1、 半导体集成电路课程教学课程总体介绍：1教材：选用上海科技出版社出版的，由电子工业部教材办公室组织编写的高等学校教材半导体集成电路一书。该教材参考教学学时为 120 学时。2 目前实际教学学时数：课内 66+实验 6，共计 72 学时。3 教学内容：(按 72 学时删减)第一篇 双极型逻辑集成电路 26 学时第一章 集成电路的寄生效应（含序论） 7 学时第二章 TTL 集成电路 12 学时第三章 TTL 中大规模集成电路 3 学时第四章 TTL 电路版图设计 4 学时第二篇 MOS 逻辑集成电路 26 学时有关 MOS 管 +前言 3 学时第六章 nMOS 逻辑集成电路 9 学时第七章 CMO
2、S 集成电路 8 学时第八章 动态,准静态 MOS 电路简介 2 学时第九章 MOS 集成电路版图设计 4 学时第三篇 模拟集成电路 20 学时第十一章 模拟集成电路中的特殊元件 8 学时第十二章 模拟集成电路中的基本单元 9 学时第十三章 集成运算放大器简介 3 学时 课程教案:序言 1 学时内容:1 集成电路1.1 集成电路定义1.2 集成电路特点1.3 集成电路分类2 半导体集成电路2.1 半导体集成电路分类2.2 有关半导体集成电路的集成度2.3 半导体集成电路的优缺点3 课程内容介绍及参考书 课程重点：介绍了何谓集成电路，集成电路是如何分类的（即可分为膜集成电路.半导体集成电路和混合
3、集成电路），集成电路有何特点；介绍了何谓半导体集成电路，半导体集成电路的分类（即按照电路中晶体管的导电载流子状况分类，可分为双极型集成电路和单极型集成电路两种；按照电路工作性质分类，可分为数字集成电路和模拟集成电路两种），半导体集成电路的重要概念-集成度，以及半导体集成电路的优点（即体积小重量轻；技术指标先进可靠性高以及便于大批量生产和成本低等）。最后给出了课程总体内容介绍，并给出了有关参考书。2课程难点：有关半导体集成电路的定义，不同方法的分类；有关半导体集成电路集成度的两种定义方法，以及半导体集成电路的最突出的优点。基本概念：1 集成电路-将某一电路所需的若干元器件（晶体管；二极管；电阻和
4、电容）均制作于一个（或几个）基片上，通过布线连接构成的完整电路。2 膜集成电路-由金属和金属合金薄膜以及半导体薄膜制成元器件，布线连接构成的集成电路。3 半导体集成电路-以半导体（硅）单晶为基片，以外延平面工艺为基础工艺，将构成电路的各元器件制作于同一基片上，布线连接构成的功能电路。4 混合集成电路（组合集成电路）-由半导体集成电路，膜集成电路和分离元件中至少两种构成的集成电路。5 双极型集成电路-由一般平面双极晶体管构成的集成电路，其载流子为电子和空穴。6 单极型集成电路（MOS 集成电路）-由 MOS 场效应管构成的集成电路，其导电载流子仅有电子（或空穴）一种。7 数字集成电路-处理数字量
5、信号的集成电路。数字量指以某一最小单元作不连续变化的量。8 模拟集成电路-处理模拟量信号的集成电路。模拟量指能够连续变化的量。9 集成电路的集成度-单位面积芯片上最多可容纳的元器件个数。单位；元器件个数/平方毫米。10 集成电路的规模-以单个芯片上最多可容纳的元器件个数为划分依据。单位；元器件个数/单芯片。基本要求：掌握集成电路的定义及分类；半导体集成电路的定义及分类；了解半导体集成电路的应用场合；知道以规模定义的半导体集成电路的集成度以及集成度定义的扩展。课程参考书目及要求：对双极型部分：1 器件原理部分：书目：半导体物理已开过课程；晶体管原理与本课程同期开课；半导体器件物理同名书目。要求：
6、熟悉晶体管单结特性及相关公式；熟悉晶体管双结特性及部分相关公式；熟悉晶体管瞬态（频率）特性。2 工艺原理部分：书目： 半导体器件工艺原理77 年统编教材；超大规模集成电路技术基础99 年由电子工业出版社出版；集成电路制造技术与本课程同期开课。要求：熟悉 pn 结形成的工艺原理及平面结工艺结构；熟悉 pn 结形成时的工艺影响因素；熟悉常规集成电路工艺剖面结构以及各电性区的作用，集成电路制造带来的各种寄生。3 电路及集成电路构成基础知识部分：书目：电子技术基础已开过课程；数字集成电路已开过课程；模拟集成电路已开过课程。要求：熟悉各种门电路的基本线路构成；熟悉构成各种门电路的各种基本元器件；熟悉各种
