《半导体集成电路》电子教案

《半导体集成电路》

课程教学

教案

山东大学信息科学与工程学院

电子科学与技术教研室（微电）

张新

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CMOS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。

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

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：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》己开过课程；

《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

系O

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（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

1.1pn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

1.3pn结隔离结构形成的说明

2介质隔离工艺

2.1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

3pn结-介质混合隔离

3.1pn结-介质混合隔禺剖面结构

3.2pn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的结构做了介

绍，并介绍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：

1pn结隔离-利用反向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

1.2pn-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

3.1集成倒相器的构成及其寄生

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，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p叩管

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

止匕，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

1.1pn结二极管的V-I特性

1.2pn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

1.4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：

1al晶体管反向运用时共基极短路电流增益。

2ar-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

内容：1npn管工作于反向有源区

1.1npn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

2npn管工作于饱和区

2.1npn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p叩管对

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G（V）（结电压V小于零，且固

定）

1.2正偏电压下pn结电容Ci（结电压V大于零，固定或变化）

1.3零偏电压下pn结电容C“>（结电压V等于零）

1.4变化反偏电压下pn结电容C」（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与非门各结电容的计算

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。

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

2.1DCTL电路（直接耦合晶体管逻辑电路）

2.2RTL和RCTL电路（电阻晶体管和阻容晶体管逻辑电路）

2.3DTL电路（二极管-晶体管逻辑电路）

2.4TTL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，输出为“1”的逻

辑功能。

4DCTL电路-直接偶合晶体管逻辑电路。Direct-CoupledTransistors

Logic（Circuit）.

5RTL电路■电阻晶体管逻辑电路。Resistances-TransistorsLogic

（Circuit）.

6RCTL电路-阻容晶体管逻辑电路。Resistances-C叩acitances-

TransistorsLogic（Circuit）.

7DTL电路-二极管-晶体管逻辑电路。Diodes-TransistorsLogic（Circuit）.

8TTL电路-晶体管-晶体管逻辑电路。Transistors-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

1.2.1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-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7TL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1TL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R。，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

输出端可得到Vo=VoH,电路输出高电平。

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Vo=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V。随输入电压%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。

5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Vi-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Vn_mk为保证输出为额定高电平时的最大输入低电平（V。2。

8逻辑摆幅V.输出电平的最大变化区间，VL=VOH-VOLO

9过渡区宽度Vw-输出不确定区域（非静态区域）宽度，Vw=VHmM-

VILmaxo

10低电平噪声容限VNM.输入低电平时，所容许的最大噪声电压。其表

达式为VzMkMLmax-VsxVLM-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-VlHmin（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带负载能力和电路关态带负载能力。

13输入短路电流k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）1吁指电

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U从输入电压V上跳到输出电压V.开始下降的时间间

隔。Delay-延迟。

17瞬态下降时间tr-输出电压V.从高电平V。"下降到低电平VOL的时间间

隔。Fall-下降。

18瞬态存储时间t*-从输入电压V,下跳到输出电压V。开始上升的时间间

隔。Storage-存储。

19瞬态上升时间『输出电压V。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6-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

4.1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各晶体管的选取

6.2各电阻值得计算选取

6.3Te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Te网络取代

了五管单元TTL与非门中输出管T，的基极泄流电阻RxoR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愿

因，R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

Te网络引入，电路导通时只有在V：21.3V(VB22.4V)时T?和Ts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作出了四点说

明；根据电路瞬态分析，对t“、tr、t»和匕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To网络在电路中的引入带

来的，则能正确分析T,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T-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Te网络所起到的作用，知道Ts网络在电路的导通时

如何保证了?和Ts管同时导通，且在导通瞬间Te网络本身呈现高阻特

性，不对Ts管分流，而使得Ts管尽快导通并饱和；R网络在电路的截

止瞬间始终不截止，呈现低阻特性，为T,管退饱和提供了有效的基极

泄放回路，而使Ts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Te网络的三种类型，能通过R.和Rb的搭配

