第二章双极型逻辑集成电路课件1.ppt
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- 第二 章双极型 逻辑 集成电路 课件
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1、第二章双极型逻辑集成电路优选第二章双极型逻辑集成电路复习v二极管的工作特性PN结的形成正向偏置的PN结反向特性PN结的特性双极型晶体管双极型晶体管剖面图、结构和逻辑符号双极型晶体管以电子和空穴为载流子(bipoly,双极型),而且由载流子中的少数载流子决定器件的性能。以控制电流来达到放大、开关特性的电流控制器件分为三个区三极管结构模型三极管的工作是靠改变两个PN结的工作状态来完成的载流子输运过程示意图图中,蓝色表示电子流,白色表示空穴流反向工作状态晶体管的输入特性v与 pn 结的正向特性相似v共发射极v当VCE增加时,由于基区宽度减小,注入到基区中的少数载流子的复合减少,故IB减少v共基极v在
2、同样的VBE下,VCE越大,IE越大三极管伏安特性反向工作特性反向工作特性正向工作特性正向工作特性IB=0Cut-off三极管工作状态总结工作状态发射结集电结工作区正向活跃状态正偏反偏正向工作区反向活跃状态反偏正偏反向工作区关闭状态反偏反偏截止区饱和状态正偏正偏饱和区三极管放大电路这是逻辑电路设计中常用的工作状态0VBCVBE饱和区(正偏)(反偏)(反偏)(正偏)反向工作区截止区正向工作区rCS=rC1+rC2+rC3门电路(与非门、或非门)二极管耦合DTL、HTL电路上采用三级结构基本门输入部分,同上面的分析得到“或”和“或非”功能VC2具有“或”功能,VC1具有“或非”功能(公共集电极为或
3、非输出端,定偏管的集电极为或输出端)由于rB的存在,在大注入情况下会引起发射极电流的集边效应,而且影响模拟电路中的高频增益和噪声性能电路上采用三级结构基本门(3)三态逻辑(TSL)门F、R分别是NPN管正、反向运用时的共基极短路电流增益Pt铂、Mo钼、W钨、AL铝等“线与”状态时,造成逻辑混乱、甚至烧坏T5管VO/VI=R2/R3;寄生电阻res、rcs、rb和寄生电容CJ、CDVO=VC2VBE3VDF=51.可反抽T2管基区中的过剩少子,提高了工作速度晶体管处于放大区的三个必要条件v发射结正偏,结电阻很小,即输入电阻很小v集电结反偏,结电阻很大,即输出电阻很大v有一定的放大倍数(13),F
4、=IC/IB集成晶体管逻辑电路发展状况v从直接耦合晶体管逻辑(DCTL)、RTL、DTLv广泛应用饱和型逻辑集成电路TTLvSTTL和LSTTL以及ASTTL和ALSTTLv继承注入逻辑(I2L)v发射极耦合(ECL)电路非饱和逻辑集成电路 以TI公司6070年代末推出54/74系列TTL电路为例子54 军用74 民用 逻辑电路和逻辑表达式进行逻辑运算和变换的电路称为逻辑电路门电路是基本单元(与非门)2.1 双极型逻辑集成电路中的寄生效应双极型n-p-n的横向扩散的集成npn晶体管n+掩埋层n+P基区n+p+隔离区p+n+p+隔离区np-衬底nn+掩埋层vinvout最高电位最低电位(1)集成
5、晶体管与分立晶体管的区别端电流关系式:IE=IB+IC+ISN+PNN+pNPNPNPE(N+)B(E-P)C(B-N)S(C-P)EBCS理想本征集成双极型晶体管 埃伯斯莫尔(埃伯斯莫尔(EM)模型()模型(1954年年Ebers和和Moll提出提出来)来)电流电压关系电流电压关系 F、R分别是分别是NPN管正、反向运用时的共基极短管正、反向运用时的共基极短路电流增益路电流增益 SF、SR分别是分别是PNP管正、反向运用时的共基极管正、反向运用时的共基极短路电流增益短路电流增益 Vt=KT/q(等效热电压)波尔兹曼常数、绝对温度、(等效热电压)波尔兹曼常数、绝对温度、电子电荷量电子电荷量11