7、门电路的基本工作原理；熟悉各种门电路的组合；熟悉各种二进制规则及逻辑关系的变换。MOS 集成电路部分：书目： 晶体管原理第八章 场效应晶体管；单极型晶体管。要求：熟悉 MOS 晶体管结构；熟悉 MOS 晶体管工作原理；熟悉 MOS 晶体管类型及不同工作条件下的特性；熟悉 MOS 晶体管各种电流-电压关系式。第一篇 双极型逻辑集成电路 26 学时3第一章 集成电路的寄生效应 (6 学时)1.1 集成电路的特殊工艺及结构 1 学时内容: 1 典型 pn 结隔离工艺 1.1 pn 结隔离工艺的工艺流程1.2 典型 pn 结隔离的实现及埋层作用1.3 pn 结隔离结构形成的说 明2 介质隔离工艺2.1
8、 介质隔离工艺的工艺流程2.2 介质隔离工艺中晶体管和电阻的结构剖图2.3 介质隔离工艺的工艺特点3 pn 结-介质混合隔离3.1 pn 结-介质混合隔离剖面结构3.2 pn 结-介质混合隔离结构特点课程重点: 本节主要介绍了双极型逻辑集成电路制造中常用的典型 pn 结隔离工艺以及补充了性能更优越的介质隔离和 pn 结-介质混合隔离工艺,对三种工艺的工艺流程和工艺剖面结构分别作了介绍,并对三种工艺的工艺特点作了对比。其中最重要的是典型的 pn 结隔离的工艺内容，这仍然是双极型逻辑集成电路制造中最最常用的隔离工艺，因为该工艺与常规平面制造工艺相容性最好。对三种工艺所制造的埋层结构做了介绍，并介绍
9、了埋层所起到的两个作用，即解决了正面连线造成的集电极串联电阻增大的问题，又解决了器件功率特性和频率特性对材料要求的矛盾。强调了常规 pn 结隔离是如何从工艺上实现的，即隔离扩散的各扩散区均必须扩穿外延层而与 p 衬底连通（或称各隔离墙均有效）；强调了常规 pn 结隔离集成电路在使用时是如何给予电性保证的，即 p 衬底连接电路最低电位（保证隔离 pn 结二极管处于反向偏置）。课程难点：三种隔离方法是如何达到使半导体集成电路中各元器件在电性能上达到绝缘隔离的；三种工艺中制造的埋层在集成电路中作用的原理；pn 结隔离是如何工艺实现的，如何在使用时给予电性保证的。基本概念：1 pn 结隔离-利用反向
10、pn 结的大电阻特性实现集成电路中各元器件间电性隔离方法。2 介质隔离-使用绝缘介质取代反向 pn 结，实现集成电路中各元器件间电性隔离方法。3 混合隔离-在实现集成电路中各元器件间电性隔离时，既使用了反向 pn 结的大电阻特性又使用了绝缘介质电性绝缘性质的方法。基本要求：了解三种隔离方法各自的工艺流程，流程中重点工序的工艺方法和工艺特点。了解三种隔离方法各自的隔离特点和隔离性能对比，特别是隔离结构带来的有源寄生和无源寄生性能的对比。着重掌握典型 pn 结隔离的工艺流程和各工序的作用，了解典型 pn 结隔离集成电路的 pn 结隔离是如何工艺实现的，如何在使用时给予电性保证的；清楚的知道埋层是如
11、何制造的，埋层有何特点，埋层在半导体集成电路结构中有何作用以及埋层制造质量对集成电路电性的能影响。1.2 集成电路中元器件的结构和寄生效应 1 学时内容：1 集成电路中 npn 管结构带来的寄生效应1.1 典型 pn 结隔离结构中 npn 管带来的寄生效应1.2 pn-介质混合隔离结构中 npn 管带来的寄生效应1.3 介质隔离结构中 npn 管带来的寄生效应2 集成电路中电阻结构带来的寄生效应2.1 典型 pn 结隔离结构中电阻的结构特点2.2 引入的寄生器件2.3 电路中电阻的使用特点2.4 集成电路中电阻结构引入的寄生电容3 集成电路中典型倒相器引入的寄生效应43.1 集成倒相器的构成及
12、其寄生3.2 去除有源寄生的措施课程重点：本节主要介绍了常规集成电路制造中典型元件-基区扩散电阻制造带来的寄生效应，它在集成电路中的典型工艺剖面结构为三层二 结结构；典型器件 npn 管制造带来的寄生效应，它在集成电路中的典型工艺剖面结构为四层三结结构；典型倒相器制造带来的寄生效应，它应含有电阻制造带来的寄生和 npn 管制造带来的寄生。这些寄生均分为有源寄生效应和无源寄生效应，有源寄生效应影响集成电路的直流特性和瞬态特性，是极其有害的；而无源寄生仅影响电路的瞬态特性。本节重点是 npn 管制造带来的寄生效应，其有源寄生-寄生晶体管对集成电路性能带来的不良影响。介绍了如何从工艺上采取措施消除这
