微电子学概论 4

微电子学概论第三章大规模集成电路基础第三章大规模集成电路基础3.1半导体集成电路概述集成电路（IntergratedCircuit，IC）芯片（Chip,Die）硅片（Wafer）集成电路的成品率：Y=硅片上好的芯片数硅片上总的芯片数100%成品率的检测，决定工艺的稳定性，成品率对集成电路厂家很重要集成电路发展的原动力：不断提高的性能/价格比集成电路发展的特点：性能提高、价格降低集成电路的性能指标：集成度速度、功耗特征尺寸可靠性主要途径：缩小器件的特征尺寸增大硅片面积功耗延迟积集成电路的制造过程：设计工艺加工测试封装定义电路的输入输出（电路指标、性能）原理电路设计电路模拟(SPICE)布局(Layout)考虑寄生因素后的再模拟原型电路制备测试、评测产品工艺问题定义问题不符合不符合集成电路产业的发展趋势：独立的设计公司（DesignHouse）独立的制造厂家（标准的Foundary）集成电路类型：数字集成电路、模拟集成电路数字集成电路基本单元：开关管、反相器、组合逻辑门模拟集成电路基本单元：放大器、电流源、电流镜、转换器等3.2双极集成基础3.2.1双极型集成电路中的晶体管c集电极b基极集电区PN基区发射区P集电结发射结e发射极ebcPPNcbeSiO2绝缘层PNP硅管结构图Aln-Siip•E•B•Cn+pp+p+n+n+隐埋层隔离区双极型晶体管特性(a)3AX1的输出特性iC(mA)-uCE(V)iB=00.02mA0.04mA0.06mA0.08mA0.10mA0.12mA0.14mA0.16mA0.18mA放大区截止区饱和区2046820℃2681012晶体管的输出特性iC(mA)uCE(V)iB=00.2mA20℃0.4mA0.6mA0.8mA1.0mA放大区饱和区100203040(b)3DG4的输出特性510152025303550双极型晶体管特性共发射极电流增益β集电极-发射极反向饱和电流Iceo基极-发射极反向饱和电流Ibeo集电极-基极反向饱和电流Icbo集电极-发射极击穿电压BVceo特征频率fT最大耗散功率Pmax双极数字集成电路基本单元：逻辑门电路双极逻辑门电路类型：电阻-晶体管逻辑(RTL)二极管-晶体管逻辑(DTL)晶体管-晶体管逻辑(TTL)集成注入逻辑(I2L)发射极耦合逻辑(ECL)双极模拟集成电路一般分为：线性电路（输入与输出呈线性关系）非线性电路接口电路：如A/D、D/A、电平位移电路等TTL门电路(transistor-transistor-logic)双极性三极管的开关特性双极型三极管的开关等效电路：(a)截止状态：VBE0.7V，iB=0，iC=0三极管截止，开关断开。(b)饱和导通状态VBE0.7V，iBIBS，VBE=0.7V=VON，VON开启电压，集电极和发射极近似短路，饱和压降VCE(sat)，开关接通。bceTTL反相器电路结构及工作原理1）TTL反相器的电路结构由三部分组成：输入级：由T1、D1和电阻R1组成。中间级：由T2、R2、R3组成。T2的集电极和发射极为T4、T5提供了两个相位相反的信号，所以这级又称倒相级。输出级：由T4、T5、R4、D2组成。T5为反相器，T4是T5的有源负载，完成逻辑上的“非”。输入级中间级输出级由中间级提供的两个相位相反的信号，使T4、T5总是一管导通而另一管截止的工作状态。输出电路的形式称为“推拉式输出”电路，或称“图腾输出”。+-2）工作原理Vcc=5V、VIH=3.4V、VIL=0.2V、VON=0.7V(1)当vi=VIL输入低电平(0.2V)时，T1的发射结导通，T1基极电压VB1被钳位在VB1=Vi+VBE1=0.2+0.7=0.9VVB1不能使T1集电结、T2、T5导通，T1集电结，T2、T5截止。