6、110111101tSCtBCtBEVVSSVVCEVVESSFRSSFFSRRFRSCBEeIeIeIIIIIEM模型参数说明 参数参数F、R、SF、SR由杂质浓度、结由杂质浓度、结深和工艺参数决定深和工艺参数决定 Vt是由两个物理常数和温度的函数决定,属是由两个物理常数和温度的函数决定,属于环境变量。室温下,于环境变量。室温下,Vt26mV IES、ICS、ISS分别表示基射饱和泄漏电流、分别表示基射饱和泄漏电流、基集饱和泄漏电流和传输饱和电流基集饱和泄漏电流和传输饱和电流STTL电路的特点(优、缺点)电路的抗干扰能力下降了。多子导电器件,没有储存效应,响应速度快实际的集成晶体管中还存在着
7、电荷储存效应和从晶体管有效基区到晶体管个引出端之间的欧姆体电阻。三级放大结构的LSTTLPN界反偏时,VR0,(eVF/Vt1)eVF/Vt PN界反偏时,VR1.7伏时,T1管截至,T2管导通(线性放大区)。增加D5、D6使电路的速度提高。由于rB的存在,在大注入情况下会引起发射极电流的集边效应,而且影响模拟电路中的高频增益和噪声性能电路上采用三级结构基本门寄生PNP管蜕化为反偏的由隔离结形成的衬底二极管。WE、LE 发射极宽度和长度降低了截止功耗,增加了扇出系数下拉电阻R克服“低频浮空”效应,不用的输入端可以开路二极管D处于反相截止状态(因为其阳极电压vc21.T3、T4复合管(达林顿管)
8、代替了四管单元中的T3、D,提高了负载能力和速度电流型逻辑(CML)电路(3)三态逻辑(TSL)门等平面氧化层与硅表面几乎一样平反映晶体管内可动少子存储电荷与所加偏压的关系发射极串联电阻resn发射极串联电阻由发射极金属和硅的接触电阻与发射区的体电阻nres=re,m+re,bnre,m=RC/SE nRC硅与发射极金属的欧姆接触系数(可查表)nSE发射极接触孔的面积n在小电流的情况下,通常可以忽略集电极串联电阻nrCS=rC1+rC2+rC3 nrCS是一个被隔离区势垒电容旁路的分布电阻n在大信号工作情况下发生发射极电流的集边效应,使电流不是均匀地流过集电结,即rCS与IC有关n由于VBC变
9、化所引起的耗尽层宽度的变化,也会使rCS 发生变化n比分立器件的集电极串联电阻大得多n此电阻对逻辑IC的输出低电平有较大的影响集电极串联电阻nrC1的计算n假设条件n下底、上底各为等位面n电流只在垂直方向上流动n在上、下面上的电流分布是均匀的n求得,nT=外延层厚度集电结结深集电结耗尽区在外延层一侧的宽度埋层的上向扩散距离各次氧化所消耗外延层厚度n深饱和、大注入时,由于基区的电导调制效应,使其下降,可以忽略babaWLTrCln1为材料的电阻率T 为锥体的高度W,L为顶面矩形的宽和长a,b为底面矩形与顶面矩形 相对应的宽和长的比值R=L/S集电极串联电阻nrC2的计算n从发射区接触孔中心到集电
10、极接触孔中心的这端掩埋层构成nrC3的计算n与rC1同样推得,nT=外延层厚度集电极接触区厚度掩埋层的上向扩散距离babaWLTrCln3发射结结深减小rCS的方法n在工艺设计上,采用加埋层的方法以减小rC2n减小外延层的电阻率,降低外延层的高度n采用深N+集电极接触扩散以减小rC3,工艺上增加一块掩模版n设计中采用BEC排列来减小集电极接触孔到发射极接触孔的距离,以减小rC2n采用增加集电极面积来减小rC2,但芯片面积增加,寄生电容增大基区电阻rBn从基区接触孔到有效基区之间存在相当大的串联电阻n由于rB的存在,在大注入情况下会引起发射极电流的集边效应,而且影响模拟电路中的高频增益和噪声性能
11、nrB=rB1+rB2+rB3将相应的图扫描至此!基区电阻rBnrB1的计算nWE、LE 发射极宽度和长度nrB2的计算nWEB发射极到基极的距离nrB3的计算n欧姆接触,远小于前面两个,忽略n解决方法在工作点设计时取较大的IC,发生集边效应n在版图设计上,可用双基极条或梳妆电极等EBESBBSBEEBLWRrRLWr2113稳压器件输出端集成NPN晶体管中的寄生电容n与PN结有关的耗尽层势垒电容Cjn与可动载流子在中性区的存储电荷有关的扩散电容CDn电极引线的延伸电极电容Cpadn CS结电容集成晶体管中的寄生电容会使管子的高频性能和开关性能变坏PN结势垒电容Cjn包括了三结的势垒电容q减少