13、种有源寄生的影响，所采取的工艺措施是在 npn 管集电区掺金（相当于在 pnp 管基区掺金）和在 npn 管集电区设置高浓度 n 型埋层（影响 pnp 管基区性质），它们的作用原理是：掺金的作用，使 pnp 管基区中高复合中心数增加，少数载流子在基区复合加剧，由于非平衡少数载流子不可能到达集电区从而使 pnp 管电流放大系数大大降低。埋层的作用有两个，其一，埋层的下反扩散导致 pnp 管基区宽度增加，非平衡少数载流子基区渡越时间增长，非平衡少数载流子在基区的复合率增大，从而使 pnp 管电流放大系数降低；其二，埋层的上反扩散导致 pnp 管基区掺杂浓度增大，基区方块电阻减小，由晶体管原理可知，
14、这将导致发射效率下降从而使 pnp 管电流放大系数降低，综上所述，各作用的结果使寄生 pnp 管的电流放大系数降至 0.01 以下，则有源寄生转变为无源寄生，仅体现为势垒电容的性质。课程难点：集成电阻制造.集成晶体管的制造.集成倒相器的制造在集成电路中实际带来的无源寄生-电容；有源寄生-晶体管均将参与电路工作。由集成电阻和集成晶体管在集成电路中可能工作状态的分析，集成晶体管结构将带来有源寄生，从而影响集成电路的直流工作性能。因此，需尽可能采取各种工艺措施来消除这种有源寄生的影响。基本概念：1 埋层的上反扩散-在工艺制造过程中的各高温条件下，在浓度梯度的作用下，高浓度的 n 型埋层向低浓度的 n
15、 型外延层的扩散。2 埋层的下反扩散-在工艺制造过程中的各高温条件下，在浓度梯度的作用下，高浓度的 n 型埋层向低浓度的 p 型衬底的扩散。3 典型集成电阻的三层二结结构-指 p 型扩散电阻区-n 型外延层 -p 型衬底三层，以及三层之间的两个 pn 结这样的工艺结构。4 典型集成晶体管的四层三结结构-指 npn 管的高浓度 n 型扩散发射区-npn 管的 p 型扩散基区-n 型外延层（npn 管的集电区）-p 型衬底四层，以及四层之间的三个 pn 结这样的工艺结构。5 有源寄生-存在寄生晶体管的现象，可为寄生 pnp 管（衬底参与构成的 pnp 管），也可为寄生npn 管（多发射极输入晶体管
16、各发射区与基区构成的 npn 管）。6 无源寄生-存在寄生元件的现象，可为寄生电容，也可为寄生电阻。基本要求：了解集成电路制造中的特有工艺结构隔离岛和隔离墙的形成，知道隔离结构的存在会使集成元器件制造时带来寄生效应，而寄生效应分为产生有源寄生器件和产生无源寄生元件两种情况。当工艺条件或电性条件满足时，有源寄生可以转变为无源寄生。在三种隔离结构中，集成元器件的制造所引入的寄生效应种类不同，且强弱不同的分析，知道三种隔离结构寄生特点的区别。掌握在集成电路制造和使用中，如何去除集成元器件结构带入的有源寄生效应，使有源寄生变为无源寄生。了解集成电阻和集成 npn 管在集成电路中的电性等效结构和工艺剖面
17、结构，进而了解由它们构成集成倒相器时，各自的寄生是如何影响倒相器的电性能的，知道如何去除集成倒相器制造中产生的有源寄生。1.3 多结晶体管的埃伯斯-莫尔模型 2 学时内容：1 理想二极管的模型1.1 pn 结二极管的 V-I 特性1.2 pn 结二极管的 V-I 特性分析1.3 典型硅 pn 结二极管的 V-I 特性51.4 理想 pn 结模型2 双结晶体管的 E-M 模型2.1 双结晶体管的结构及电流定义2.2 注入型 E-M 模型2.3 其它模型3 四层三结结构 npn 管的 E-M 模型3.1 集成电路中 npn 管的四层三结结构及分析3.2 四层三结结构中的电流分析3.3 四层三结结构
18、的 E-M 模型4 掺金电路中晶体管的瞬态模型4.1 四层三结结构的瞬态模型4.2 掺金电路的瞬态摸型课程重点：本节开始介绍了简单的硅二极管的伏安特性，从硅二极管的电流电压关系公式，分析了它的正向特性和反向特性，由正向特性分析中可知，此时电流的大小除了与结上的正向电压有关外还与结两侧搀杂浓度有关，从公式分析中表明，应与搀杂浓度小的一侧杂质浓度有关，从硅二极管的伏安特性曲线进而讨论了它的理想情况，引出了理想 pn 结模型。由单结模型扩展到双结晶体管 E-M 模型,从两种结构进行了分析，一种是当基区足够宽时，表现为两个互不干扰的 pn 结二极管结构 ，这时可用单结模型分析两结各自的伏安特性；另一种
