выключенным и включенным излучателем. Можно видеть, что действие излучателя приводит к эффективному уменьшению порога переключения, увеличению выходного тока и заметному снижению среднего времени задержки ключа. На фиг. 5 для двух разных биполярных npn-транзисторов показаны зависимости коэффициента передачи тока базы в схеме с общим эмиттером от произведения тока на напряжение в управляющей цепи, то есть фактически от потребляемой электрической мощности SMD-светодиода. Здесь обнаруживаются линейные зависимости. Можно видеть, что путём применения светодиодного излучателя можно добиться значительного (более, чем в три раза) увеличения коэффициента передачи. В качестве излучателя допустимо использовать маломощный полупроводниковый лазер, что позволит создавать направленное излучение и усилить наблюдаемые эффекты. Таким образом, имеются достаточные основания полагать, что оптимизация конструкции полупроводниковых приборов и интегральных схем с использованием предлагаемого способа может приводить к улучшению их статических и динамических характеристик.In FIG. Figures 2-4 show examples of the results of a study of the static and dynamic characteristics of a switch on a discrete bipolar npn transistor in a single package with an emitter in the form of a "white" SMD LED. On all graphs, characteristics (a) and (b) were measured, respectively, with the emitter turned off and on. It can be seen that the action of the emitter leads to an effective decrease in the switching threshold, an increase in the output current, and a noticeable decrease in the average switch delay time. In FIG. 5 for two different bipolar npn transistors shows the dependences of the base current transfer coefficient in a common emitter circuit on the product of current and voltage in the control circuit, that is, in fact, on the electrical power consumption of the SMD LED. Linear dependencies are found here. It can be seen that by using an LED emitter, a significant (more than three times) increase in the transmission coefficient can be achieved. It is permissible to use a low-power semiconductor laser as an emitter, which will make it possible to create directed radiation and enhance the observed effects. Thus, there are sufficient grounds to believe that optimization of the design of semiconductor devices and integrated circuits using the proposed method can lead to an improvement in their static and dynamic characteristics.

Экспериментально выявлены два основных недостатка предлагаемого способа: 1) длительное время релаксации после выключения излучателя; 2) влияние флуктуаций параметров излучателя. Указанные недостатки частично или даже полностью устраняются конструктивно-технологическими приёмами и методами.Experimentally revealed two main disadvantages of the proposed method: 1) a long relaxation time after turning off the emitter; 2) the effect of fluctuations in the parameters of the emitter. These shortcomings are partially or even completely eliminated by constructive and technological techniques and methods.

Технический результат заключается в повышении быстродействия полупроводниковых приборов и интегральных схем за счет включения в их конструкцию излучателя в виде светодиода или маломощного лазера. Излучатель размещается в одном корпусе вместе с функциональным кристаллом транзистора или интегральной схемы. В процессе работы на функциональный кристалл воздействует непрерывный стационарный поток фотонов, испускаемый излучателем. Внешнее излучение приводит к уменьшению напряжений открывания и увеличению коэффициентов усиления биполярных транзисторов, снижению пороговых напряжений и напряжений отсечки полевых транзисторов, увеличению быстродействия и радиационной стойкости указанных приборов и интегральных схем на их основе.The technical result consists in increasing the speed of semiconductor devices and integrated circuits by including in their design an emitter in the form of an LED or a low-power laser. The emitter is placed in the same housing together with the functional crystal of the transistor or integrated circuit. During operation, the functional crystal is affected by a continuous steady stream of photons emitted by the emitter. External radiation leads to a decrease in opening voltages and an increase in the gain of bipolar transistors, a decrease in threshold voltages and cutoff voltages of field-effect transistors, an increase in the speed and radiation resistance of these devices and integrated circuits based on them.

