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第6章集成注入逻辑I2L电路ppt

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  CH集成注入逻辑(IL)电路*集成电路设计概论西安交通大学微电子学系刘润民第章集成注入逻辑(IL)电路CH集成注入逻辑(IL)电路*绪论集成注入逻辑(integratedinjectionlogic),简称IL是双极型集成电路芯片设计的新途径具有集成密度高、功耗低、延时功耗积小工艺与双极集成电路兼容等优点。可用来制造高性能、低成本的数字模拟相结合的LSI和VLSI电路。本章主要介绍IL电路基本单元的结构IL电路工作原理IL电路逻辑组合IL电路版图设计CH集成注入逻辑(IL)电路*IL电路基本单元的结构一般IL电路的基本单元电路及版图和剖面图如下所示。是一种单端输入多端输出的反相器。CH集成注入逻辑(IL)电路*该电路结构具有以下特点:NPN管是倒置的。由于IL电路中各NPN管的发射区都是接地的。所以各单元电路间不需要隔离从而简化了工艺缩小了芯片面积。每个单元电路只有一对互补的晶体管而且这两个晶体管又有两对电极是共用的所以电路形式简单元件少单元内部没有互连线。单元电路中没有电阻而是用横向PNP管代替普通集成电路中的高值电阻本级的PNP恒流注入管既是本级反相器的电流源又是前级的负载使单元电路的面积缩小功耗下降。因此IL单元电路平均占用芯片面积小功耗低而且各单元间的互连非常容易。CH集成注入逻辑(IL)电路*IL基本单元电路的工作原理下面以图所示的等效电路(两级IL)为例讨论IL的工作原理。若在注入端EP加上一个大于PNP管EB结的阈值电压(VBE,th≈V)时PNP管导通正向注入电流IP流向B点到达B点后IP的流向取决于前级的输出状态。CH集成注入逻辑(IL)电路*当前级的输出为时的情况当前级的输出为时QN管截止注入到B点的电流IP全部流向QN管的基极QN管导通VB=VBE≈V。如果IP足够大就可使QN处于深饱和其各输出端的饱和压降近似为QN管的本征饱和压降(VCES≈VCES)。所以当IL电路的输入为高电平VOH时其QN管各集电极的输出为低电平且VOL≈VCES=(~)mV从QP管和QN管的连接关系可知VCBP=VBE,N=V又因为QP管始终导通所以VBEP≈V因而此时QP管的VCEP≈V。由此可见当电路的输入为时QP也处于深饱和状态而电源电压VP可近似看作全跨在QN的发射结上。CH集成注入逻辑(IL)电路*当前级的输出为时的情况当前级的输出为时QN管饱和其饱和压降VCES,N≈V其值随工作点的升高而略有减小。此时电源电压VP基本上都加在QP管上注入到B点的电流IP全部流入QN管的集电极而QN管截止各集电极输出为具体的输出高电平与各自的负载情况有关。如果后级也是IL电路则VOH=VBE≈V这时其逻辑摆幅为VL=VOHVOL≈V此时QP管的VCBP=VB≈V,VBEP≈V。因此当输入为时PNP处于临界饱和。从以上分析可知QP管始终处于深饱和与临界饱和之间其集电极电流在QN的集电极和QN管的基极之间流动。CH集成注入逻辑(IL)电路*IL电路分析IL电路中的器件分析倒置NPN管的共发射极电流增益b因为E、C倒置所以发射效率较低电流增益b较小。另外E结的面积较C结的面积大所以发射结注入的少数载流子不能全部被集电极收集也是影响电流增益的一个因素。在电路设计时应充分考虑这些因素。另外还有表面复合对反向运用NPN管的电流增益影响也是比较大的因此在工艺设计上应尽量减小表面复合的影响。