項目1電路基礎元件的使用

任務5CMOS數字集成電路的使用任務描述CMOS技術已經成為數字電路和計算機芯片設計的主流技術，理解和掌握CMOS技術下集成電路的基本原理、結構和工作原理，是掌握現代電子技術應用的基礎。本任務引導讀者從場效應管的結構、工作原理和特點入手，了解CMOS集成電路的工作原理；學習CMOS集成電路的制造工藝，認識現代集成電路芯片的結構和使用；通過一些簡單集成電路芯片的實驗，使讀者加深對以集成電路為核心的電路設計方式的理解，為后續隔離控制器的電路設計做好準備。知識儲備

一、FET、MOS、CMOS的概念1.場效應管1948年晶體管的發明給電子工業界帶來了巨大的變革，使電子技術急速發展。最初的晶體管的制作材料為鍺，但由于其耐熱性能較差，僅在80℃便易損壞，因此，目前晶體管多使用硅材質，其所承受的溫度可達180℃。盡管目前談及晶體管，多指晶體三極管，但是嚴格來說，晶體管是使用半導體制作的元件，包括各種二極管、三極管、晶閘管等。1.場效應管晶體三極管主要分為雙極性晶體管和場效應晶體管。前者通過將N型和P型半導體結合，內部有兩個PN結，在外部組成了基極(B)、集電極(C)和發射極(E)，其中基極在電流遠小于其他兩極的情況下，可以控制集電極和發射極電流的大小，實現放大功能。后者晶體管三極的名稱分別為源極(S)、柵極(G)和漏極(D)。由于雙極性晶體管有三個電極，因此其使用方式也有三種：（1）發射極接地，即共射放大；（2）基極接地，即共基放大；（3）集電極接地，即共集放大。一、晶體管概述場效應管FET（FieldEffectTransistor）是較新型的半導體材料，利用電場效應來控制晶體管的電流，因而得名。它的外型也是一個三極管，因此又稱場效應三極管。它只有一種載流子參與導電的半導體器件，是一種用輸入電壓控制輸出電流的半導體器件。我們知道一般三極管是由輸入的電流控制輸出的電流。但對于場效應管，其輸出的電流是由輸入的電壓（或稱電場）控制，可以認為輸入電流極小或沒有輸入電流，這使得該器件有很高的輸入阻抗，同時這也是我們稱之為場效應管的原因。一、晶體管概述和三極管類似，場效應管在使用過程中，要注意最大漏極電流、最大擊穿電壓、最大耗散功率。晶體管和場效應管的對比如下：（1）場效應管是電壓控制元件，而晶體管是電流控制元件。（2）在只允許從信號源取較少電流的情況下，應選用場效應管；而在信號電壓較低，又允許從信號源取較多電流的條件下，應選用晶體管。（3）晶體管輸入阻抗小，場效應管輸入阻抗大。（4）晶體管價格較場效應管更低。（5）場效應管驅動能力更大，常用于作為電源開關，以及應用于大電流條件下的開關電路。2.場效應管分類從參與導電的載流子來劃分，場效應管有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。從場效應三極管的結構來劃分，它有結型場效應三極管（JunctionFieldEffectTransistor，JFET）和絕緣柵型場效應管(InsulatedGateFieldEffectTransistor，IGFET)。如圖1-80所示。2.場效應管分類結型場效應管（JFET）因有兩個PN結而得名，絕緣柵型場效應管（IGFET）則因柵極與其他電極完全絕緣而得名。由于絕緣柵型的柵極為金屬鋁，因此又稱為MOS（MetalOxideSemiconductor）管。JFET相對來說較少使用，MOS管使用較為普遍。3.場效應管的結構和符號場效應管的源極S、柵極G、漏極D分別對應于三極管的發射極E、基極B、集電極C，它們的作用相似。結型場效應管如圖1-81所示。3.場效應管的結構和符號增強型絕緣柵場效應管的結構和符號如圖1-82所示。3.場效應管的結構和符號耗盡型絕緣柵場效應管的結構和符號如圖1-83所示。4.MOS場效應管FET是場效應管的統稱，其中，MOSFET是最常見的FET類型之一。MOSFET是一種基于MOS（Metal-Oxide-Semiconductor），也就是金屬-氧化物-半導體結構的場效應管，一般稱為MOS管。