19、是当基区足够薄时，这时必须考虑两结的互作用，伏安特性分析可知，两结的结电流中除了各自的注入电流外还与相邻结注入电流被本结吸收的部分有关系，双结晶体管 E-M 模型是以后一种情况为依据建立的。进而又扩展到集成电路中的实际晶体管的四层三结结构的 E-M 模型，电路分析可知，一是多了一个 pn 结，二是认为 npn 管基区足够薄同时寄生 pnp 管基区（n 型外延层）也足够薄，这样各结均要考虑相邻结的互作用，据此建立了四层三结结构晶体管的 E-M 模型。其中，重点是四层三结结构的 E-M 模型。在该模型中清晰的看到，由于寄生 pn 结的引入产生了寄生晶体管，而该寄生晶体管可影响集成电路的电性能，包括
20、影响直流特性和瞬态特性。因为不希望寄生影响集成电路的直流特性，则根据上节的结论讨论了如何消除这种有源寄生的影响，建立了掺金电路的瞬态模型，该电路模型采取了如下措施：npn 管集电区掺金；npn 管集电区设置高浓度 n 型埋层；p 型衬底的电极 S 极接电路最低电位，因此，该电路模型消除了有源寄生，去除了部分无源寄生。课程难点：集成电路中晶体管的四层三结结构的直流 E-M 模型和瞬态E-M 模型的建立，该二模型的电流和电压分析，在该二模型中，有源寄生是如何影响集成电路直流特性和瞬态特性的分析。在应用其直流特性时，怎样可消除有源寄生的影响；而采用掺金工艺又如何可以简化瞬态模型。基本概念：1 R-晶
21、体管反向运用时共基极短路电流增益。2 F-晶体管正向运用时共基极短路电流增益。3 注入型 E-M 模型-电路的端电流是以结的注入电流表述的。4 传输型 E-M 模型-电路的端电流是以晶体管的少数载流子正向传输电流及晶体管的少数载流子反向传输电流表述的。5 结电流-在 E-M 模型中流过结的电流，其大小与结电压有关，有方向性。6 端电流-在 E-M 模型中的外端口流过的电流，是相关结电流的综合，也具有方向性。基本要求：了解单结和双结结构的 E-M 模型，进而了解四层三结结构的 E-M 模型，清楚注入型 E-M 模型与其它类模型定义和本质上的区别。熟悉四层三结结构的直流 E-M 模型以及如何消除该
22、模型中有源寄生的方法；了解四层三结结构的瞬态 E-M 模型，知道模型中影响瞬态特性的因素和集成电路制造中可能引入的影响瞬态特性的因素。熟悉直流模型 V-I 特性的电流和电压分析，熟知电流电压公式；熟知各种结构的 E-M 方程。1.4 集成电路中晶体管有源寄生效应 1 学时6内容：1 npn 管工作于反向有源区1.1 npn 管及寄生 pnp 管的工作状态1.2 工作状态分析1.3 寄生 pnp 管对 npn 管电性影响的结论1.4 采用工艺措施减小寄生 pnp 管的影响2 npn 管工作于饱和区2.1 npn 管及寄生 pnp 管的工作状态2.2 工作状态分析2.3 集成电路中 npn 管的饱
23、和分析课程重点：当 npn 管集电结正向偏置时，寄生 pnp 管正向有源放大，则寄生 pnp 管将影响 npn管的电性能，进而影响集成电路的电性能。本节重点介绍了 npn 管集电结可能正向偏置的两种情况，即 npn 管处于反向工作状态或饱和工作状态。在上述两种状态下，寄生 pnp 管正向放大，为有源寄生。因此，着重讨论了工作于上述两种工作状态下的 npn 管的电性能受到的有源寄生的所有影响。当 npn 管处于反向有源工作状态时，通过电路分析和 E-M 方程分析可知：此时寄生 pnp 管正向有源放大，使得 npn 管中一部分“发射极”电流经过寄生 pnp 管集电结流失，这是 npn 管处于反向有
24、源工作状态时寄生 pnp 管对 npn 管性能进而对集成电路性能造成的影响。当 npn 管处于饱和工作状态时，通过电路分析和 E-M 方程分析可知：此时寄生 pnp 管正向有源放大，使得 npn 晶体管的饱和压降 VCES下降，这是 npn 管处于饱和工作状态时寄生 pnp 管对npn 管性能进而对集成电路性能造成的影响。课程难点：在双极型集成电路应用时，集成电路中 npn 管的工作状态对有源寄生的影响很大。当 npn 管工作于正向放大态或截止态时，使得寄生 pnp 管的发射结（npn 管的集电结）反向偏置，而电路应用时其集电结（衬底结）必然反偏，这使寄生管失去电性放大作用而体现为无源寄生；当