提高电流增益的措施:提高发射区与基区杂质浓度比提高发射区和基区少子寿命减小基区宽度CH集成注入逻辑(IL)电路*使集电结与发射结面积比接近改善表面状态以减小表面复合速率。rB对b、VOL、tpd的影响对电流增益b的影响当发射极和基极接触孔的间距DEB增大时,rB会随之增大从而使加在EB结上的电压VBE下降导致电流增益b下降。对于多集电极结构晶体管因为基区几何形状是长条结构因此rB一般较大为了减小rB对电流增益的影响改善各集电极电流增益的不均匀性可采用如下办法:将集电极引线孔排列方向和注入条平行,如图(a)所示这样基极引线孔到各集电区的距离均匀分布可提高各集电区的电流增益及其均匀性。CH集成注入逻辑(IL)电路*CH集成注入逻辑(IL)电路*如果注入条同各集电区排列方向垂直可用浓硼基区短路条(或铝)结构(b)或用面积来补偿(c)。()对输出低电平VOL的影响在图所示的电路图中当Q导通时注入电流IP将通过Q管的基极串连电阻RB(寄生电阻)流入Q管的集电极使Q管的输出低电平VOL增大从而降低了电路的抗干扰能力。因为此时VBE=VCESIPrB随着IP或rB增大Q的VBE增加导致Q导通。CH集成注入逻辑(IL)电路*()对传输时间tpd的影响通过以上分析可知当本级门由导通转为截止时注入电流IP由Q经Q管之基极接触孔通过前一级(Q管)的输出端(集电极)放电如图所示。放电速度的快慢取决于基极电阻rB的大小。CH集成注入逻辑(IL)电路*横向PNP管的共基极电流增益α横向PNP管的共基极电流增益α直接影响注入电流被NPN管基区收集的多少从而影响电路的功耗、速度和负载能力。提高横向PNP管电流增益α的主要途径:减小基区宽度提高少子寿命减小发射结底部面积与侧面积之比尽可能提高发射结两侧杂质浓度的比值改善表面状态降低表面复合速率。CH集成注入逻辑(IL)电路*IL电路分析电路正常工作的条件完成复杂逻辑功能的IL电路是由许多基本单元门构成的。当前一级门的NPN管导通而使次级门的NPN管截止时次级门的注入电流必须能够被前一级完全吸收。图所示的是两级IL门电路的原理图假设各级门的注入电流IP都相同则此时流入Q管基极的电流IB为IB=aIP而被Q管集电极吸收的后级注入电流为IC=aIP式中aa为Q、Q的共基极电流增益。CH集成注入逻辑(IL)电路*若有N个负载则前一级所吸收的后级注入电流为IC=N(aIP)()CH集成注入逻辑(IL)电路*CH集成注入逻辑(IL)电路*负载能力由()式可知IL电路的扇出数N为由于IL电路中的NPN管是倒置运用其电流增益b较小所以IL电路的负载能力不大。电压传输特性和抗干扰能力IL电路的电压传输特性如图所示。由图可见输入为低电平时在一端较宽的范围内输出保持高电平其值等于一个正向结压降(V)当输入进入过渡区时输出迅速降到低电平(VL=VCES≈V)。过渡区的范围非常非常小()V传输特性的矩形性很好。CH集成注入逻辑(IL)电路*门电路的阈值电压常用VOH和VOL的中间值所对应的输入电压Vi来表征即VTH=V(VV)=V()CH集成注入逻辑(IL)电路*根据定义IL电路的低电平噪声容限VNL为VNL=VTHVOL=V()高电平噪声容限VNH为VNH=VHVTH=V()所以IL电路的高电平抗干扰能力较差但因为它只用作中、大规模集成电路的内部门且电源电压较低(≈V)工作电流较小所以噪声容限低并不影响其正常使用。IL电路的延时功耗积尽管IL电路的功耗非常低(每级平均功耗nW~mW)但延迟传输时间较大(~ns)。表给出了IL电路与其他各类双极型逻辑电路性能的比较可以看出在各类双极型逻辑电路中IL电路的延时功耗积最低。