第六章 集成注入逻辑电路.ppt

第六章集成注入逻辑 I2L 电路 信息工程学院李薇薇liweiwei 集成注入逻辑I2L又称并合晶体管逻辑MTL MergedTransistorLogic 它是一种新型的双极型逻辑电路 自1972年诞生以来 发展很快 对双极型大规模集成电路的发展起了巨大的推动作用 它具有集成度高 功耗 延迟时间乘积 低制造工艺比较简单 可与模拟集成电路和其它数字电路共作于同一芯片等优点 它的出现 标志着双极型集成电路在集成度和功耗方面的一次巨大突破 为双极型大规模集成电路的发展开辟了新的途径 越来越受到人们的重视 优点 具有集成密度高 功耗低 延时功耗积小 成本低 工艺与其他双极型集成电路兼容等优点 用途 能使设计人员把数字电路和模拟电路故放在同一块芯片中 可用它来制造高性能 低成本的数字 模拟结合的LSI和VLSI电路 双极型大规模集成电路的研制过程中 遇到了很多困难 归纳起来 大致有三点 1 单门电路的结构比较复杂 元件较多 虽然常采用一些简化门结构 但仍不够简单 2 需要采用隔离技术 隔离在普通双极型电路中占芯片面积的40 60 而它又是工艺复杂的主要原因 3 需要电阻 这就难以降低功耗和缩小芯片面积 人们在研制双极型大规模集成电路的实践中 逐渐地认识到 1 饱和型开关电路是以共发射极晶体管作为基本开关元件的 如果用基片作为发射区就可以省略掉晶体管之间的隔离 2 电路中的电阻是无源元件它既消耗功率 又占用较大的面积如用有源元件代替 既可降低功耗又可增加集成度 3 集成电路中的晶体管存在着寄生晶体管效应 般应尽量减小乃至消除它 但是 如果能在电路设计上有效地利用寄生晶体管作为电路中的元件 既可增加集成度 又可简化工艺 人们正是沿着这些思路 选择了结构最简单的直接耦合晶体管逻辑电路作为改进的对象 研制成功了I2L电路 6 1I2L电路的基本单元结构 一般I2L电路是一种单端输入多消输出的反相器 基本单元由一个横向PNP管和一个倒置的多集电极NPN管组成 这两个管子有两对电极是共用的 PNP管的集电极和NPN管的基极共用 PNP管的基极和NPN管的发射极共用 二者互相耦合结合成一个统一的整体 所以I2L电路通常又称为并台晶体管逻辑 MTL 电路 6 1 1I2L电路的基本单元 单元线路图 基本结构单元 1 VP端称为多集电极倒相器的注入端 它连接的区相当于单元电路中PNP管的发射区 外接电源 由它向各倒相器提供电流 2 B端称为多集电极倒相器的输入端 它连接的区既是PNP管的集电区 又是反向运用NPN管的基区 3 C1 C2 C3是多集电极倒相器的输出端 它连接的N 区是反向运用NPN管的集电极 4 EN是多集电极倒相器的接地端 它连接衬底N N既是PNP管的基区 又是反相工作NPN管的发射区 这种电路结构具有以下一些特点 NPN管是倒置的 即将普通集成电路中副晶体管集电区作为发射区 而将发射区作为集电区 由于I2L电路中NPN管的发射区都是接地的 所以各单元电路间不需要隔离 这就简化了工艺 缩小了芯片面积 每个单元电路只有一对互补管子 而且这两个管子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 I2L单元电路平均占用芯片面积小 功耗低 而且各单元间互连容易 总结 集成注入逻辑的基本单元是由横向结构的PNP晶体管和纵向结构反向运用的多集电极NPN晶体管构成的 PNP管的集电区与NPN管的基区共用 PNP管的基区同NPN管的发射区共用 它们之间互相渗透 结合成一个统一的整体 因此 集成注入逻辑 I2L 电路通常又称为并合品体管逻辑 MTL 电路 6 2I2L基本单元电路的工作原理 I2L基本电源电路具有两个状态 一个是载流子积累的状态 即导通态 一个是载流子耗尽的状态 即截止态 6 2 1当前级的输出为1态时的情况前级的输出为1时QN2管截止 注入到B点的电流IP 全部流向QN2管的基极QN2管导通 VB VBE 0 7V 等于正常NPN管的集电结正向压降VBC 如果Ip足够大 就可使QN2处于深饱和 其各输出端的饱和压降近似为管QN2的本征饱和压降Vces Vces0所以 当I2L电路的输入为高电平QN2管各集电极的输出为低电平且VOL Vces0 20 60 mV 6 2 2当前级的输出为0态时的情况前级的输出为0时QNl管饱和 其饱和压降Vces N1 0 05v其值随工作点的升高而略有减小 