Claims (1)

Способ управления быстродействием транзисторов и транзисторных интегральных схем, включающий воздействие на полупроводниковые структуры транзисторов и транзисторных интегральных схем потока фотонов от светодиода или маломощного лазера, при этом транзисторы, транзисторные интегральные схемы, светодиод или маломощный лазер размещают в одном корпусе, отличающийся тем, что воздействие на полупроводниковые структуры транзисторов и транзисторных интегральных схем осуществляют непрерывным потоком фотонов от светодиода или маломощного лазера в процессе работы транзисторов и транзисторных интегральных схем.A method for controlling the speed of transistors and transistor integrated circuits, which includes exposing the semiconductor structures of transistors and transistor integrated circuits to a photon flux from an LED or a low-power laser, while transistors, transistor integrated circuits, an LED or a low-power laser are placed in one housing, characterized in that the effect on semiconductor structures of transistors and transistor integrated circuits are carried out by a continuous stream of photons from an LED or a low-power laser during the operation of transistors and transistor integrated circuits.
RU2022107217A 2022-03-18 Method for increasing speed of transistors and transistor integrated circuits RU2799113C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2799113C1 true RU2799113C1 (en) 2023-07-04

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU438118A1 (en) * 1973-06-18 1974-07-30 Войсковая часть 67947 High Speed Photodiode Optocoupler
SU445153A1 (en) * 1973-05-10 1974-09-30 Всесоюзный Заочный Электротехнический Институт Связи High-speed phototransistor optocoupler
RU2201017C2 (en) * 2000-10-26 2003-03-20 Зао "Синтэк" Optron
RU102850U1 (en) * 2010-09-29 2011-03-10 Открытое акционерное общество "Протон" (ОАО "Протон") OPTOPARA TRANSISTOR FAST

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU445153A1 (en) * 1973-05-10 1974-09-30 Всесоюзный Заочный Электротехнический Институт Связи High-speed phototransistor optocoupler
SU438118A1 (en) * 1973-06-18 1974-07-30 Войсковая часть 67947 High Speed Photodiode Optocoupler
RU2201017C2 (en) * 2000-10-26 2003-03-20 Зао "Синтэк" Optron
RU102850U1 (en) * 2010-09-29 2011-03-10 Открытое акционерное общество "Протон" (ОАО "Протон") OPTOPARA TRANSISTOR FAST

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Csutak et al. High-speed monolithically integrated silicon optical receiver fabricated in 130-nm CMOS technology
KR960001189B1 (en) Photo wire type semiconductor integrated circuit
Ito et al. Monolithic integration of a metal—semiconductor—metal photodiode and a GaAs preamplifier
Schow et al. Design and implementation of high-speed planar Si photodiodes fabricated on SOI substrates
WO2023273203A1 (en) Optical mos solid relay
EP0019234A1 (en) Semiconductor integrated circuit structure
Garrett et al. A silicon-based integrated NMOS-pin photoreceiver
RU2799113C1 (en) Method for increasing speed of transistors and transistor integrated circuits
EP0094972B1 (en) Photocoupler
Fortsch et al. 220-MHz monolithically integrated optical sensor with large-area integrated PIN photodiode
Le et al. CMOS gate driver with integrated optical receiver for power electronics applications
Marwick et al. A UV photodetector with internal gain fabricated in silicon on sapphire CMOS
Le et al. CMOS integrated optical isolator for power transistor gate driver
Zimmermann et al. High-performance receivers for optical interconnects in standard MOS technology
Abid et al. Gated lateral pin junction device for light sensing
Kamanov FUNCTIONAL CHARACTERISTICS OF A FIELD TRANSISTOR WITH A CONTROL pn-JUNCTION UNDER DIFFERENT POWER-ON MODES
Zhang et al. Properties and design optimization of photo-diodes available in a current CMOS technology
Wu et al. A new photo-sensitive voltage-controlled differential negative resistance device—The lambda bipolar photo-transistor
Liang et al. Monolithically Integrated Opto-Electrical NOR Gate Using Light Emitting Transistors
RU2673424C1 (en) Photodetector on cascade transistors with light emitting p-n-junctions and photosensitive n-p-junctions
Maekita et al. GHz response of Si photodiodes fabricated with 0.35-µm Si BiCMOS technology
Zimmermann et al. PIN CMOS Receivers for Optical Interconnects
Goll et al. A BiCMOS Active Quencher Using an Inverter Based Differential Amplifier in the Comparator
KR100531234B1 (en) High-sensitivity image sensor and fabrication method thereof
SU881742A1 (en) Optronic modulo 2 adder