25、 npn 管反向有源或饱和工作时，寄生 pnp 管的发射结（npn 管的集电结）正向偏置，而其集电结必然反偏，寄生 pnp 管为正向有源放大，它将参与 npn 管的电性工作。则判定 npn管的工作状态是重要的。对综合分析带有有源寄生管的 npn 管电性能，进而分析集成电路的电性能也是重要的。基本要求：了解集成电路中寄生 pnp 管与电路中 npn 管有何关系，会分析为何 npn 管处于反向有源或饱和工作状态时会使寄生 pnp 管正向有源放大导通，会对 npn 管电性能进而对集成电路电性能带来影响。了解上述两种状态下 npn 管的受寄生管影响的模型及其 E-M 方程；清楚在npn 管处于反向有源
26、或饱和工作状态时，寄生 pnp 管会对 npn 管电性能进而对集成电路电性能带来怎样的影响；知道如何去除和减轻上述两状态下的寄生 pnp 管的有源寄生影响。了解集成电路中 npn 管饱和工作特性，知道其饱和程度的界定，并了解集成电路中晶体管与分离晶体管饱和时的不同。1.5 集成电路中的寄生电容 1 学时内容：1 各种 pn 结工作状态下结电容的求取 1.1 固定反偏电压下 pn 结电容 CJ(V)（结电压 V 小于零，且固定）1.2 正偏电压下 pn 结电容 CJ（结电压 V 大于零，固定或变化）1.3 零偏电压下 pn 结电容 CJ0（结电压 V 等于零）1.4 变化反偏电压下 pn 结电容
27、 CJ(V)（结电压 V 小于零，且变化）2 计算举例2.1 求取结电容步骤2.2 说明2.3 举例：简易 TTL 与非门中晶体管的各结电容计算课程重点：集成电路中的无源寄生将影响集成电路的瞬态特性，而无源寄生元件主要是寄生结电容。pn 结电容的大小与结的结构和所处的状态有关，即与 pn 结上所加的偏压有关；与 pn 结的面积有关；且与 pn 结面是侧面还是底面有关。因此，在考虑计算寄生结电容时，必须和 pn 结的实际结构结合起来，还必须和 pn 结在某个瞬态过程中实际电性状态变化结合起来。7课程难点：分清各种偏压下的 pn 结的状态，应用合适的 pn 结电容公式。其中，分析和判定在某一电性过
28、程中 pn 结上所处的偏压状态是重要的，特别是结处于变化反偏状态时，且 pn 结两侧电压均变化的情况尤要注意；另外，在 pn 结的面积计算时，注意其侧面积为四分之一圆柱面积，这是由于扩散形成电性区时存在横向扩散所致。 基本要求：掌握各种偏压下的 pn 结电容求取公式，能够分析在某个电性过程中，pn 结上的偏压状态如何，是固定的还是变化的，是零偏、正偏、反偏还是三种状态都发生了。熟悉结电容的求取方法，能熟练的应用结电容求取公式求得各种偏压下的 pn 结电容。第一章：集成电路的寄生效应（含序言）作业补充思考题 5 题+课本习题 5 题第二章： TTL 集成电路 （12 学时）2.1 双极门电路的发
29、展 1 学时内容：1 基本逻辑门电路1.1 完成逻辑和的电路-或门1.2 完成逻辑乘的电路-与门1.3 完成逻辑否定的电路-非门1.4 复合门2 双极门电路的发展2.1 DCTL 电路（直接耦合晶体管逻辑电路）2.2 RTL 和 RCTL 电路（电阻晶体管和阻容晶体管逻辑电路）2.3 DTL 电路（二极管- 晶体管逻辑电路）2.4 TTL 电路（晶体管-晶体管逻辑电路）课程重点：本节介绍了构成逻辑集成电路的各种基本门电路，介绍了双极门电路的发展，从早期逻辑门直到当今广泛应用的 TTL 逻辑门电路，其中，DTL 逻辑电路和 TTL 逻辑电路是课程重点。尤其要注意，DTL 逻辑电路和 TTL 逻辑
30、电路性能上的区别，以及 TTL 逻辑电路性能参数上的优越性。课程难点：逻辑集成电路发展过程中每一次电路改进的原因，以及通过电路元器件的变化而使电路参数改进的实际分析。基本概念：1 或门-完成逻辑和的电路门。指对有若干输入端的门电路，其具有当输入均为“0”时，输出为“0”；当输入端中至少有一个为“1”时，输出即为“1”的逻辑功能。2 与门-完成逻辑乘的电路门。指对有若干输入端的门电路，其具有当输入均为“1”时，输出为“1”；当输入端中至少有一个为“0”时，输出即为“0”的逻辑功能。3 非门-完成逻辑否定的电路门。指对有一个输入端的门电路，其具有当输入为“1”时，输出为“0”；当输入为“0”时，输
