第二章双极型逻辑集成电路

集成晶体管逻辑电路发展状况
❖ 从直接耦合晶体管逻辑（DCTL）、RTL、DTL ❖ 广泛应用饱和型逻辑集成电路：TTL ❖ STTL和LSTTL以及ASTTL和ALSTTL ❖ 继承注入逻辑（I2L） ❖ 发射极耦合（ECL）电路—非饱和逻辑集成电路
➢ 以TI公司60~70年代末推出54/74系列TTL电路为例子 54 —— 军用 74 —— 民用
❖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
共基极
❖在同样的VBE下，VCE越大，IE越大
三极管伏安特性
反向工作特性
IB=0 Cut-off
正向工作特性
三极管工作状态总结
工作状态 正向活跃状态 反向活跃状态
关闭状态 饱和状态
三极管放大电路
发射结 正偏 反偏 反偏 正偏
2.1.3 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
P+
• C≈CALW/3
扩散电阻的阻值计算
电容CD 电极引线的延伸电极电容Cpad 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Cj
包括了三结的势垒电容
减少PN结的面积 提高反向偏压也有利于减少势垒电容
扩散电容CD
反映晶体管内可动少子存储电荷与所加偏压的 关系
交流特性的重要参数
采用低电阻率的薄外延层 减少管芯面积 采用STTL或ECL电路 采用集电极掺金
（ 截止区 反 正向工作区
偏 ）
NPN反向工作区的情况
（ VBC
反向工作区
正 偏
饱和区
） （反偏） 0
VBE （正偏）
（ 截止区 反 正向工作区
偏 ）
饱和区的情况
简化EM方程，得
（ VBC
反向工作区
正 偏
饱和区
） （反偏） 0
VBE （正偏）
（ 截止区 反 正向工作区
偏 ）
IIIIC SB E还需1利10FF用前11面SR的RSFF公式1进10S行RRS推III导C SESSEe！eeVVVSBBCECVVVttt111
▪ 减小集电极电阻
▪ 形成基区减速场
（2）集成双极晶体管的无源寄生效应
实际的集成晶体管中还存在着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。 它们对晶体管的工作产生影响，称为无源寄生效应。
寄生电阻：res、rcs、rb和寄生电容CJ、CD：
集成双极晶体管电路中的寄生电阻大于分立器件 集成双极晶体管电路中的寄生电容大于MOS器件
▪ 为了减少寄生PNP管的影响，增加有用电流的比值。 采用掺金工艺和增加掩埋工艺。
▪ 在逻辑集成电路中，NPN管经常处在饱和区或反向 运用工作状态，所以对逻辑集成电路来说，减少寄 生PNP管的影响就显得特别重要。在NPN管集电区 下设置n+阴埋层可以增大寄生PNP管的基区宽度和 杂质浓度，使寄生PNP管共基极短路电流增益大大 下降
➢ 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
vin
vout
最高 最低
电位 电位
n+ P基区 n n+掩埋层
（1）
n+
p+
隔离区
p-衬底
p+
n+ p+
n
隔离区
n+掩埋层
2.1.1集成晶体管与分立晶体管的区别
▪ ∆VO / ∆VI =-R2/R3；输出电压随输入电压线性下降。 ▪ 关 电门压电值平Voff：输出额定高电平的0.9倍处所对应的最大输入
• ∆VO=0.1VOH；求对应的VI值。Voff=0.825伏
▪ 当输入信号为1.3伏，T5管微导通，代入∆VO / ∆VI =-R2/R3， 得到VO=2.48伏，VC2=3.88伏
B(E-P) PNP
E(N+) NPN B
C(B-N)
E
N+
P
N
C
N+
p
S(C-P)
S
端电流关系式：IE=IB+IC+IS
2.1.2理想本征集成双极型晶体管
▪ 埃伯斯-莫尔（EM）模型（1954年Ebers和Moll提
出来）
IE 1
• 电流电压关系：IIIC SB1 0FF
R
1R 1SF
基区电阻rB
从基区接触孔到有效基区之间存在相当大的串 联电阻
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