MOSFET可以分為P型MOSFET和N型MOSFET，它們的工作原理是不同的，如圖1-84所示。4.MOS場效應管耗盡型與增強型的主要區別在于耗盡型MOS管在G端（Gate）不加電壓時有導電溝道存在，而增強型MOS管只有在開啟后，才會出現導電溝道；兩者的控制方式也不一樣，耗盡型MOS管的VGS（柵極電壓）可以用正、零、負電壓控制導通，而增強型MOS管必須使得VGS>VGS（th）（柵極閾值電壓）才行。4.MOS場效應管耗盡型MOS管在實際應用中，當設備開機時可能會誤觸發MOS管，導致整機失效；不易被控制，使得其應用極少。因此，日常我們看到的NMOS、PMOS多為增強型MOS管。增強型MOS管中，PMOS雖然可以用于高端驅動，但由于其存在導通電阻大、價格貴、替換種類少等問題，因此通常還是使用NMOS替代。這也是市面上無論是應用還是產品種類，增強型NMOS管最為常見的重要原因，尤其在開關電源和馬達驅動的應用中，一般都用NMOS管。4.MOS場效應管MOS管共有3個腳：柵極G、漏極D、源極S。通常情況下，MOS管的襯底與S極在管子內部是連接在一起的，而且，MOS管的D極和S極之間一般會有一個寄生二極管，所以常見的MOS管的符號如圖1-85所示。4.MOS場效應管對于MOS管符號的辨認：（1）G極(gate柵極)比較好認；S極(source源極)，不論是P溝道還是N溝道，其引線都與中間襯底相連；D極(drain漏極)，不論是P溝道還是N溝道，其電極表示是單獨的引線。（2）箭頭指向G極的是N溝道，箭頭背向G極的是P溝道。（3）不論是N溝道還是P溝道MOS管，中間襯底的箭頭方向和寄生二極管的箭頭方向總是一致的，要么都由S指向D，要么都由D指向S。（4）MOS管連接時的電流方向與中間襯底的箭頭方向相反。NMOS是D極接輸入，S極接輸出；PMOS是S極接輸入，D極接輸出。4.MOS場效應管MOS管的重要參數有類型（NMOS、PMOS）、封裝、耐壓VDS（器件在斷開狀態下漏極和源極所能承受的最大電壓）、飽和電流ID、導通阻抗RDS、柵極閾值電壓VGS(th)等。5.MOS管的開關作用MOS管具有輸入阻抗高、開關速度快、熱穩定性好、電壓控制電流等特性，在電路中，可以用作放大器、電子開關等。MOS管做開關時，其條件是：N溝道導通時Ug>Us,Ugs>Ugs(th)時導通P溝道導通時Ug<Us,Ugs<Ugs(th)時導通5.MOS管的開關作用比如MOS管做電子開關，用來驅動LED，如圖1-86所示。5.MOS管的開關作用一般認為MOS管導通是不需要電流的，只要UGS提供一定的電壓就可以導通了。5.MOS管的開關作用對于N溝道增強型MOS管，當UGS大于一定值時就會導通。這里所說的“一定值”是指開啟電壓UGS(th)，N溝道增強型UGS(th)一般是2～4V，如圖1-87所示。5.MOS管的開關作用對于P溝道增強型MOS管，當UGS小于一定值時就會導通，P溝道增強型UGS(th)一般是-2～-4V。PMOS管的開關作用如圖1-88所示。5.MOS管的開關作用當柵極上的電壓低于某個閾值電壓時，PMOS管處于導通狀態，允許電流從漏極向源極流動。當柵極上的電壓高于閾值電壓時，導電通道關閉，不允許電流通過。因此，和NMOS管相比，PMOS管的開關行為是相反的。如果UGS達不到相應的電壓值，MOS就無法導通，所以說MOS管是電壓控制型元件。5.MOS管的開關作用在MOS管內部結構里，G極與D極、S極實際上是有一層絕緣層二氧化硅進行隔離的，這就相當于存在一個電容器，如圖1-89所示。5.MOS管的開關作用這些寄生電容是無法避免的，電容的大小由MOS管的結構、材料、所加的電壓決定。沒有電阻Rgs時，在G極接上5V控制信號，相當于給寄生電容CGS充電，即使撤去G極上的控制電壓，G極上也有電容的電壓存在，所以MOS仍然是導通的。當有G、S兩極有電阻RGS時，當G極撤去5V信號，電阻Rgs可以把寄生電容Cgs上的電壓進行釋放，所以MOS就截止了。所以，電路加入電阻RGS，可以對電容的電壓進行及時的釋放，這樣有利于提高電路的可靠性，可以避免G極沒有控制信號時誤動作。