完成R网络类型的选取，知道在六管单元TTL与非门电路中R网络选

择了浅饱和型并能分析计算给出R。和R的值。

§2.4STTL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

1.1.1STTL电路的结构

1.1.2LSTTL电路的结构

1.2电路的定义及特点

1.2.1STTL电路的定义及特点

1.2.2LSTTL电路的定义及特点

2有关SBD及SBD嵌位

2.1有关SBD

2.1.1SBD定义

2.1.2SBD性质及特点

2.2有关SBD嵌位

2.2.1限制TTL电路速度的原因

2.2.2SBD嵌位晶体管结构

2.2.3SBD嵌位的作用

2.3SBD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

3STTL电路

4LSTTL电路

4.1LSTTL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

4.2LSTTL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)具有可用于改善集成电路三个特点，即正向压降低、开关时间

短和反向击穿电压高。讨论了SBD在TTL集成电路中起到的嵌位作

用，这是由于TTL集成电路在提高电路速度时存在矛盾，即要想减少

电路导通延迟时间，可以通过加大输出管的基极驱动电流来实现，这势

必使输出管在电路导通态的饱和深度增加，输出管的基区和集电区的超

量存储电荷增加，在电路截止是加大了截止延迟时间；肖特基势垒二极

管与可能饱和的晶体管集电结正向并接，由于SBD正向压降低的特

点，是晶体管的饱和深度不能太深，从而有效的提高了电路速度。本节

给出了SBD嵌位晶体管的结构(电路结构，等效电路结构，平面版图

结构以及与平面版图对应工艺剖面结构)。分析了SBD嵌位晶体管应

用于STTL电路和LSTTL电路中时，起到的改进集成电路性能的作

用。

课程难点：注意肖特基势垒二极管(SBD)的性质中有的是对改进集成

电路性能有利的，有的是对集成电路性能是有害的，有时为改善SBD

性能反而削弱了SBD对晶体管嵌位的作用。因此，在实际应用时，要

注意选择合适的SBD面积。

基本概念：

1STTL电路-肖特基势垒二极管(SBD)嵌位抗饱和TTL电路

(SN54s/74s)系列。

2LSTTL-低功耗肖特基势垒二极管(SBD)嵌位抗饱和TTL电路

(SN541s/741s)系列。

基本要求：了解SBD的性能，熟知SBD的哪些性能在STTL和LSTTL

集成电路中得到应用。了解SBD嵌位晶体管的电路结构，等效电路，

平面版图以及与平面版图对应的工艺剖面结构。了解在TTL集成电路

中的适当位置应用SBD后，为何可有效的提高电路速度。清楚一般

TTL集成电路与STTL集成电路电路参数上的差别，以及与LSTTL集

成电路电路参数上的差别。知道STTL和LSTTL集成电路是如何定义

的，为什么这样定义。

§2.5TTL集成电路的温度特性1.5学时

内容：1集成电路中电阻.pn结及晶体管某些参数的温度特性

1.1电阻的温度特性R-T

1.2pn结正向导通压降V-的温度特性VF~T

1.3晶体管电流放大倍数B的温度特性B-T

2集成电路有关参数的温度特性

2.1电流参数的温度特性

2.1.1电路输出低电平电源电流I。"的温度特性Iccu-T

2.1.2电路输出高电平电源电流ICCH的温度特性ICCH-T

2.1.3电路输入短路电流I,L的温度特性15T

2.1.4电路输入交叉漏电流IiH的温度特性IiH~T

2.2电压参数的温度特性

2.2.1电路输出高电平Vo”的温度特性VOH~T

2.2.2电路输出低电平Va的温度特性VOL~T

2.2.3电路的关门电平VlLmax的温度特性VlL„ux~T

2.2.4电路的开门电平VlHmM的温度特性VlHmi„~T

2.3瞬态参数的温度特性tpd~T

