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集成注入逻辑电路

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  在NPN晶体管的基极接有PNP晶体管作为恒流源,采用公共发射区,集成多个NPN晶体管倒相器的基本门电路。简称I2L电路。将这类基本门电路前后串接起来,经过适当组合,即可实现各种逻辑功能。I2L电路发展于20世纪70年代初,它是在常规双极型集成电路工艺的基础上经过改进而成的。I2L电路无需隔离,结构紧凑,不用电阻,有较高的集成密度,功耗低。但开关速度较慢,截止频率较低,抗干扰能力差。为克服这些缺点,已研制出若干改进型I2L电路 。I2L电路发展较晚,常用于制作双极型大规模集成电路。

  。它是在常规双极型集成电路工艺的基础上经过改进而成。IL电路无需隔离,结构紧凑,不用电阻,可以获得很高的集成度和集成密度,并在低功耗下有较高的速度。

  IL电路采用PNP横向晶体管作为恒流源。横向晶体管是指PNP或NPN晶体管的发射区、基区、集电区是沿芯片的平面方向分布,即从发射极到集电极的电流是在芯片内横向流动。硅双极型集成电路主要用 NPN晶体管构成。在以 NPN晶体管为主体的集成电路中,如需要兼用PNP晶体管时,其方法之一是制作横向PNP晶体管。横向PNP晶体管制作简单,能与NPN晶体管工艺兼容,不增加工序。在扩散NPN晶体管基区的同时,即可制作横向PNP晶体管的发射区和集电区(发射区作为注入条也可再扩散,加深掺杂浓度)。横向 PNP晶体管的缺点是截止频率较低,电流放大系数在2~5之间,少数可达10左右。

  IL电路的倒相管采用公共发射区的纵向NPN晶体管。它与通常的纵向NPN晶体管不同,其集电区在上方,公共发射区在下方。

  恒流源晶体管的发射极是一个P型注入条,横向晶体管的基区和集电区,分别是纵向晶体管 NPN的发射区和基区。当P型注入条加上正电压后(IL电路的电源),注入条向 N型基区注入空穴,空穴渡越该基区后被集电区收集。被收集在 PNP晶体管集电区的空穴有两个可能的去向:①作为NPN晶体管的基极注入电流(如果前级NPN晶体管处于截止状态),导致NPN晶体管的导通;②作为前级NPN晶体管的集电极电流,如果前级NPN晶体管处于导通状态,则该空穴电流流向前级 NPN晶体管。因其饱和压降较小,本级NPN晶体管的发射结电压也就很小,即本级NPN晶体管处于截止状态(图2)。因此,IL电路的工作过程,实质上就是由外部注入条注入的少数载流子在集成器件体内转移,引起基本门导通或截止。 IL电路实际上是由直接耦合晶体管逻辑电路(DCTL)演变而来的。DCTL电路的结构简单, 但存在严重缺点。其中,最突出的是“抢电流”现象(见电阻-晶体管逻辑电路)。IL电路采用DCTL电路形式,而负载不用电阻器,以一个负载和一个晶体管组成倒相器。IL电路所采用的 NPN晶体管使用倒相结构,反向工作。将通常双极集成电路中的NPN晶体管的集电区作为 IL电路内NPN晶体管的发射区,将发射区作为IL电路内NPN晶体管的集电区。IL电路的NPN晶体管的发射区,具有公共接地的特点。电路中所有NPN倒相管之间无需隔离,缩小了芯片面积。以共基极接法的横向晶体管PNP恒流源代替 DCTL电路中的扩散电阻,使功耗降低,面积缩小。IL电路的基本门,可方便地扩展成多个倒相输出门而并不增加太多面积,只要在基本门的基区上扩展多个 NPN晶体管的集电区即可。多个集电区是相互隔离的,在功能上都相当于输入信号的倒相。图1为多集电极输出倒相门的电路形式和结构的剖面。

  IL电路的优点是:①制造工艺简单,管芯面积小,在双极型电路中有较高的集成密度;②低功耗,可在低电压和低电流情况下工作,有较好的功耗与延迟时间乘积。IL电路最主要的缺点是:①速度较低,其主要原因是PNP横向晶体管PNP的电流增益低,NPN晶体管的结电容较大,基区串联电阻较大,导致横流源对倒相管的充放电时间较长;②反方向运用的NPN晶体管(发射区在下,集电区在上)的基区存在少数载流子减速场,截止频率较低;③IL电路本身是一种饱和型开关电路,在晶体管内部存在过剩的存储电荷,增加了电路的开关时间。再有,IL电路的逻辑摆幅小,抗干扰能力差,以及多块IL逻辑电路集合使用时,存在着注入电流在各电路块中能否均匀分配等问题。为克服这些缺点,已研制出若干种改进形式的IL逻辑电路,如自对准IL电路、离子注入掺杂工艺IL电路、等平面隔离IL电路、肖特基IL电路、上扩散IL电路和衬底馈电逻辑电路等。

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