此时电源电压VP基本上都跨在横向PNP管Qp上 注入到B点的电流IP全部流入QNl管的集电极 而QN2管截止 其各集电极输出为1态 具体的输出高电平VOH与各自的负载情况有关 如果后级同样也是I2L电路 则VOH VBE 0 7v 这时 其逻辑摆幅VL VOH VOL 0 65v 6 3I2L电路分析 6 3 1I2L电路中的器件分析1 倒置NPN管的共发射极电流增益 高反向运用NPN管的电流增益 提高发射区 N型衬底或N外延层 与基区的杂质浓度比 提高发射区和基区中少数载流子的寿命 减小基区宽度 使集电结与发射结面积比接近1 改善表面状态以减小表面复合速率 2 基极串联电阻rB对反向运用NPN管电流增益 输出低电平VOL及传输时间tpd的影响对电流增益 的影响对输出低电平VOL的影响对传输时间tpd的影响 3 横向PNP管的共基极电流增益 基区宽度要小 即注入条到NPN管基区的间距要小 少数裁流子寿命尽量地长 所以需无金操作 发射结底面积与侧面积之比尽可能地小 所以注入条应取窄长条形状 发射结两例杂质浓度比尽可能大 对于侧面 要求PB PC 对于底面 要求Pc PB 改善表面状态 降低表面复合速率 6 3 2I2L电路分析 电路正常工作的条件负载能力电压传输特性和抗干扰能力I2L电路的延时功耗积 6 4I2L电路的逻辑组合 一 I2L的基本单元两种基本功能 正或非 和 正与非 I2L电路的基本逻辑单元是单端输入 多集电极开路输出的反相器 由于I2L电路中各npn管的发射极都是接地的 每个单元也都有pnp管恒流源注入 而注入条又是公共的 所以其单元线路可简化 由于它的各集电极输出端在逻辑上是相互独立的 又是OC输出 所以它的各输出端可直接 线与 在I2L电路中 不同的输入端之间的或非功能是最易实现的 非门和或非门是I2L电路的基本门 二 I2L线与非单元I2L电路的与非门是通过不同门的输出端相互短接实现线与 再经一级反相器而得到的 有时称为线与非门 三 并合晶体管与非门 在I2L电路中 所有横向PNP晶体管的发射极都连起来接到电源上 这时横向PNP晶体管的发射区 即注入条 只是用来提供电流 同电路的输入 输出信号毫无关系 如果将PNP晶体管的发射极也作为信号的一个输入端 那么 它与另一个输入端就可实现 与非 逻辑功能 这种单元称为 并和晶体管与非门 6 5I2L电路的工艺与版图设计 6 5 1I2L电路的工艺设计I2L电路的工艺结构 1 全I2L型电路的工艺结构 全I2L型电路的工艺又可分为外延型和非外延型两类 非外延工艺 器件直接坐在单晶衬底上 需要5次光刻 3次扩散 优点 衬底单晶片的缺陷较少 掺杂控制较准 少子寿命较长 有利于提高电流增益 且成本较低 外延工艺 在N 衬底上外延一层电阻率约为0 1 cm的N型外延材料 器件做在N型外延层上 优点 可以减少NPN管发射区的少子存储 可在NPN管种形成加速载流子渡越的杂质分布 从而减小平均传输时间tpd 又适当解决NPN管和PNP管对N型衬底材料电阻的不同要求 有利于提高两者的电路增益 2 混合I2L型电路的工艺结构混合I2L型电路 一个芯片上除了I2L电路以外 还有其他类型的电路 选用高阻P型硅作衬底 进行N 埋层扩散 N型外延 P 隔离扩散 深N 墙扩散 P型基区扩散 浅N 集电区扩散 接触孔光刻和铝互连光刻 共7次光刻 5次扩散热处理 特点 电路设计上灵活性大 但各类电路在工艺条件的兼容上存在一定的难度 2 工艺控制 1 采用无金工艺 2 低温退火 3 磷吸收 4 基区硼扩散 5 集电区磷扩散 6 接触孔光刻的针孔控制 7 横向PNP管基区宽度及均匀性的控制 6 5 2I2L电路的版图设计1 总体布局 2 注入条的设计为了保证注入电流的均匀 可采取以下的一些措施 整个注入条开出接触孔 并且全部用铝条覆盖上 作成等位线 使用多注入条时 要确保备注入条对总电源等电位 不允许铝线跨越注入条 因为这样会增加注入条本身纳电阻 影响注入的均匀性 注入条的长度也要适当考虑 虽然采用长注入条对集成度是有利的 但它对制版和光刻的要求较高 而且此时铝线的电阻己不可忽略 特别在较大的工作电流时更是这样 3 NPN管基极条的设计 1 对集成度的影响 2 对驱动能力的影响 3 对电流范围的影响 4 对门延迟时间的影响 5 门间的互连线 4 NPN管基极引线孔位置的选择 5 N 隔离环的使用 减小各相邻基区条之间的寄生PNP管的影