Diskreetne aeg
Mikroskeemide valmistamise tehnoloogiad
Esimesed digitaalsetest integraallülitustes kasutati lülituselementidena
bipolaartransistore, sest nende valmistamise tehnoloogia oli rohkem arenenud. Hiljem
aga osutus, et suure tihedusega lülituste tarbeks on unipolaarne e. väljatransistor palju
sobivam. Viimaste valmistamine nõuab vähem tehnoloogilisi operatsioone ja vähem
pinda ühe lülituselemendi kohta. Seetõttu valmistati esimesed mikroprotsessorid
eranditult väljatransistoride baasil.
Vaatamata oma tehnoloogilistele eelistele jäävad väljatransistorid bipolaarsetele siiski
alla töökiiruse poolest. See omakorda stimuleeris viimaste forsseeritud arendamist
2
ning selline konkureeriv areng on kestnud tänapäevani. Tulemusena ei ole kumbagi
tüüpi suudetud välja tõrjuda, küll on aga tekkinud nende erinevad rakendusalad.
Bipolaartransistoridel valmistatakse suure töökiirusega mikroprotsessorid, mälud ja
mitmesugused abilülitused. Nende puuduseks on väiksem lülituselementide arv ühel
kristallil ning seega ka tagasihoidlikumad funktsionaalsed võimalused. Teiseks
oluliseks puuduseks on mitu suurusjärku suurem võimsustarve.
Väljatransistoridel on ehitatud suurem osa mikroprotsessoreid ja mäluelemente, mis
nõuavad suurt elementide tihedust ning vähem võimsust. Puuduseks on oluliselt
väiksem töökiirus.
Npn-bipolaartransistor: Räni-aluskristalli tekitatakse difusiooni teel n- ja ppiirkonnad,
mis moodustavad transistori. Pärast difusiooniprotsesse kristalli pind
oksüdeeritakse, mis annab väga hea SiO2-isoleerkihi. Kontaktpindade
moodustamiseks jäetakse isoleerkihti maski abil sobivad avad. Ühendusjuhtmed
moodustatakse alumiiniumist samuti fotolitograafia abil.
Bipolaartransistore kasutatakse põhiliselt kahte tüüpi lülituselementide
valmistamiseks. Esimesteks on TTL-tüüpi loogikaelemendid (transistor-transistorloogika),
mis on väga levinud väikestes ja keskmistes integraallülitustes.
Maksimaalse võimaliku töökiiruse saavutamiseks tuleb kasutada transistore
emittersidestuses, mis annab teise võimaliku loogikaelemendi tüübi ECL
(emittersidestusloogika, Emitter-Coupled Logic).
Töökiiruse suurendamiseks kasutatakse tihti ka kollektori ja baasi vahele lülitatavaid
Schottky dioode, mis välistavad transistori mineku küllastusrežiimi. Loomulikult
nõuavad need aga lisaruumi, suurendades elementide mahtu.
Suureks sammuks edasi elemenditiheduse tõstmisel (paraku küll töökiiruse arvel) oli
nn. IIL-tehnoloogia (Integrated injection logic). Selle kohaselt moodustatakse ühe
kompleksina kaks transistori, mis toimivad ühise, voolu ümberlülituva elemendina.
Taoline element võimaldab hõlpsasti moodustada loogikalülitusi ning TTL-tüübiga
võrreldes saavutatakse umbes 100 korda suurem tihedus. Märkimisväärne on IILelementide
väike võimsustarve, sest tööpinge on madal; selle määrab pingelang
avatud siirdel. Elemendid säilitavad oma töövõime kuni üliväikeste pingeteni, selle
juures aga väheneb nende töökiirus mitu suurusjärku.
Et väljatransistore nimetatakse tihti MOS-transistorideks (metall-oksiid pooljuht),
kannab ka valmistamisviis nime MOS (Metal-oxyde-semiconductor). MOS
transistorid võivad erineda kanalit juhtivustüübilt. Seejuures on p-kanaliga transistorid
lihtsamad valmistada ning seetõttu kasutati neid esimestes mikroprotsessorites
valdavalt. Nende töökiirus on aga n-kanaliga transistoridega võrreldes oluliselt
väiksem, sest aukude liikuvus on tunduvalt madalam elektronide liikuvusest. Seetõttu
on tänapäeval p-kanaliga MOP transistoridest praktiliselt loobutud n-kanaliga seadiste
kasuks.
Oluliselt õnnestus loogikaelementide voolutarvet vähendada, kui võeti tarvitusele
komplementaarlülitused. Siin on loogikaelemendil koormustakistuseks teine,
vastupidise juhtivustüübiga transistor. Tulemusena saadakse element, mis jõudeseisus
üldse voolu ei tarbi (avatud on alati ainult üks transistoridest). Energiat kulub ainult
parasiitmahtuvuste ümberlaadimiseks elemendi ümberlülituse hetkel.
Komplementaarlülituse (CMOS) äärmiselt väike voolutarve võimaldab neid väga
edukalt kasutada näiteks käekellades. Puuduseks on asjaolu, et transistore läheb vaja
kaks korda rohkem, ka on töökiirus väiksem.
Enamkasutatavaid kombinatsioonskeeme
3
? välistav või (eXclusive-OR)
Kui kaks signaali on võrdsed annab XOR element väljundsignaaliks 0 ja 1, siis kui
signaalid ei ole võrdsed. Kasutatakse komparaatoris võrdlemaks kahte sisendsõna.