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雙極型集成電�
閱讀�7986時間�2011-04-11 17:06:18

  雙極�集成電路(bipolar integrated circuit)是指以通常的NPN或PNP型雙極型晶體管為基礎(chǔ)的單片集成電路。它�1958年世界上最早制成的集成電路。雙極型集成電路主要以硅材料為襯�,在平面工藝基礎(chǔ)上采用埋層工藝和隔離技�(shù),以雙極�晶體�為基�(chǔ)元件。按功能可分��(shù)字集成電�和模擬集成電路兩��

�(fā)展簡�

  雙極型集成電路是在硅平面晶體管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,最早的是雙極型�(shù)字邏輯集成電路。在�(shù)字邏輯集成電路的�(fā)展過程中,曾出現(xiàn)過多種不同類型的電路形式。常見的雙極型集成電路可分類如下�

  DCTL電路是種雙極型數(shù)字邏輯集成電�,因存在�(yán)重的“搶電流”問�(見電�-晶體管邏輯電�)而不�(shí)�。RTL電路是種有實(shí)用價值的雙極型集成電路。早期的�(shù)字邏輯系�(tǒng)曾采用過 RTL電路,后因基極輸入回路上有電阻存在,限制了開�(guān)速度。此�,RTL邏輯電路的抗干擾的性能較差,使用時�(fù)載又不能�,因而被淘汰。電�-電容-晶體管邏輯電路(RCTL)是為了改善RTL電路的開�(guān)速度而提出來�,即在RTL電路的電阻上并接電容。實(shí)際上 RCTL電路也未得到�(fā)�。DTL電路是繼 RTL電路之后為提高邏輯電路抗干擾能力而提出來的。DTL電路在線路上采用了電平位移二極管,抗干擾能力可用電平位移二極管的個數(shù)來調(diào)節(jié)。常用的 DTL電路的電平位移二極管,是用兩個硅二極管串接而成,其抗干擾能力可提高�1.4伏左右(見二極管-晶體管邏輯電路)。HTL電路是在 DTL電路的基�(chǔ)上派生出來的。HTL電路采用反接的齊納二極管代替DTL電路的電平位移二極管,使電路的閾值提高到�7.4伏左�(見高閾值邏輯電�)??勺冮撝颠壿嬰娐?VTL)也是DTL電路系列中的另一種變形電�。閾值邏輯電�(TLC)� HTL和VTL邏輯電路的總稱。TTL邏輯電路是在DTL邏輯電路基礎(chǔ)上演變而來,于1962年研制成功。為了提高開�(guān)速度和降低電路功�,TTL電路在線路結(jié)�(gòu)上經(jīng)歷了三代電路形式的改�(jìn)(見晶體管-晶體管邏輯電�)�

  以上均屬飽和型電路。在�(jìn)一步探索提高飽和型電路開關(guān)速度的同�,發(fā)�(xiàn)晶體管多余載流子的存儲效�(yīng)是一個極重要的障�。存儲現(xiàn)象實(shí)�(zhì)上是電路在開�(guān)�(zhuǎn)換過程中由多余載流子所引起。要提高電路開關(guān)速度,除了減少晶體管PN�(jié)電容,或者設(shè)法縮短多余載流子的壽命以�,就得減少和消除晶體管內(nèi)載流子存儲現(xiàn)象�60年代末和70年代�,人們開始在集成電路中利用熟知的肖特基效�(yīng)。在TTL電路上制備肖特基勢壘二極�,把它并接在原有晶體管的基極和集電極上,使晶體管開�(guān)時間縮短�1納秒左右;帶肖特基勢壘二極管箝位的TTL門電路的平均傳輸延遲時間達(dá)2�4納秒�

  肖特基勢壘二極管-晶體�-晶體管邏輯電�(STTL)屬于第三� TTL電路。它在線路上采用了肖特基勢壘二極管箝位方�,使晶體管處于臨界飽和狀�(tài),從而消除和避免了載流子存儲效應(yīng)。與此同�,在TTL電路與非門輸出級倒相器的基極引入晶體管分流器,可以改善與非門特�。三極管帶有肖特基勢壘二極管,可避免�(jìn)入飽和區(qū),具有高速性能;輸出管加上分流�,可保持輸出級倒相的抗飽和程度。這類雙極型集成電�,已不再屬于飽和型集成電�,而屬于另一類開�(guān)速度快得多的抗飽和型集成電路�

  �(fā)射極耦合邏輯電路(ECL)是電流型邏輯電路(CML)。這是一種電流開�(guān)電路, 電路的晶體管工作在非飽和狀�(tài),電路的開�(guān)速度比通常TTL電路又快幾�。ECL邏輯電路把電路開�(guān)速度提高� 1納秒左右,大大超� TTL和STTL電路。ECL電路的出�(xiàn),使雙極型集成電路�(jìn)入超高速電路范��

  集成注入邏輯電路 (I2L)又稱合并晶體管邏輯電�(MTL),是70年代研制成的。在雙極型集成電路中,I2L電路的集成密度是��

  三層�(jié)�(gòu)邏輯電路(3TL)�1976年中國在I2L電路的基�(chǔ)上改�(jìn)而成,因有三層�(jié)�(gòu)而得名�3TL邏輯電路采用NPN管為電流�,輸出管采用金屬做集電極(PNM),不同于I2L�(jié)�(gòu)�

  多元邏輯電路(DYL)和雙層邏輯電�(DLL),是1978年中國研制成功的新型邏輯電路。DYL邏輯電路線性與或門,能同時實(shí)�(xiàn)開關(guān)邏輯和線性邏輯處理功能。DLL電路是通過ECL和TTL邏輯電路雙信息內(nèi)部變換來�(shí)�(xiàn)電路邏輯功能��

