半导体集成电路原理与设计—第六章.pptx

I I2 2 L L基本单元电路基本单元电路 基本单元为一个单端输入、多端输出的反相器。基本单元为一个单端输入、多端输出的反相器。基本单元为一个单端输入、多端输出的反相器。基本单元为一个单端输入、多端输出的反相器。由于电极共用，所以也叫并合晶体管逻辑电路。由于电极共用，所以也叫并合晶体管逻辑电路。由于电极共用，所以也叫并合晶体管逻辑电路。由于电极共用，所以也叫并合晶体管逻辑电路。电路符号电路符号单元电路图单元电路图基本结构图基本结构图ebccbe单元电路单元电路典型典型NPN管管电路特点：电路特点：1 1、NPNNPN管倒置，且发射管倒置，且发射区接地，所以无需隔离；区接地，所以无需隔离；2 2、单元中只有一对互、单元中只有一对互补管且两对电极共用，补管且两对电极共用，所以电路简单元件少，所以电路简单元件少，单元内部无连线；单元内部无连线；3 3、电路中无电阻。、电路中无电阻。I I2 2 L L基本单元电路的工作原理基本单元电路的工作原理两两I2L门门1、注入端、注入端EP加上大于加上大于PNP管管EB结阈值结阈值电压电压VBE，th 0.6V的正向电压的正向电压VP时，时，PNP管导通，正向注入电流管导通，正向注入电流IP到达到达B点，点，然后流向取决于前级输出状态。然后流向取决于前级输出状态。1 1、前级输出为、前级输出为1 1时，注入到时，注入到B B点的电流全部流向点的电流全部流向Q QN2N2基极，基极，Q QN2N2深度饱和导通，其各输出深度饱和导通，其各输出端的饱和压降近似为端的饱和压降近似为Q QN2N2的本的本征饱和压降征饱和压降V VCES0CES0（20-20-60mv60mv）。）。0.7v 0.7vVCEP0V,QP深度饱和深度饱和电源电压电源电压VP可以近可以近似的看做全跨导在似的看做全跨导在QN2的发射结上。的发射结上。2 2、前级输出为、前级输出为0 0时，时，Q QN1N1管饱管饱和，饱和压降同和，饱和压降同Q QN2N2管（约为管（约为0.05v)0.05v)，此时电源电压横跨，此时电源电压横跨在在Q QP P上上,I,IP P全部流入全部流入Q QN1N1管管,Q,QN2N2管截止管截止,输出端为输出端为1 1态态,V,VOHOH=V=VBEBE 0.7V。逻辑摆幅逻辑摆幅=VOH-VOL 0.65V0.05V0.7V0.65V,临界饱和临界饱和Q QP P处于共基极组态处于共基极组态,其集其集电极电流电极电流I IP P轮流在轮流在Q QN1N1的集的集电极和电极和Q QN2N2的基极间流动的基极间流动,起到了一个电流源的作用。起到了一个电流源的作用。I I2 2 L L电路分析电路分析 I I2 2L L电路中的器件分析电路中的器件分析1、倒置、倒置NPN管的共发射极电流增益管的共发射极电流增益低的因素：低的因素：反向反向NPN管发射区电阻率比正向使用时的发射管发射区电阻率比正向使用时的发射区电阻率高很多，因此其发射效率低；区电阻率高很多，因此其发射效率低；反向反向NPN管的集电结面积比发射结面积要小，管的集电结面积比发射结面积要小，所以发射结注入的少数载流子只有一小部分被所以发射结注入的少数载流子只有一小部分被集电结收集；集电结收集；表面复合对反向表面复合对反向NPN管电流增益影响大。管电流增益影响大。提高倒置提高倒置提高倒置提高倒置NPNNPN管的共发射极电管的共发射极电管的共发射极电管的共发射极电流增益流增益流增益流增益 的措施：的措施：的措施：的措施：1)提高发射区（提高发射区（N型衬底或型衬底或N外延层）与基区的杂质浓外延层）与基区的杂质浓度比；度比；2)提高发射区和基区中少数载流子的寿命；提高发射区和基区中少数载流子的寿命；3)减小基区宽度；减小基区宽度；4)使集电结与发射结面积比接近使集电结与发射结面积比接近1；5)改善表面状态以减小表面复合速率。改善表面状态以减小表面复合速率。2、基极串联电阻、基极串联电阻rB的影响：的影响：1）对电流增益）对电流增益的影响：当晶体的影响：当晶体管的发射极与基极接触孔距离管的发射极与基极接触孔距离增大时，基极电阻增大时，基极电阻rB增大，导增大，导致致下降。下降。I2L基本门中，基区基本门中，基区扩散条拉的很长，所以扩散条拉的很长，所以rB的影的影响很大；同时如果各集电极的响很大；同时如果各集电极的基极串联电阻不同，还会造成基极串联电阻不同，还会造成各集电极电流增益不均匀。为各集电极电流增益不均匀。为了减小了减小rB对对的影响及改善各的影响及改善各集电极电流增益的不均匀性，集电极电流增益的不均匀性，可以采用如图所示设计。可以采用如图所示设计。注入条与集电注入条与集电极排列方向相极排列方向相同，距离均匀。同，距离均匀。带浓硼或铝带浓硼或铝短路条。短路条。增大基区面积，增大基区面积，以改善细长条以改善细长条影响。影响。