課堂思考假設你需要設計一個需要高頻率開關的電路，你會選擇使用NPN三極管還是N溝道MOSFET？請分別說明使用這兩種器件的優缺點，并根據實際情況進行選擇。6.CMOSCMOS是ComplementaryMetalOxideSemiconductor（互補金屬氧化物半導體）的縮寫。在CMOS工藝制成的邏輯器件或單片機中，N型管與P型管往往是成對出現的。同時出現的這兩個MOS管，任何時候，只要一只導通，另一只則不導通(即“截止”或“關斷”)，所以稱為“互補型CMOS管”，如圖1-90所示。6.CMOS圖中，由于兩管柵極工作電壓極性相反，故將兩管柵極相連作為輸入端，兩個漏極相連作為輸出端，則兩管正好互為負載，處于互補工作狀態。兩管就像單刀雙擲開關一樣交替工作，構成反相器。6.CMOS如圖1-91所示，用CMOS構成了基本的與非門、或非門。6.CMOS以與非門為例，CMOS構成與非門的結構如圖1-92所示。6.CMOS以與非門為例CMOS制作過程如圖1-93和圖1-94所示。圖1-93CMOS制造工藝6.CMOS以與非門為例CMOS制作過程如圖1-93和圖1-94所示。圖1-94CMOS加工中的光刻6.CMOS圖1-93中，1-2步是光刻工藝的實施，需要進行上百次，具體操作方式如圖1-94所示。1-10步主要是前端處理，也即如何做出場效應管。11-12步會重復多次，屬于后端處理，后端處理主要是用來布線。一般一個高度集中的芯片上幾乎看不見底層的硅片，都會被布線遮擋住。整個芯片最后的剖面如圖1-95所示。6.CMOS圖1-95芯片成型結構知識補充光刻機是制造先進微電子器件中的重要設備，其技術難點主要包括以下幾個方面：（1）分辨率：光刻機的分辨率要求越來越高。隨線寬的縮小，需要在光學設計、材料科學、圖形編輯等多個領域進行極度深入和精細化的研究。（2）晶圓尺寸：目前行業對處理直徑巨大晶圓的需求帶來了更多的挑戰和技術難點，需要更高的對位精度和平整度。（3）光源技術：需要具備高功率、低波長、穩定性好等特點，同時還需要滿足環保、節能等要求。（4）投影鏡頭和準直系統：投影鏡頭需要滿足高分辨率、大視場角、強光學透射等要求。準直系統需要將光線精確地聚焦到晶圓表面，同時還要保證能量均勻和具備抗干擾能力。（5）自動化技術：高度自動化的要求，包括晶圓對位、曝光、顯影、清洗等過程都需要實現自動化控制和管理。綜上所述，半導體芯片光刻機的技術難點非常多，需要在光學、材料科學、圖形編輯、自動化控制等多個領域進行深入研究和創新。二、CMOS數字集成電路1.TTL與CMOS集成電路目前應用最廣泛的數字電路是TTL電路和CMOS電路。1.TTL與CMOS集成電路（1）TTL電路。TTL電路以雙極型晶體管為開關元件，所以又稱雙極型集成電路。雙極型數字集成電路是利用電子和空穴兩種不同極性的載流子進行電傳導的器件。它具有速度高（開關速度快）、驅動能力強等優點，但其功耗較大，集成度相對較低。根據應用領域的不同，TTL集成電路分為54系列和74系列，前者為軍品，一般工業設備和消費類電子產品多用后者。74系列數字集成電路是國際上通用的標準電路。其品種分為六大類：74××（標準）、74S××（肖特基）、74LS××（低功耗肖特基）、74AS××（先進肖特基）、74ALS××（先進低功耗肖特基）、74F××（高速）。它們的邏輯功能完全相同。1.TTL與CMOS集成電路（2）CMOS電路。CMOS電路又稱場效應集成電路，屬于單極型數字集成電路。單極型數字集成電路只利用一種極性的載流子（電子或空穴）進行電傳導。它的主要優點是輸入阻抗高、功耗低、抗干擾能力強且適合大規模集成。特別是其主導產品CMOS集成電路有著特殊的優點，如靜態功耗幾乎為零、輸出邏輯電平可為VDD或VSS、上升和下降時間處于同數量級等，因而CMOS集成電路產品已成為集成電路的主流之一。2.四種CMOS集成電路下面介紹四種常用的CMOS集成電路，均選擇雙列直插（DIP）封裝形式。這4個集成電路中，4011、4013、4069有14個引腳，4017有16個引腳。