31、出为“1”的逻辑功能。4 DCTL 电路- 直接偶合晶体管逻辑电路。Direct-Coupled Transistors Logic (Circuit).5 RTL 电路- 电阻晶体管逻辑电路。Resistances- Transistors Logic (Circuit).6 RCTL 电路-阻容晶体管逻辑电路。Resistances-Capacitances- Transistors Logic (Circuit).7 DTL 电路-二极管-晶体管逻辑电路。 Diodes- Transistors Logic(Circuit).8 TTL 电路 -晶体管-晶体管逻辑电路。Transisto
32、rs - Transistors Logic (Circuit).基本要求：了解逻辑电路基本门的构成，了解双极门电路的发展过程，以及双极门电路每一次电路结构的变化使电路性能得到的改善。知道 DTL 电路和 TTL 电路完成的功能，它们各自的电性能及它们之间性能的不同。清楚 TTL 逻辑电路从电性能上比 DTL 逻辑电路以及所述早期逻辑门电路有哪些优越性，这些优越性与电路结构的改变有什么直接关系。2.2 简易 TTL 与非门 4 学时内容：1 简易 TTL 与非门电路结构及工作原理1.1 电路结构1.2 工作原理81.2.1 电路关态分析1.2.2 电路开态分析2 电路的电压传输特性-电路 E-
33、M 模型2.1 输入全部短接时电路特点及电流分析2.2 列电压传输方程（2-1） （2-6 ）式2.3 电压传输曲线及分析3 简易 TTL 与非门电路主要参数3.1 电路静态参数3.1.1 与抗干扰能力有关的参数3.1.2 与带负载能力有关的参数3.1.3 与静态功耗有关的参数3.2 电路瞬态参数3.2.1 电路瞬态等效电路及特性3.2.2 引入的瞬态参数 （定义、分析、计算）4 简易 TTL 与非门的改进4.1 简易 TTL 与非门存在的问题4.2 四管单元 TTL 与非门4.3 五管单元 TTL 与非门课程重点：简易 TTL 与非门是 TTL 门电路的基础门，是构成 TTL 集成电路的基本
34、单元。更复杂的与非门及更复杂的若干其它功能的门电路均由简易 TTL 与非门扩展而形成，它们的功能也可由简易 TTL 与非门功能说明或者由简易 TTL 与非门功能扩展来说明。所以，本节是第二章的重点。在本节中，简易 TTL 与非门的静态电路分析和静态参量定义.分析.求取是重点，同时要兼顾电路的瞬态特性。在分析静态电路时 ，要注意两个稳态（静态）中简易 TTL 与非门各元器件工作状态的不同；在分析参量时，电路的电压传输特性是分析与抗干扰能力有关参数的基础，而与带负载能力有关的参数及与静态功耗有关的参数的分析则与特定的电路构成状态有关。 在本节中，还讨论了简易 TTL 与非门存在的抗干扰能力不强；带
35、负载能力很弱和工作速度不高三个缺点，同时介绍了为改进简易 TTL 与非门性能而引入的四管单元 TTL 与非门；而四管单元 TTL 与非门改善了简易 TTL 与非门性能但静态功耗过大，为改善了简易 TTL 与非门性能又要消除四管单元 TTL 与非门的不足，引入了五管单元 TTL 与非门电路；因为电路结构上的原因（输出管均带有基极泄流电阻 R3），四管单元 TTL 与非门和五管单元 TTL 与非门仍存在问题，本节又设想了改进方案。课程难点：简易 TTL 与非门的静态电路分析，简易 TTL 与非门的与抗干扰能力有关参数的定义与分析，简易 TTL 与非门的与带负载能力有关参数的定义与分析，简易 TTL
36、 与非门的与静态功耗有关参数的定义与分析；简易 TTL 与非门的瞬态等效电路及分析，简易 TTL 与非门的瞬态参数的定义与分析。简易 TTL 与非门存在问题的分析讨论，引入了四管单元 TTL 与非门电路对简易 TTL 与非门性能的改进分析讨论以及四管单元 TTL 与非门仍存在问题的分析，引入了五管单元 TTL 与非门电路对简易 TTL 与非门和四管单元 TTL 与非门性能的改进分析讨论以及四管单元 TTL 与非门和五管单元 TTL 与非门电路仍存在问题的分析，对电路性能改进的设想。基本概念：1 电路的关态-指电路的输出管处于截止工作状态时的电路状态，此时在电路输出端可得到 VO=VOH，电路输
