第一篇双极型逻辑电路学案.doc

概述 大约四十年前，所有的电子设备都是由单个的元件（晶体管、电阻、电容等）通过导线或印刷电路板的连接而实现功能。这种电路称之为分立电路。 发展集成电路的最初动力来自军事目的，目标是减小军用电子设备的体积及重量，而集成电路出现后，意外地发现了重要的其它特性：高可靠、高性能、低成本等。今天集成电路已浑入到我们日常生活的每一个领域。 集成电路一诞生，理论研究就跟不上工艺技术的发展。工艺技术的突飞猛进使得研究人员感叹当一本专著成为文字时，许多内容已经过时。 集成电路是一门综合艺术，是电路、系统、器件设计以及各种工艺技术的综合。只有各项技术的相互配合，取长补智短，兼顾各方面的因素，才可能取得高性能、高集成度，而且生产单位的特色及指导思想也将在其产品的设计及性能反映上来，还从来没有一个学科象集成电路一样综合了许多方面的技术，这对从事半导体技术的人员提出了很高的要求。首先是必须不断接受新的知识，并且还要有很宽的知识面，集成电路发展史上的两次飞跃，就分别是半导体技术与电子线路和计算机技术结合的产物。 本课程的任务是学会运用已学过的电子技术、晶体管原理、工艺原理等知识去了解集成电路的设计，制造中的问题，学好一些共同的基础性的知识，并学习对集成电路设计中的问题进行工程估算。 发展概况 一九四八年晶体管被发明后，五二年英国的Dummer就提出了“固体功能块”的设想。五八年，一位美国工程师在调研军用电子设备超小型化的报告中，首次提出了以同一种材料硅来制作电阻、电容和晶体管，并且可将这些元件直接制作在电路中它们应处的位置上，实现内部平面连线。三个月后，制作出了由硅pN结电容、硅电阻、硅晶体管组成的全硅材料相移振荡器。与此同时，美国的仙童公司发明了硅平面工艺和pN结隔离技术，五九年，有人将这几种技术综合起来，制作出了pN结隔离的，全平面工艺硅集成电路（SIC）。 SIC出现后，引发了一场争论，集中反映了三个方面： 1、集成电路中每个元件都不是最佳，则由这些元件所构成的电路的性能将较差。 2、电路的成品本应为每个元件成品率的乘积，当构成电路的元件较多时，其成品率将极低。 3、集成电路的设计费用昂贵，且制造后功能无法更改，而已有的分立电路各式各样，都实现集成化不现实，成本太高。显然，这三个问题都客观存在，但在集成电路发展过程，都得到了解决，第一个问题，虽然每个元件不是最佳，但元件性能一致性好，并随技术的进步，寄生效应逐步得到减弱甚至消除，其电路性能甚至优于分立电路，第二个问题，当工艺及设施的水平提高到一定程度时，成品率主要取决于材料特性当集成电路面积与单个晶体管面积相当时，其成品率也相当，第四个问题的解决是生产通过电路（如通用适放、数字逻辑门）另外对一些市场量大的产品则生产专用IC（如电阻、音响等），由于大批量生产，成本很低，如逻辑电路，每个等效门的价格六二年数十美元，现已降至数美分。 由于集成电路具有许多分立电路无法比拟的优点，尽量存在争论，仍得到飞速的发展。 SIC重大技术进展时间表 国内五六年研究本导体，北大等五院校联合办本导体专业，成立研究所，半导体厂相继开办，五七年研制出晶体管，六五年鉴定第一块IC，七五年研制出第一块LSI 1KMOSROM，八零年研制出八位单纯微处理机。 爱整体国力的影响及指导思想（文革中的遍地开花）的影响，与国际先进水平落后很多，并且差距不断增大。 IC的分类 所谓IC，就是将构成电路的各个元件及互边线一起制作在本导体或绝缘衬底上，引出电源、输入、输出等各接线端，形成一个整体功能块，我们可以按照不同的标准对其分类： 按照制造工艺： 按照功能： 按集成度： 双极型逻辑IC的类型 双极型逻辑IC以Bip晶体管作为基本源元件，特点是： 1、发展早，基础好；2、速度快，稳定性好；3、负载能力强，因此在中小规模IC中广泛应用，其基本单元为门电路及触发器，而触发器又可由门电路构成，故门电路是类数字电路的最基本单元。 双极型逻辑IC的缺点是功耗大，集成度较低。 按照电路的工作特点，双极型逻辑IC可分为： 饱和型： 抗饱和型： 非饱和型： 上述各类型中，DETL、RTL、RCTL已被淘汰，HTL、TTL、STTL、ECL、I2L获得广泛的应用。 IC中的寄生效应 1、IC中各元件均制作于同一衬底，注定了元件与元件之间，元件与衬底之间存在寄生效应。 2、某些寄生效应是分立电路所没有的，因此研究IC就必须了解这些寄生效应，产生寄生效应的原因减弱或消除寄生效应的方法，避免影响电路的性能。 3、可能的情况下，可以利用某些寄生效应构成电路所需的元件，简化设计线路。 为全面了解寄生效应，必须熟悉IC的制造工艺及其元件的结构与形成。 §1-1典型的TTL工艺及晶体管结构 典型的TTL工艺与平面晶体管工艺大致相同