CH集成注入逻辑(IL)电路*表各类双极型逻辑电路性能比较CH集成注入逻辑(IL)电路*IL电路的逻辑组合图所示的是IL电路的基本逻辑单元它是由一个单端输入、多集电极输出构成的反相器。特点是NPN管的发射极接地PNP管恒流源注入且注入条都是公共的。由于它是集电极开路(OC)输出所以不同单元的各输出端可以直接实现“线与”很方便地完成基本逻辑操作即“正或非”和“正与非”操作。有了这两种基本功能经过变换组合就基本上可以完成数字电路中的各种逻辑功能。CH集成注入逻辑(IL)电路*IL电路的工艺与版图设计IL电路的工艺设计基本出发点是如何在工艺上满足电路中各晶体管对物理参数的要求与TTL电路制造工艺相比具有以下特点:IL电路的工艺结构分全IL型和混合IL型两种()全IL型电路的工艺结构全IL型电路是指在一个芯片上全部都是IL电路而无其他类型的电路或者输入、输出接口电路同它相容。由于IL电路各单元电路间不需要隔离所以全IL型电路的工艺可分为外延型和非外延型两类。CH集成注入逻辑(IL)电路*非外延型工艺中晶体管直接做在衬底上需要次光刻次扩散其剖面图如图所示。重点是衬底材料电阻率的选择因为IL电路对NPN管的电流增益b和横向PNP的a都由一定的要求如果不能满足要求电路就不能正常工作。但b和a对衬底电阻率的要求是矛盾的原则是以考虑b为主兼顾a。一般选为Ω·cm左右。该工艺的优点是:衬底缺陷少掺杂均匀且精度较易控制、少子寿命较长有利于提高电流增益且成本较低。CH集成注入逻辑(IL)电路*外延工艺结构的剖面图如图所示。晶体管做在外延层上(电阻率约为Ω·cm)由于外延可以做在重掺杂的N型衬底上这样可以减少NPN管发射区的少子存储并可在NPN管中形成加速载流子度越的杂质分布从而减小了平均传输时间tpd又可适当解决NPN管和PNP管对衬底材料电阻率的不同要求有利于提高两者的电流增益所以此工艺采用的比较多。CH集成注入逻辑(IL)电路*()混合型IL电路的工艺结构混合型IL电路是指在一个芯片上除了IL电路以外还有其他类型的电路(TTL、ECL和模拟电路)。其工艺结构剖面如图所示。共次光刻次扩散。特点是设计灵活性大工艺兼容存在一定困难。CH集成注入逻辑(IL)电路*工艺控制()采用无金工艺为了提高反向工作NPN晶体管的电流增益要求少子寿命尽可能地长所以整个工艺过程中应严格控制金的沾污。()低温退火目的是尽可能地减少体缺陷从而达到减少少子复合中心并且在退火过程中可以使有害的金属杂质析出从而达到提高少子寿命。()磷吸收磷硅玻璃对杂质有一定的吸出作用因此采用磷硅玻璃工艺也可以提高少子的寿命。CH集成注入逻辑(IL)电路*()基区硼扩散在IL电路NPN基区扩散的同时形成横向PNP管的E、C区所以可通过对硼扩散浓度和结深的控制来控制NPN管的b和PNP管的a。()集电区磷扩散通过集电区磷扩散浓度和结深的控制也可以起到控制NPN管的b的作用。()接触孔光刻的针孔控制由于IL电路的集成度高芯片上铝覆盖的面积较大因此接触孔光刻的针孔影响很大已成为实现大规模集成电路的一个关键问题。()横向PNP管基区宽度及其均匀性的控制横向PNP管的基区宽度是决定其电流增益a的关键参数。应从版图、光刻等方面给以重视。CH集成注入逻辑(IL)电路*IL电路的版图设计总体布局IL电路无论规模多大都可看成是由图所示的基本单元组成特点是所有单元的NPN管的发射区公用(接地)。为了充分利用注入电流和提高集成度整个电路的布局大致如下:由一根公用注入条供电而把所有的多集电极NPN管按电路要求整体地排列在注入条的两侧如图所示。