37、出高电平。2 电路的开态-指电路的输出管处于饱和工作状态时的电路状态，此时在输出端可得到 V O=VOL，电路输出低电平。3 电路的电压传输特性-指电路的输出电压 VO随输入电压 Vi变化而变化的性质或关系（可用曲线表示，与晶体管电压传输特性相似）。4 输出高电平 VOH-与非门电路输入端中至少一个接低电平时的输出电平。95 输出低电平 VOL-与非门电路输入端全部接高电平时的输出电平。6 开门电平 VIHmin-为保证输出为额定低电平时的最小输入高电平(VON) 。7 关门电平 VILmax-为保证输出为额定高电平时的最大输入低电平(VOFF)。8 逻辑摆幅 VL-输出电平的最大变化区间，V
38、 L=VOH-VOL。9 过渡区宽度 VW-输出不确定区域（非静态区域）宽度，VW=VIHmin-VILmax。10 低电平噪声容限 VNML-输入低电平时，所容许的最大噪声电压。其表达式为 VNML=VILmax-VILmin=VILmax- VOL(实用电路)。11 高电平噪声容限 VNMH-输入高电平时，所容许的最大噪声电压。其表达式为 VNMH=VIHmax-VIHmin=VOH- VIHmin(实用电路)。12 电路的带负载能力（电路的扇出系数）-指在保证电路的正常逻辑功能时，该电路最多可驱动的同类门个数。对门电路来讲，输出有两种稳定状态，即应同时考虑电路开态的带负载能力和电路关态的
39、带负载能力。13 输入短路电流 IIL-指电路被测输入端接地，而其它输入端开路时，流过接地输入端的电流。14 输入漏电流（拉电流，高电平输入电流，输入交叉漏电流）IIH -指电路被测输入端接高电平，而其它输入端接地时，流过接高电平输入端的电流。15 静态功耗-指某稳定状态下消耗的功率，是电源电压与电源电流之乘积。电路有两个稳态，则有导通功耗和截止功耗，电路静态功耗取两者平均值，称为平均静态功耗。16 瞬态延迟时间 td-从输入电压 Vi上跳到输出电压 Vo开始下降的时间间隔。Delay-延迟。17 瞬态下降时间 tf-输出电压 Vo从高电平 VOH下降到低电平 VOL的时间间隔。Fall-下降
40、。18 瞬态存储时间 ts-从输入电压 Vi下跳到输出电压 Vo开始上升的时间间隔。Storage- 存储。19 瞬态上升时间 tr-输出电压 Vo从低电平 VOL上升到高电平 VOH的时间间隔。Rise-上升。20 瞬态导通延迟时间 tPHL-（实用电路）从输入电压上升沿中点到输出电压下降沿中点所需要的时间。21 瞬态截止延迟时间 tPLH-（实用电路）从输入电压下降沿中点到输出电压上升沿中点所需要的时间。22 平均传输延迟时间 tpd-为瞬态导通延迟时间 tPHL和瞬态截止延迟时间 tPLH的平均值，是讨论电路瞬态的实用参数。基本要求：熟知简易 TTL 与非门电路结构及电路工作原理，了解在
41、静态电路分析时，为何给出三个假定。能独自进行简易 TTL 与非门电路的关态分析和开态分析；熟悉简易 TTL 与非门电路的电压传输特性及特性曲线，了解曲线对应各部分的工作条件及与电路性能的关系；了解电路主要静态工作参数的定义.分析和求取；了解电路的主要瞬态参数及参数的定义区间。清楚地知道简易 TTL 与非门在应用于集成电路中时存在的问题，并了解为改进简易 TTL 与非门而引入的四管单元 TTL 与非门的电路结构，电路特性及对简易 TTL 与非门性能的改进；了解引入的五管单元 TTL 与非门的电路结构，电路特性及对简易 TTL 与非门性能和四管单元 TTL 与非门性能的改进。了解四管单元 TTL
42、与非门和五管单元 TTL 与非门仍存在的问题及与存在的问题相对应的电路结构的缺陷，设想改进存在问题的方法。2.3 六管单元 TTL 与非门 2 学时内容：1 六管单元 TTL 与非门电路结构及工作原理1.1 六管单元 TTL 与非门电路结构1.2 六管单元 TTL 与非门电路工作原理2 六管 TTL 与非门的电压传输曲线3 电路的静态参数及输入保护3.1 电路的静态参数3.2 电路的输入保护3.2.1 输入嵌位电压定义及设定3.2.2 实际电路中对输入的保护措施4 电路的瞬态参数104.1 瞬态延迟4.2 瞬态功耗5 六管 TTL 与非门的优点6 六管 TTL 与非门的线路设计6.1 各晶体管