2.3.1一般TTL集成电路瞬态参数的温度特性

2.3.2STTL集成电路瞬态参数的温度特性

课程重点：集成电路性能参数随温度变化的性质，实际上是与构成集成

电路的元件和器件的某些电参数随温度变化的特性有关系。因此，本节

首先介绍了构成集成电路的元件和器件的能够影响集成电路性能的某些

电参数随温度变化的特性，即电阻阻值随温度变化而变化的特性、pn

结正向导通压降V-随温度变化而变化的特性和晶体管电流放大倍数13

随温度变化而变化的特性。进而讨论了集成电路性能参数随温度变化与

构成集成电路的元件和器件的某些电参数随温度变化的关系，给出了集

成电路电流参数的温度特性，即电路输出低电平电源电流ICCL的温度特

性、电路输出高电平电源电流ICCH的温度特性、电路输入短路电流必

的温度特性和电路输入交叉漏电流加的温度特性；给出了集成电路

电压参数的温度特性，即电路输出高电平V°H的温度特性、电路输出低

电平VOL的温度特性、电路的关门电平％"的温度特性和电路的开门

电平Vw的温度特性；并且给出了集成电路瞬态参数的温度特性，

即电路平均传输延迟时间的温度特性。

课程难点：由于集成电路性能参数随温度变化是构成集成电路的元件和

器件的某些电参数随温度变化的一种综合反映。因此，掌握构成集成电

路的元件和器件的某些电参数随温度怎样变化和为何变化是重要的；掌

握集成电路性能参数随温度变化与构成集成电路的元件和器件的哪些电

参数随温度的变化有关系也是重要的。

基本要求：掌握电阻随温度变化的实际关系，掌握pn结正向压降VF随

温度变化的实际关系，掌握晶体管电流放大倍数B随温度变化的实际关

系。了解集成电路的有关电流参数，电压参数，瞬态参数随温度变化与

构成集成电路的元件和器件的哪些电参数随温度的变化有关系，是何种

关系（关系式）。会综合各种关系随温度变化的变化情况，能得到受综

合变化影响的集成电路有关参数随温度变化的结果。

§2.6TTL门电路的逻辑扩展2学时

内容：1TTL扩展门电路——用TTL与非门构成的其它门电路

1.1非门

1.2TTL与非门扩展的与门

1.3TTL与非门扩展的与或非门和或非门

1.4TTL与非门扩展的或门

1.5TTL扩展异或门

1.6TTL输出管集电极开路门（0C门）

1.7TTL与非门构成的三态逻辑门（TSL门）

2有关集成触发器一一TTL与非门构成的触发器

2.1D型前沿触发器由四管单元TTL与非门2个+二管单元TTL

与非门4个构成

2.2后沿触发集成J-K触发器由三管单元TTL与非门2个+六

管单元TTL与非门构成的与或非门2个构成

课程重点：本节介绍了如何使用TTL与非门为基础门电路，用以构成

其它功能的门电路，即构成非门、与门、与或非门、或非门、或门和异

或门等：为了改变两个以上门的输出间不能线与的的弊端，引入了集电

极开路门；为了改进集电极开路门丢失了原有电路的图腾柱输出（速度

快、输出阻抗低）特点，又引入了三态逻辑门。本节介绍了如何使用

TTL与非门为基础门电路，用以构成集成触发器，本节主要介绍了两

种集成触发器电路，即D型前沿触发器和后沿触发集成J-K触发器；

对D型前沿触发器电路分析讨论可知，整个电路的构成由2个四管单

元TTL与非门构成基本RS触发器，而由4个二管单元TTL与非门作

为内部引导门；对后沿触发集成J-K触发器电路分析讨论可知，整个电

路的构成是以2个集电极开路的三管单元TTL与非门作为引导门，而

以2个六管单元TTL与非门构成的与或非门为基本门，其稳定工作条

件时基本门速度要远快于引导门速度。本节详细讨论了用TTL与非门

作为基础门电路构成其它功能的门电路和构成集成触发器时，在逻辑关

系上是如何变换的，各种其它功能的门电路和集成触发器的电路是如何

构成的。构成的新功能的门电路和集成触发器的电路分析和功能分析。

课程难点：使用TTL与非门为基础门电路可以构成其它功能的门电

路，也可以使用TTL与非门为基础门电路和以用TTL与非门为基础构