rB=rB1+rB2+rB3
将相应的图扫描至此！
稳压器件 输出端
集成NPN晶体管中的寄生电容
与PN结有关的耗尽层势垒电容Cj 与可动载流子在中性区的存储电荷有关的扩散
（1）集成双极晶体管的有源寄生效应
▪ 简化EM模型：
• PN结正偏工作时，VF>0，（eVF/Vt-1）≈eVF/Vt
• PN界反偏时，VR<0，（eVR/Vt-1）≈-1
• 在电流叠加时只计算eVF/Vt项，可以忽略反偏电流，当全部
结都反偏时，只考虑ISS项
• VSC总是小于零，所以ISS（eVSC/Vt-1） ≈- ISS ≈0
SF
1 10SR RSIIIC SESSEeeeV V VSB BCE C V V Vttt 111
• αF、αR分别是NPN管正、反向运用时的共基极短路电流 增益
• αSF、αSR分别是PNP管正、反向运用时的共基极短路电流 增益
• V电t=荷K量T/q（等效热电压）波尔兹曼常数、绝对温度、电子
特点：
输入级采用多发射极晶体管， 降低了电路的平均传输延迟时 间 输出级采用图腾柱结构，降低 了电路的功耗 反向钳位二极管，避免负向过 冲信号，起到输入保护作用 此电路的优值：tpdPD=100pJ
n+
n+
n+
p+
P基区
隔离区
n
n
n+掩埋层
标准SN54/74pT-衬TL底电路
p+
p+
隔离区
标准SN54/74TTL电路
IE 1
I
B
1
αF
I
C
IS
αF 0
αR 1 αR ( 1 α SF α SF
IF
)
I
R
0
IE IF αRIR
I B 1 α F I F 1 α R I R I C α F I F 1 α SF I R
I S α SF I R
接着上面公式推导
四管单元TTL与非门电路分析
截止区
▪ 见14页图2-9：典型的TTL 电路
▪ 采用多发射极晶体管
• 有共同的发射结结电压 • 可反抽T2管基区中的过剩少
子，提高了工作速度
▪ 输出级采用图腾柱结构， 使电路的功耗下降
输入 倒相 输出
▪ 输入信号有一端为逻辑 “0”，即VIL=0.3~0.6伏
• T1管导通
▪ 其基极电压：1伏； IB=4/4k=1毫安≈IC，进入深 饱和区
• T2管截至（关态）
▪ 其基区电压：0.4伏；集电极 电压：5伏
• T5管截至（高电平输出）
• T3、D4导通
▪ VO=VC2-VBE3-VDF=51.4=3.6伏，输出为逻辑“1”
续（线性区）
▪ 输入信号一端输入电压：0.6~1.3伏，首先讨论0.6伏
《半导体集成电路》中10页图2-2
发射极串联电阻res
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
res= re,m + re,b re,m = RC/SE
RC：硅与发射极金属的欧姆接触系数（可查表） SE：发射极接触孔的面积
在小电流的情况下，通常可以忽略
集电极串联电阻
集电结 反偏 正偏 反偏 正偏
工作区 正向工作区 反向工作区
截止区 饱和区
这是逻辑电路设计中常用的工作状态
（ VBC
反向工作区
正 偏
饱和区
）
VBE
（反偏） 0 （正偏）
（ 截止区 反 正向工作区
偏 ）
晶体管处于放大区的三个必要条件
❖ 发射结正偏，结电阻很小，即输入电阻很小 ❖ 集电结反偏，结电阻很大，即输出电阻很大 ❖ 有一定的放大倍数（1~3），βF=IC/IB
续
▪ 转折区
• 输入信号：1.3~1.4伏
▪ T2、T5管导通，饱和区工作状态 ▪ ∆VI= ∆VB2；VB2≈VEB2+IE2(R3//rBE5)
• T1管导通，深饱和状态 • T2管导通
▪ 基区电压：0.7伏；VB2=VI+VCES1 ▪ 输入信号提高∆VI ：∆VI= ∆VB2；VB2=VEB2+IE2R3；∆VB2= ∆IE2R3 得到，∆VI= ∆IE2R3
• VO=VC2-1.4；VC2=VCC-R2(IC2+IB3)； 得， ∆VO= ∆VC2=- ∆IC2R2
▪ 得到结论：
• 减小αSF： • 增大VBE-VBC：
▪ 采用肖特基二极管（SBD）对BC结进行箝位，使 VBC下降为0.5伏左右
▪ 对于反向工作区和饱和区缺陷工艺上采用掩埋和掺 金方法解决