有时为了电路布局的需要也可以由连在一个总电源的几个注入条供电此时应考虑对各注入条的均匀供电有时也可把NPN管的基区排列在注入条的一侧但这种结构会损失一部分注入电流。CH集成注入逻辑(IL)电路*CH集成注入逻辑(IL)电路*注入条的设计为了保证注入电流的均匀性常采用以下措施:整个注入条开出接触孔并且全部用铝覆盖作成等位线使用多注入条时确保各注入条对总电源等电位不允许铝线跨越注入条否则会影响注入电流的均匀性注入条的长度应适当考虑虽然长注入条对集成度有利但对制板、光刻的要求较高影响成品率。CH集成注入逻辑(IL)电路*NPN管基极条的设计NPN管的基区条宽相对于注入条的排列方式及引线孔位置的设计会直接影响注入逻辑门的工作电流范围、延迟时间以及电路的集成度。CH集成注入逻辑(IL)电路*()对集成度的影响上图中A排列集成度最高而C排列的集成度最低B排列则介于两者之间。()对驱动能力的影响基极条正对注入条部分的宽度称为有效基区周长它决定注入电流的大小。如图所示。图中基极条宽分别为L,LO,L相应的注入电流为IO,I,I。驱动能力也满足相应的比例关系。CH集成注入逻辑(IL)电路*由于图中C排列与A排列相比有更长的有效基区周长故在同样情况下它可以得到更大的注入电流。所以。C排列的驱动能力最强。()对电流范围的影响从反向运用NPN管基极电阻的影响可知对于图中A排列其C端据基极接触孔最远基极串连电阻最大因而C端的电流增益b最小且随电流的变化最明显。因而这种排列的门工作电流范围较小而C排列的三个输出端有相同的、很小的基极电阻故工作电流范围最大。()对门延迟时间的影响对应与图的排列C排列速度最快A最慢。CH集成注入逻辑(IL)电路*()门间的互连线对应与图的三种排列A排列各门之间的互连线比较容易而B,C排列的互连比较困难。NPN管基极引线孔位置的选择基极引线孔的位置就是门的输入端下图所示的A、B、C三种不同情况中A的速度最快,C的速度最慢。因为引线孔的位置不同引入的基极电阻的大小也不同而电阻越大充放电时间越长速度就越慢。CH集成注入逻辑(IL)电路*N隔离环的使用在IL电路不同时间中通常使用与集电区扩散同时形成的N隔离环(下图所示)作用有三个:减小各相邻基区条之间的寄生PNP管的影响使相邻基区之间的距离缩小可提高集成度。P注入条P注入条N……图N隔离环的使用CH集成注入逻辑(IL)电路*改善地线的均匀性提高反向运用的NPN管的电流增益b。不足之处是降低了击穿电压并会由于引线孔光刻时引入的针孔使成品率下降。地线的设计因为IL电路的逻辑摆幅较小(约V)因此在大电流情况下地线电阻引入的压降不可忽略特别是对于大规模集成电路随着芯片面积的增加地线的问题就更加突出。例如假设地线平均电阻为Ω平均电流为mA则在地线电阻上就会引入mV的压降这就相当于输出低电平抬高V即逻辑摆幅减小了V从而降低了电路的抗干扰性能。严重时可以使电路不能正常工作。CH集成注入逻辑(IL)电路*地线设计的注意事项:接地点必须进行N磷扩散对多单元电路各单元的接地点大致相同尽量减小接地电阻通常采用N环结构IL电路版图举例图是同一个D触发器电路的两种版图布局示例。图中的各个门(基极条)都是垂直于注入条放置的从以前的介绍可知在这种情况下门中各集电极的性能是不同的整个门电路的速度取决于距注入条最远的那个集电极。由此可见对于同一个电路可以有不同的版图布局设计中采用那种布局由电路的性能要求决定。CH集成注入逻辑(IL)电路*CH集成注入逻辑(IL)电路*

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