  此外,在雙極型集成電路發(fā)展過程中,還有許多其他型式的電路。例�,�(fā)射極功能邏輯電路(EFL)、互�(bǔ)晶體管邏輯電�(CTL)、抗輻照互補(bǔ)恒流邏輯電路(C3L)、電流參差邏輯電�(CHL)、三�(tài)邏輯電路(TSL)和非閾值邏輯電�(NTL)��

工藝制備

  是利用PN�(jié)隔離技�(shù)制備雙極型集成電路倒相器的工藝流程,圖中包括一個NPN晶體管和一個負(fù)載電阻R。原始材料是直徑�75�150毫米摻P型雜�(zhì)的硅單晶�,電阻率ρ=10歐·厘米左�。其工藝流程是:先經(jīng)過切�、研磨和拋光等工�(是硅片制備工�)制備成厚度約300�500微米的圓形硅片作為襯�,然后�(jìn)行外延生�、氧�、光刻、擴(kuò)�、蒸�(fā)、壓焊和多次硅片清洗,�(jìn)行表面鈍化和成品封裝�

雙極型集成電路工藝流程

  制作雙極型集成電路芯片需要經(jīng)� 5次氧�,對氧化� (SiO2)薄層�(jìn)�5次光�,刻蝕出供擴(kuò)散摻雜用的圖形窗口。還�(jīng)過兩次光�,刻蝕出金屬鋁互連布線和鈍化后用于壓焊點(diǎn)的窗�。因此,整套雙極型集成電路掩模版共有 7�。即使通常省去鈍化工藝,也需要�(jìn)�6次光刻,需�6塊掩模版�

特點(diǎn)和原�

  雙極型集成電路的制造工�,是在平面工藝基�(chǔ)上發(fā)展起來的。與制造單個雙極型晶體管的平面工藝相比,具有若干工藝上的特�(diǎn)�

 ?、佟‰p極型集成電路中各元件之間需要�(jìn)行電隔離。集成電路的制�,先是把硅片劃分成一定數(shù)目的相互隔離的隔離區(qū);然后在各隔離區(qū)�(nèi)制作晶體管和電阻等元�。在常規(guī)工藝中大多采用PN�(jié)隔離,即用反向PN�(jié)�(dá)到元件之間相互絕緣的目的。除PN�(jié)隔離以外,有時也采用介質(zhì)隔離或兩者混合隔離法(見隔離技�(shù))�

 ?、凇‰p極型集成電路中需要增添隱埋層。通常,雙極型集成電路中晶體管的集電極,必須從底層向上引出連接�(diǎn),因而增加了集電極串連電�,這不利于電路性能。為了減小集電極串連電�,制作晶體管時在集電極下邊先�(kuò)散一層隱埋層,為集電極提供電流低阻通道和減小集電極的串�(lián)電阻。隱埋層,簡稱埋�,是隱埋在硅片體�(nèi)的高摻雜低電阻區(qū)。埋層在制作集成電路之前�(yù)先“埋置”在晶片體內(nèi)。其工藝過程是:� P型硅片上,在�(yù)�(jì)制作集電極的正下方某一區(qū)域里先擴(kuò)散一層高濃度施主雜質(zhì)即N+區(qū);而后在其上再外延生長一層N型硅單晶層。于�,N型外延層將N+區(qū)隱埋在下�,再在這一外延層上制作晶體管�

 ?、邸‰p極型集成電路通常采用�(kuò)散電�。電路中按電阻阻值大小選擇制備電阻的工藝,大多數(shù)是利用晶體管基區(qū)P型擴(kuò)散的同時,制作每方約 150�200歐·厘米的P型擴(kuò)散電�。但�,�(kuò)散電阻存在阻值誤差大、溫度系�(shù)高和有寄生效�(yīng)等缺�(diǎn)。除采用�(kuò)散電阻外,有時也采用硅單晶體電阻�

  ④ 雙極型集成電路元件間需要互連線,通常為金屬鋁薄層互連線。單層互連布線時難以避免交叉的位�,必要時可采用濃磷擴(kuò)散低阻區(qū),簡稱磷橋連接��

 ?、荨‰p極型集成電路存在寄生效應(yīng)。雙極型集成電路的縱向NPN晶體�,比分立晶體管多一個P型襯底層和一個PN�(jié)。它是三�(jié)四層�(jié)�(gòu)。增加的襯底層是所有元件的公共襯底,增加的一個PN�(jié)是隔離結(jié)(包括襯底�(jié))。雙極型集成電路因是三結(jié)四層�(jié)�(gòu)而會�(chǎn)生特有的寄生效應(yīng):無源寄生效�(yīng)、擴(kuò)散電阻的寄生電容和有源寄生效�(yīng)。隔離電容是集電極N型區(qū)與隔離槽或襯底P型區(qū)形成的PN�(jié)�(chǎn)生的電容。隔離和襯底接電�,所以這個電容就是集電極對地的寄生電容。擴(kuò)散電阻的寄生電容是擴(kuò)散電阻P型區(qū)與集電極外延層N型區(qū)�(chǎn)生的PN�(jié)電容,也屬無源寄生效�(yīng)。這一PN�(jié)電容總是處于反偏置工作狀�(tài)。有源寄生效�(yīng)� PNP寄生晶體�。在電路�,NPN晶體管的基區(qū)、集電區(qū)(外延層)和襯底�(gòu)成PNP寄生晶體�。在通常情況�,因PN�(jié)隔離,外延層和襯底之間總是反向偏�。只有當(dāng)電路工作�,NPN管的集電�(jié)正偏,寄生PNP管才�(jìn)入有源區(qū)�

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