2）对输出低电平的影响）对输出低电平的影响 如图所示，注入电流通如图所示，注入电流通过过Q2管的基极串联电阻管的基极串联电阻rB2流流入入Q1管的集电极，使管的集电极，使Q1管的管的输出低电平升高，降低了电路输出低电平升高，降低了电路的抗干扰能力。的抗干扰能力。此时：此时：VBE2=VCES1+IPrB2假设假设rB2=2K，IP=300A，则，则VBE2=VCES1+IPrB2=0.605v,已接已接近近Q2的导通电压。的导通电压。IP2）对传输时间的影响）对传输时间的影响 当本级门由导通转为截止当本级门由导通转为截止时，注入电流时，注入电流IP由由Q4经经Q2管之管之基极接触孔通过前一级（基极接触孔通过前一级（Q1）管的输出端（集电极）放电。管的输出端（集电极）放电。放电速度的快慢与基极串联电放电速度的快慢与基极串联电阻有直接的关系。阻有直接的关系。IP I I2 2L L电路分析电路分析 正常工作条件：次级正常工作条件：次级门注入的电流必须能够被门注入的电流必须能够被前一级所完全吸收。前一级所完全吸收。若后级若后级N0个负载：个负载：若使电路正常工作，则需：若使电路正常工作，则需：此时此时Q3管处于深度饱和状态，管处于深度饱和状态，Q4管处于临界饱和状态，实管处于临界饱和状态，实测表明：测表明：所以所以I2L电路正常工作的条件为：电路正常工作的条件为：I2L电路的扇出能力：电路的扇出能力：I I2 2L L电路的版图设计电路的版图设计 为提高集成度，采为提高集成度，采用共注入条对称排列用共注入条对称排列注入条的设计：注入条的设计：要点：保证注入电流的均匀性要点：保证注入电流的均匀性1）整个注入条开除接触孔，并且全部用铝条覆盖，）整个注入条开除接触孔，并且全部用铝条覆盖，作等位线；作等位线；2）使用多注入条时，要确保各注入条对总电源等电）使用多注入条时，要确保各注入条对总电源等电位；位；3）不允许铝线跨越注入条，这样会增加电阻，影响）不允许铝线跨越注入条，这样会增加电阻，影响注入均匀性；注入均匀性；4）注意长度和电阻之间的关系，长了对提高集成度）注意长度和电阻之间的关系，长了对提高集成度有好处，但是铝线的电阻也增加，尤其是较大的工有好处，但是铝线的电阻也增加，尤其是较大的工作电流时。作电流时。NPN管基极条的设计：管基极条的设计：1）对集成度的影响）对集成度的影响驱动能力强驱动能力强2）对驱动能力的影响）对驱动能力的影响有效基区周长有效基区周长 有效基区有效基区周长决定注入周长决定注入电流的大小。电流的大小。3）对驱动能力的影响）对驱动能力的影响与基极串联电阻相关。与基极串联电阻相关。4）对延迟时间的影响）对延迟时间的影响5）门间互连线）门间互连线NPN管基极引线孔位置选择管基极引线孔位置选择 不同引出位置带来不同的不同引出位置带来不同的基极串联电阻，所以引起速度基极串联电阻，所以引起速度的不同。的不同。地线设计地线设计 地线设计在地线设计在I2L电路中非常重要，因为电路中非常重要，因为I2L电路逻辑摆幅小，电路逻辑摆幅小，约为约为0.7v，因此在大电流下，地线电阻引入的压降不可忽略，同，因此在大电流下，地线电阻引入的压降不可忽略，同时地线电阻将严重影响注入电流的均匀分布。时地线电阻将严重影响注入电流的均匀分布。设计地线时应注意以下几点：设计地线时应注意以下几点：1）接地点必须进行）接地点必须进行N+磷扩散；磷扩散；2）接地点和各单元大致对称，使地线对各单元影响大致相同；）接地点和各单元大致对称，使地线对各单元影响大致相同；3）尽量减小地线电阻，可采用）尽量减小地线电阻，可采用N+环行地线或者地线从环行地线或者地线从N+衬底衬底引出。引出。I I2 2L L电路的版图举例电路的版图举例I I2 2 L L门电路门电路 “与与”门门线与线与逻辑功能：逻辑功能：F=A B “与或非与或非”门门VE用用输输入入变变量来代替量来代替逻辑功能：逻辑功能：I I2 2 L L的主要优缺点的主要优缺点 优点优点1.1.集成度高集成度高2.2.功耗小功耗小3.3.电源电压范围宽电源电压范围宽4.4.延迟功耗积延迟功耗积最佳最佳5.5.生产工艺简单生产工艺简单电电流流在在1nA1mA范范围内均能正常工作围内均能正常工作I2L的的延迟功耗积延迟功耗积只有只有（0.11）pJ/门门 缺点缺点1.1.开关速度低开关速度低2.2.噪声容限低噪声容限低I2L的的逻逻辑辑摆摆幅幅仅仅700mV左左右右，比比ECL还还低低，但但其其内内部部噪噪声声小小，因因此此电电路能正常工作路能正常工作3.3.多多块块一一起起使使用用时时，由由于于各各管管子子输输入入特特性性的的离离散散性性，基基极极电电流流分分配配会会出出现现不不均均的的现现象象，严严重重时电路无法正常工作时电路无法正常工作各类双极型逻辑电路性能比较各类双极型逻辑电路性能比较各类双极型逻辑电路性能比较各类双极型逻辑电路性能比较