集成注入邏輯電路

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更新時間: 2013-12-13

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集成注入邏輯電路是在NPN晶體管的基極接有PNP晶體管作為恆流源,採用公共發射區,集成多個NPN晶體管倒相器的基本門電路,簡稱I2L電路。I2L電路的倒相管採用公共發射區的縱向NPN晶體管。

集成注入邏輯電路 -集成注入邏輯電路

 

集成注入邏輯電路 -正文
  在NPN晶體管的基極接有PNP晶體管作為恆流源,採用公共發射區,集成多個NPN晶體管倒相器的基本門電路,簡稱I2L電路。將這類基本門電路前後串接起來,經過適當組合,即可實現各種邏輯功能。在前後串接組合時,本級恆流源電流既可作為前級的負載電流,又可作為本級基極注入電流,這取決於前級門的狀態是通導還是截止。
  I2L電路是70年代初發展起來的一種高集成密度、雙極型邏輯電路。它是在常規雙極型集成電路工藝的基礎上經過改進而成。I2L電路無需隔離,結構緊湊,不用電阻,可以獲得很高的集成度和集成密度,並在低功耗下有較高的速度。
  I2L電路採用PNP橫向晶體管作為恆流源。橫向晶體管是指PNP或NPN晶體管的發射區、基區、集電區是沿晶元的平面方向分佈,即從發射極到集電極的電流是在晶元內橫向流動。硅雙極型集成電路主要用 NPN晶體管構成。在以 NPN晶體管為主體的集成電路中,如需要兼用PNP晶體管時,其方法之一是製作橫向PNP晶體管。橫向PNP晶體管製作簡單,能與NPN晶體管工藝兼容,不增加工序。在擴散NPN晶體管基區的同時,即可製作橫向PNP晶體管的發射區和集電區(發射區作為注入條也可再擴散,加深摻雜濃度)。橫向 PNP晶體管的缺點是截止頻率較低,電流放大係數在2~5之間,少數可達10左右。
  I2L電路的倒相管採用公共發射區的縱向NPN晶體管。它與通常的縱向NPN晶體管不同,其集電區在上方,公共發射區在下方。
  恆流源晶體管的發射極是一個P型注入條,橫向晶體管的基區和集電區,分別是縱向晶體管 NPN的發射區和基區。當P型注入條加上正電壓后(I2L電路的電源),注入條向 N型基區注入空穴,空穴渡越該基區后被集電區收集。被收集在 PNP晶體管集電區的空穴有兩個可能的去向:①作為NPN晶體管的基極注入電流(如果前級NPN晶體管處於截止狀態),導致NPN晶體管的導通;②作為前級NPN晶體管的集電極電流,如果前級NPN晶體管處於導通狀態,則該空穴電流流向前級 NPN晶體管。因其飽和壓降較小,本級NPN晶體管的發射結電壓也就很小,即本級NPN晶體管處於截止狀態(圖2)。因此,I2L電路的工作過程,實質上就是由外部注入條注入的少數載流子在集成器件體內轉移,引起基本門導通或截止。

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集成注入邏輯電路集成注入邏輯電路

  I2L電路實際上是由直接耦合晶體管邏輯電路(DCTL)演變而來的。DCTL電路的結構簡單,但存在嚴重缺點。其中,最突出的是「搶電流」現象(見電阻-晶體管邏輯電路)。I2L電路採用DCTL電路形式,而負載不用電阻器,以一個負載和一個晶體管組成倒相器。I2L電路所採用的 NPN晶體管使用倒相結構,反向工作。將通常雙極集成電路中的NPN晶體管的集電區作為 I2L電路內NPN晶體管的發射區,將發射區作為I2L電路內NPN晶體管的集電區。I2L電路的NPN晶體管的發射區,具有公共接地的特點。電路中所有NPN倒相管之間無需隔離,縮小了晶元面積。以共基極接法的橫向晶體管PNP恆流源代替 DCTL電路中的擴散電阻,使功耗降低,面積縮小。I2L電路的基本門,可方便地擴展成多個倒相輸出門而並不增加太多面積,只要在基本門的基區上擴展多個 NPN晶體管的集電區即可。多個集電區是相互隔離的,在功能上都相當於輸入信號的倒相。圖1為多集電極輸出倒相門的電路形式和結構的剖面。

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  I2L電路的優點是:①製造工藝簡單,管芯面積小,在雙極型電路中有較高的集成密度;②低功耗,可在低電壓和低電流情況下工作,有較好的功耗與延遲時間乘積。I2L電路最主要的缺點是:①速度較低,其主要原因是PNP橫向晶體管PNP的電流增益低,NPN晶體管的結電容較大,基區串聯電阻較大,導致橫流源對倒相管的充放電時間較長;②反方向運用的NPN晶體管(發射區在下,集電區在上)的基區存在少數載流子減速場,截止頻率較低;③I2L電路本身是一種飽和型開關電路,在晶體管內部存在過剩的存儲電荷,增加了電路的開關時間。再有,I2L電路的邏輯擺幅小,抗干擾能力差,以及多塊I2L邏輯電路集合使用時,存在著注入電流在各電路塊中能否均勻分配等問題。為克服這些缺點,已研製出若干種改進形式的I2L邏輯電路,如自對準I2L電路、離子注入摻雜工藝I2L電路、等平面隔離I2L電路、肖特基I2L電路、上擴散I2L電路和襯底饋電邏輯電路等。
  參考書目
 復旦大學微電子教研組編:《集成電路設計原理》,人民教育出版社,北京,1978。

 

集成注入邏輯電路 -配圖

 

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