43、的选取 6.2 各电阻值得计算选取T6网络的设计课程重点：本节介绍了性能较为完美的六管单元 TTL 与非门电路，该电路对五管单元 TTL 与非门进行了改进，其电路措施是用 T6网络取代了五管单元 TTL 与非门中输出管 T5的基极泄流电阻 R3.。T6 网络在六管单元 TTL 与非门中的作用就是五管单元 TTL 与非门性能得以改进的原因，T6 网络在电路的导通瞬间呈现高阻态，而在电路的截止瞬间呈现低阻态 ，这使得电路的瞬态特性得到改善，电路开关特性好，两个静态更加稳定。本节介绍了六管单元 TTL 与非门电路静态特性及静态参数，通过分析可知，该电路在两个静态时的输出电平更加稳定；由于 T6网络引
44、入，电路导通时只有在 Vi1.3v(V B21.4v)时 T2和 T5才同时导通, 这就消除了电压传输曲线上高电平输出部分的折线段，去除了四管单元 TTL 与非门和五管单元 TTL 与非门电路结构缺陷带来的影响电路性能的弊端。本节分析了六管单元 TTL 与非门电路瞬态特性及瞬态参数，在瞬态等效电路中，将所有的电容等效为 5 个电容，每个电容的构成在讲义第 38 页已详细列出，并对列入各节点的电容做出了四点说明；根据电路瞬态分析，对 td 、t f、t s和 tr四个瞬态过程中各个电容的充放电进行了讨论；根据电路由截止到导通和由导通到截止两个瞬态过程的电性分析，发现两个瞬态过程中均有瞬态大电流流
45、通，而且以导通到截止瞬态过程中瞬态大电流为主，由此造成较大的瞬态功耗。课程难点：由于对 TTL 与非门性能的改进是 T6网络在电路中的引入带来的，则能正确分析 T6网络在电路的导通瞬间本身的电特性及对整个电路电特性的作用；能正确分析 T6网络在电路的截止瞬间本身的电特性及对整个电路电特性的作用是十分重要的。由于六管单元 TTL 与非门电路元器件增多，引入的寄生也多，因此具有更复杂的瞬态特性，这给分析电路的四个瞬态过程中各个电容的充放电、计算四个瞬态过程中的四个瞬态参数带来一定的难度。基本要求：了解六管单元 TTL 与非门电路的电路结构，电路工作原理。了解该电路中 T6网络所起到的作用，知道 T
46、6网络在电路的导通时如何保证了 T2和 T5管同时导通，且在导通瞬间 T6网络本身呈现高阻特性，不对 T5管分流，而使得 T5管尽快导通并饱和；T6 网络在电路的截止瞬间始终不截止，呈现低阻特性，为 T5管退饱和提供了有效的基极泄放回路，而使 T5管尽快截止。能独立完成六管单元 TTL 与非门电路的线路设计，知道晶体管的选取规则并能选取出合适的六只晶体管；知道电阻值得选取原则并能通过分析计算得到六管单元 TTL 与非门电路中所需要的所有电阻；知道 T6网络的三种类型，能通过 Rc和 Rb的搭配完成 T6网络类型的选取，知道在六管单元 TTL 与非门电路中 T6网络选择了浅饱和型并能分析计算给出
47、 Rc和 Rb的值。2.4 STTL 和 LSTTL 电路 1.5 学时内容：1 两电路的结构及特点1.1 电路的结构1.1.1 STTL 电路的结构1.1.2 LSTTL 电路的结构1.2 电路的定义及特点1.2.1 STTL 电路的定义及特点1.2.2 LSTTL 电路的定义及特点2 有关 SBD 及 SBD 嵌位2.1 有关 SBD2.1.1 SBD 定义2.1.2 SBD 性质及特点2.2 有关 SBD 嵌位112.2.1 限制 TTL 电路速度的原因2.2.2 SBD 嵌位晶体管结构2.2.3 SBD 嵌位的作用2.3 SBD 嵌位晶体管在集成电路中的实际应用2.4 引入 SBD 嵌位的注意事项3 STTL 电路4 LSTTL 电路4.1 LSTTL 电路的结构特点4.1.1 输入结构特点4.1.2 输出结构特点4.2 LSTTL 电路工艺制造时采取的工艺措施课程重点：本节介绍了肖特基势垒二极管（SBD）的性质和特点，肖特基势垒二极管（SBD）具有与硅 pn 结二极管相似的伏安特性，即正向大于阈值电压时的大电流特性，反向大电阻特性；肖特基势垒二极管（SBD