12、PN结的面积q提高反向偏压也有利于减少势垒电容扩散电容CDn反映晶体管内可动少子存储电荷与所加偏压的关系n交流特性的重要参数n采用低电阻率的薄外延层n减少管芯面积n采用STTL或ECL电路n采用集电极掺金硼扩电阻器的结构与寄生效应工艺上,与NPN管的基区同时制作;与NPN管的发射区同时制作磷扩散电阻器等。特点结构简单、阻值合适N型外延层接电路的最高电位,或接至电阻其两端电位较高的一端寄生效应欧姆接触寄生PNP晶体管寄生电容CCALW/3扩散电阻的阻值计算R=RL/W频率特性(23 式)频率特性与尺寸的平方成反比(=CR 反比 L2或W2)提高加工精度P-SiN+pP+P+N外延N+逻辑电路设计
13、 最基本单元最基本单元 门电路(与非门、或非门)门电路(与非门、或非门)按电路的工作特点分类按电路的工作特点分类 饱和型逻辑集成电路饱和型逻辑集成电路 电阻耦合电阻耦合RTL 二极管耦合二极管耦合DTL、HTL 晶体管耦合晶体管耦合TTL 合并晶体管合并晶体管 I2L 抗饱和型逻辑集成电路抗饱和型逻辑集成电路 肖特基二极管钳位肖特基二极管钳位TTL(STTL)发射极功能逻辑(发射极功能逻辑(EFL)非饱和型逻辑集成电路非饱和型逻辑集成电路 电流型逻辑(电流型逻辑(CML)即发射极耦合逻辑()即发射极耦合逻辑(ECL)互补晶体管逻辑(互补晶体管逻辑(CTL)非阈值逻辑(非阈值逻辑(NTL)多元逻
14、辑(多元逻辑(DYL)缺点 工作速度慢 负载能力和抗干扰能力差 噪声容限 延迟功耗积 ECL双极型中速度最快的逻辑电路2.2 TTL逻辑电路 采用改进电路的形式和工艺的过程来实现提采用改进电路的形式和工艺的过程来实现提高速度、降低功耗(或降低电路的优值,即高速度、降低功耗(或降低电路的优值,即延时功耗积)和增加抗噪性延时功耗积)和增加抗噪性 逻辑电路和逻辑表达式逻辑电路和逻辑表达式 进行逻辑运算和变换的电路进行逻辑运算和变换的电路 门电路是其基本单元(与非门、或非门)门电路是其基本单元(与非门、或非门)一般的TTL与非门特点:特点:l输入级采用多发射极晶体管,输入级采用多发射极晶体管,降低了电
15、路的平均传输延迟时降低了电路的平均传输延迟时间间l输出级采用图腾柱结构,降低输出级采用图腾柱结构,降低了电路的功耗了电路的功耗l反向钳位二极管,避免负向过反向钳位二极管,避免负向过冲信号,起到输入保护作用冲信号,起到输入保护作用l此电路的优值:此电路的优值:tpdPD=100pJ双极型n-p-n的横向扩散的集成npn晶体管标准SN54/74TTL电路n+掩埋层n+P基区n+p+n+p+隔离区np-衬底np+隔离区标准SN54/74TTL电路 T1多发射级晶体管多发射级晶体管 约定约定 输入低电平输入低电平“0”0.3伏;输入高伏;输入高电平电平“1”3.6伏伏 晶体管导通,晶体管导通,VBE=
16、0.70.8伏;伏;集电结正向压降,取集电结正向压降,取0.60.7伏伏 饱和状态时,饱和状态时,VCES=0.3伏;深伏;深饱和状态下,饱和状态下,0.1伏(伏(IC=0)通过分析基区和发射区之间的通过分析基区和发射区之间的电压变化,推出晶体管的工作电压变化,推出晶体管的工作状态。状态。四管单元TTL与非门电路分析 见见14页图页图29典型的典型的TTL电电路路 采用多发射极晶体管采用多发射极晶体管 有共同的发射结结电压有共同的发射结结电压 可反抽可反抽T2管基区中的过剩管基区中的过剩少子,提高了工作速度少子,提高了工作速度 输出级采用图腾柱结构,输出级采用图腾柱结构,使电路的功耗下降使电路
17、的功耗下降 输入信号有一端为逻辑输入信号有一端为逻辑“0”,即,即VIL=0.30.6伏伏 T1管导通管导通 其基极电压其基极电压1伏;伏;IB=4/4k=1毫安毫安IC,进入,进入深饱和区深饱和区 T2管截至(关态)管截至(关态)其基区电压其基区电压0.4伏;集电极伏;集电极电压电压5伏伏 T5管截至(高电平输出)管截至(高电平输出)T3、D4导通导通 VO=VC2VBE3VDF=51.4=3.6伏,输出为逻辑伏,输出为逻辑“1”截止区输入 倒相 输出续(线性区)输入信号一端输入电压输入信号一端输入电压0.61.3伏,首先讨论伏,首先讨论0.6伏伏 T1管导通,深饱和状态管导通,深饱和状态