引腳的識別順序是將集成電路正面擺放，有缺口的一端在左邊，左下端的引腳為第1腳，按逆時針方向依次編號，最終左上端的是最后一個引腳，該引腳也是集成電路的電源正極。右下端的引腳是集成電路的電源負極。2.四種CMOS集成電路（1）門電路4069（六反相器、六非門）。反相器是執行邏輯“非”功能,也就是反相功能的邏輯器件,反相器也可以稱作“非門”功能。4069實物和非門符號如圖1-96所示。2.四種CMOS集成電路（1）門電路4096真值表見表1-6。A（輸入端）B（輸出端）0110表1-64069真值表2.四種CMOS集成電路（1）門電路其邏輯關系的特點是：輸入端A為低電平“0”狀態時，輸出端Y為高電平“1“狀態；當輸入端A為高電平“1”狀態時，輸出正常Y為低電平“0”狀態。圖1-97是4069的引腳功能排列示意圖。2.四種CMOS集成電路（1）門電路從圖1-97中可以看出，4069內封裝了六個反相器，這六個反相器的功能、參數都一樣,用戶可以自行選擇全部使用或部分使用。2.四種CMOS集成電路（1）門電路4011（四2輸入端與非門）。與非門，顧名思義，是先執行“與“功能，再執行“非“功能。電路圖形符號和引腳功能排列如圖1-98所示。2.四種CMOS集成電路（1）門電路與非門邏輯關系的特點是：只有當輸入端全部為高電平“1”狀態時，輸出端才為低電平“0”狀態，在其他輸入狀態下，輸出端均為高電平“1”狀態。從圖可以看出，4011內部共封裝有四個與非門，每個與非門均有2個輸入端，1個輸出端。這四個與非門的功能、參數一致，用戶可以自行選擇全部使用或部分使用。2.四種CMOS集成電路（1）門電路4011真值表見表1-7。A（輸入端）B（輸入端）Y（輸入端）001101011110表1-74011真值表2.四種CMOS集成電路（2）觸發器觸發器與門電路一樣,都是邏輯電路。門電路屬于組合邏輯電路，觸發器屬于時序邏輯電路。組合邏輯電路的特點是：電路的輸出狀態完全由該時刻的輸入狀態決定，輸入狀態發生變化，輸出狀態也隨著發生相應的變化。而時序邏輯電路的輸出狀態不僅取決于該時刻的輸入狀態，還與前一時刻的輸入狀態有關，它的狀態變化經常是借助時鐘脈沖的“觸發“作用，因此，分析電路時必須考慮時鐘脈沖的各種有關因素，它的另一重要特點是具有記憶數碼（0或1）的功能。2.四種CMOS集成電路（2）觸發器觸發器是計數器、分頻器、移位寄存器等電路的基本單元電路之一，是這些電路的重要邏輯單元電路，在信號發生、波形變換、控制電路中也常常使用。常用的觸發器有D觸發器、JK觸發器、RS觸發器、施密特觸發器等，這里我們介紹最常用的D觸發器——4013（雙D觸發器）。D觸發器的輸出狀態的改變依賴于時鐘脈沖的觸發作用，即在時鐘脈沖觸發時，輸入數據。D觸發器由時鐘脈沖上升沿觸發，置位和復位有效電平為高電平“1”。D觸發器通常用于數據鎖存或控制電路中。2.四種CMOS集成電路（2）觸發器圖1-99是4013的引腳功能排列示意圖。從圖1-99中可以看出，4013內部共封裝有兩個D觸發器，這兩個觸發器的功能、參數一致，用戶可以自行選擇全部使用或部分使用。2.四種CMOS集成電路（2）觸發器4013的工作過程是:R=0，S=0，在CP脈沖上升沿的作用下,Q=0；R=0，S=1，無條件置位，Q=1，該狀態又稱“置1”；R=1，S=0，無條件復位，Q=0，該狀態又稱“置0”；R=0，S=0，CP=0，Q保持狀態不變。2.四種CMOS集成電路（2）觸發器4013真值表見表1-8。2.四種CMOS集成電路（3）計數器在數字電路中，計數器應用非常廣泛，它屬于計數器件，不僅用于記憶脈沖個數，也用于分頻、定時、程序控制、遞輯控制等電路中。計數器的品種較多，按計數單元更新狀態的不同，計數器分為同步計數器和異步計數器兩大類。同步計數器的各個計數單元電路共用一個時鐘，它們的狀態變化是同步進行的，因此它們具有工作頻率高、時間延遲小等優點，但要求CP時鐘脈沖的功率較大，電路較復雜；異步計數器各個計數單元不共用一個時鐘，后級的時鐘可以是前級的輸出。因此，異步計數器的優缺點正好與同步計數器相反。2.四種CMOS集成電路（3）計數器