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集成注入逻辑电路

  集成注入逻辑路(I2L)又称并合晶体管逻辑MTL(Merged Transistor Logic),它是一种新型的双极型逻辑电路。它是在常规双极型集成电路工艺的基础上经过改进而成的。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。
集成注入逻辑电路

集成注入逻辑电路概述

  集成注入逻辑电路自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。

集成注入逻辑电路历史

  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)电路中的电阻无源元件它既消耗功率,又占用较大的面视如用有源元件代替,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,又可以简化工艺。

  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。

集成注入逻辑电路特点

  1、集成注入逻辑电路优点:

  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。

  2、集成注入逻辑电路缺点:

  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。

 

集成注入逻辑电路器件分析

  1、倒置NPN管的共发射极电流增益β

  ①提高发射区(N型衬底或N外延层)与基区的杂质浓度比;

  ②提高发射区和基区中少数载流子的寿命;

  ③减小基区宽度;

  ④使集电结与发射结面积比接近1

  ⑤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

  1)对电流增益β的影响

  2)对输出低电平VOL的影响

  3)对传输时间tpd的影响

  3、横向PNP管的共基极电流增益α

  ①基区宽度要小,即注入条到NPN管基区的间距要小;

  ②少数裁流子寿命尽量地长(所以需无金操作);

  ③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;

  ④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;

  ⑤改善表面状态,降低表面复合速率。

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