成的其它功能的门电路，来构成集成触发器。而使用各种其它功能的门

电路和各种集成触发器电路，可构成各种功能的逻辑集成电路。因此，

应特别注意用TTL与非门为基础门电路构成其它功能的门电路时，逻

辑关系上的分析，也应特别注意用TTL与非门为基础门和以TTL与非

门为基础门电路构成的其它功能的门电路共同构成集成触发器电路时，

逻辑关系上的分析。还应特别注意，用TTL与非门为基础门电路构成

的其它功能门电路的电路结构；以及用TTL与非门为基础门和以TTL

与非门为基础门电路构成的其它功能的门电路共同构成的集成触发器电

路的电路结构。

基本要求：了解各种集成门电路电路结构，能进行集成门电路的电路分

析和功能分析。了解用TTL与非门为基础门构成各种其它功能的门电

路时，电路结构上的差别（或不同）。能独立完成TTL与非门到其它

功能的门电路电路结构上的转变，清楚其中的功能转换过程和逻辑关系

变化。了解集成触发器电路的电路结构和逻辑关系；知道用TTL与非

门为基础门电路和用以TTL与非门为基础构成的其它功能的门电路来

共同构成集成触发器时，如何进行逻辑关系转换；知道如何采用TTL

与非门为基础门电路和用以TTL与非门为基础构成的其它功能的门电

路，来共同构成集成触发器电路.

第二章：TTL集成电路作业

补充思考题7题+书上习题5题

第三章：TTL中大规模集成电路（3学时）

§3.1简化逻辑门1.5学时

内容：1简化与非逻辑门

1.1二管单元简化与非门

1.2三管单元简化与非门

1.3抗饱和简化与非门

1.4强驱动内部与非门

2其它简化门

2.1简化与门

2.2简化与或非门

课程重点：在中大规模集成电路设计中，要想提高集成度，最有效的方

法就是简化逻辑门电路。简化逻辑门一般用于输入门和输出门之间的内

部门中，因为内部门是输入门和输出门之间的连接门，它不直接感受外

部信号的干扰，外部信号的干扰由输入门承受，因此抗干扰能力要求不

高；它不直接驱动外部负载，驱动外部负载由输出门担当，因此带负载

能力要求不强。简化逻辑门在应用于输入门时，应注意满足电路抗干扰

能力的要求；简化逻辑门应用于输出门时，应注意满足电路带负载能力

的要求。本节介绍了简化与非门，其中有二管单元简化与非门、三管单

元简化与非门、抗饱和简化与非门和强驱动内部与非门；本节还介绍了

其它简化门电路，即简化与门和简化与或非门等。

课程难点：在不影响电路逻辑功能条件下，各种简化逻辑门的电路结

构。简化逻辑门应用于输入门时，对应于电路抗干扰能力的分析；简化

逻辑门应用于输出门时，对应于电路带负载能力的分析。简化逻辑门应

用于内部门时，对特定电路，选择那种最实用的简化逻辑门。

基本概念：

1输入门-与输入端直接连接的电路门。

2输出门-与输出端直接连接的电路门。

3内部门-输入门和输出门之间的连接的电路门。

4简化逻辑门-在门电路功能不变的条件下，进行了线路上简化或元器件

数量上简化的逻辑门。

基本要求：知道构成中大规模集成电路的输入门，输出门和内部门三大

部分各自的基本要求，其中，内部门的构成门电路数量远远超过输入门

和输出门的构成门电路数量之和。知道要想提高集成度，减小集成电路

体积，应从简化逻辑门电路开始入手。清楚简化逻辑门一般用于内部

门，在满足电路性能要求时，简化逻辑门也可用于输入门和输出门，即

满足抗干扰能力要求时，可用于输入门；满足带负载能力要求时，可用

于输出门，因此一定要清楚了解其应用条件。了解二管单元简化与非

门，三管单元简化与非门电路结构及特点，了解特殊应用条件下的简化

与非门；了解由简化与非门构成的其它简化门电路。能进行正确的功能

分析和逻辑分析。

§3.2单管逻辑门1.5学时

内容：1单管禁止门及应用

1.1单管禁止门电路结构及逻辑分析

1.2单管禁止门在集成电路中的应用

1.2.1两单管禁止门连接构成简化异或非门

1.2.2两单管禁止门和一非门构成异或门

1.2.3两单管禁止门的射极连接完成三个与非门功能

2串级与非门及应用