18、T2管导通管导通 基区电压基区电压0.7伏;伏;VB2=VI+VCES1 输入信号提高输入信号提高VI VI=VB2;VB2=VEB2+IE2R3;VB2=IE2R3 得到,得到,VI=IE2R3 VO=VC21.4;VC2=VCCR2(IC2+IB3);得,得,VO=VC2=IC2R2 VO/VI=R2/R3;输出电压随输入电压线性下降。;输出电压随输入电压线性下降。关门电平关门电平Voff输出额定高电平的输出额定高电平的0.9倍处所对应的最大输入倍处所对应的最大输入电压值电压值 VO=0.1VOH;求对应的;求对应的VI值。值。Voff=0.825伏伏 当输入信号为当输入信号为1.3伏,伏
19、,T5管微导通,代入管微导通,代入VO/VI=R2/R3,得到得到VO=2.48伏,伏,VC2=3.88伏伏续 转折区转折区 输入信号输入信号1.31.4伏伏 T2、T5管导通,饱和区工作状态管导通,饱和区工作状态 VI=VB2;VB2VEB2+IE2(R3/rBE5)发射结串联电阻通常很小,所以输出电压在这段发发射结串联电阻通常很小,所以输出电压在这段发生了跃变,生了跃变,2.5伏伏0.3伏伏 饱和区饱和区 T2饱和饱和 集电极电压集电极电压1伏,即伏,即T5管的管的VCES和和D管和管和T3管发射管发射极压降之和极压降之和 D管保证了管保证了T3管处于截止状态管处于截止状态 T1进入反向工
20、作状态,减小反向放大倍数进入反向工作状态,减小反向放大倍数T5管由于SBD钳位,集电结电压降下降。关门电平(Voff),R2/R3,大于0.即当EN1(0),二极管D在电路中不起作用,电路保持完整的与非门逻辑功能。当AB1,则T2、T5导通,vc21.得到,VI=IE2R3晶体管导通,VBE=0.比分立器件的集电极串联电阻大得多7V,T5截止,输出端Y为高阻状态。SF、SR分别是PNP管正、反向运用时的共基极短路电流增益双极型n-p-n的横向扩散的集成npn晶体管从基区接触孔到有效基区之间存在相当大的串联电阻还需利用前面的公式进行推导!输出级采用图腾柱结构,降低VC2=VCCIC2RC2求VO
21、H、VOL、VNL、VNH。若A、B中有一个为0,则T2、T5截止,由于vc2vIH0.平均延迟时间(tpd),tpd=(tpHL+tpLH)/2FAST(采用等平面工艺II制造)低功耗肖特基TTL(LSTTL)四管与非门电路传输曲传输曲线工作线工作区区截止区截止区线性区线性区过度区过度区饱和区饱和区T1饱和饱和饱和饱和饱和饱和饱和饱和-反反向工作向工作T2截止截止正向工正向工作作正向工正向工作作正向工正向工作作-饱和饱和T3正向工正向工作作正向工正向工作作正向工正向工作作正向工正向工作作-截止截止T4截止截止截止截止正向工正向工作作-饱和饱和饱和饱和VI(V)小于小于0.60.61.31.3
22、1.41.43.6VO(V)3.63.62.52.50.30.20.3输入电压输出电压VB2作业评讲 集成电路设计 集成电路工艺实现系统的集成超大规模集成电路优点 降低生产成本 提高工作速度 降低功耗 简化逻辑电子线路 优越的可靠性 体积小重量轻 缩短电子产品的设计和组装周期CMOS和Bipolar CMOS工艺简单、功耗低、占芯片面积小,更适于作较大规模的集成电路,抗干扰能力强。多子器件。缺点工作速度慢、驱动能力不足。Bipolar工艺复杂,占芯片面积较大,功耗也大,不宜做较大规模的集成电路。少子器件。但速度较快、驱动能力较强。四管单元与非门的静态参数和瞬态参数四管单元与非门的静态参数和瞬态
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