由于T2的b-c结反向电阻大，T1工作在深度饱和状态。VCE1≈0，VC2=高电平，VE2=低电平，VB1VC2VE2T4导通、T5截止，输出高电平VOH0.2V0.9V10VOH(2)当vi=VIH输入高电平(3.4V)或悬空时，VB1=VIH+VON=4.1V，因为T1的集电结、T2、T5导通的电压是2.1V，T1的VB1被钳位在2.1V上，T1的发射结反偏。电源VCC通过R1，T1的集电结向T2、T5提供基流，使T2导通饱和，VC2↓、VE2↑，T4截止、T5导通，输出Y为低电平VOL。Y=VCES5=0.2VY=A’输出级的特点是：无论输出是高电平还是低电平，输出电阻都比较低。这是因为当输出为低电平时，T5饱和，T4截止，输出电阻rO=rCES5，值很小。当输出为高电平时，T5截止，T4导通，T4工作在射极跟随器状态，输出电阻rO的阻值很小。由于电阻rO值很小使得电路带负载的能力增强。4.1V3.4V2.1V0.2VVC2VE2二极管D2作用：在T5饱和导通时，为确保T4可靠截止，抬高T4的基极电位。VB4=VCES5+VD2+VBE4=0.2+0.7+0.7=1.6VD1是输入端钳位二极管，抑制输入的负极性干扰脉冲，防止T1的发射极电流过大。3）电压传输特性电压传输特性曲线可分成四段：①AB段(截止区)0≤VI0.6VVB11.3V，T2、T5截止，T4导通，输出高电平。VOH=Vcc-vR2-vBE4-Vd2≈3.4V。②BC段(线性区)0.6V≤VI1.3VT2导通、T5截止，T2工作放大区，VC2↓VO线性下降。③CD段(转折区)1.3V≤VI1.5VVI=1.4V，VB1=2.1V，T2、T5同时导通，T4截止VO急剧下降。转折区中点对应输入电压=阈值电压VTH④DE段(饱和区)VI≥1.5VVO=0.3V。OC门（集电极开路）、TS三态门与CMOS电路的OD门、三态门功能相同。RTL电路ABVoutVH=1V,VL=0.2V速度慢，逻辑摆幅小，抗干扰差VccTTL电路多发射极输入VoutT1T2T3T4Vcc=5V典型双极型门电路的特性比较门电路结构延时(ns)功耗(mW)逻辑摆幅(V)评价TTL普通10103一般STTL肖特基钳位抗饱和3203高速LSTTL肖特基、低功耗9.523低功耗ECL2250.8高速3.3MOS集成基础b（衬底引线）SiO2绝缘层铝N+N+P衬底SgdgdbSp-SiSGDn+n+3.3MOS集成基础3.3.1MOS集成电路中的晶体管CMOS集成电路构成p阱n_衬底p+n+p+SSDGGn型衬底p阱扩散p-MOS源漏n-MOS源漏引线孔引线n-MOSp-MOS输出地VccMOS晶体管特性uDS(V)iD(mA)0481224135633.544.5uGS=5VN沟道增强型MOS管的特性曲线2.5ⅠⅡMOS晶体管特性跨导gm阈值电压VT源漏击穿电压BVds特征频率fT最大耗散功率Pmax基本MOS电路倒相器VoutVccVin2.5.2MIS|2.5.2MIS3.3.3CMOS集成电路CMOS反向器0VDDT1是P沟道增强型MOS管，T2是N沟道增强型MOS管，T1、T2开启电压分别为VGS(th)p、VGS(th)N，当vI=VIL=0时，|VGS1|=VDD|VGS(th)p|；VGS2=0VGS(th)N；T1导通，内阻小；T2截止，内阻大。输出高电平VOH≈VDD当vI=VOH=VDD时，VGS1=0|VGS(th)p|；VGS2=VDDVGS(th)N；T1截止，T2导通，输出低电平VOL≈02.5.2MIS|2.5.2MIS3.3.3CMOS集成电路CMOS与非门2.5.2MIS|2.5.2MIS3.3.3CMOS集成电路