集成注入逻辑电路

逻辑电路

在NPN晶体管的基极接有PNP晶体管作为恒流源，采用公共发射区，集成多个NPN晶体管倒相器的基本门电路。简称I2L电路。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。I2L电路发展于20世纪70年代初，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。I2L电路无需隔离，结构紧凑，不用电阻，有较高的集成密度，功耗低。但开关速度较慢，截止频率较低，抗干扰能力差。为克服这些缺点，已研制出若干改进型I2L电路。I2L电路发展较晚，常用于制作双极型大规模集成电路。

发展简介

IL电路是70年代初发展起来的一种高集成密度、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。IL电路无需隔离,结构紧凑，不用电阻，可以获得很高的集成度和集成密度，并在低功耗下有较高的速度。

IL电路采用PNP横向晶体管作为恒流源。横向晶体管是指PNP或NPN晶体管的发射区、基区、集电区是沿芯片的平面方向分布，即从发射极到集电极的电流是在芯片内横向流动。硅双极型集成电路主要用 NPN晶体管构成。在以 NPN晶体管为主体的集成电路中，如需要兼用PNP晶体管时，其方法之一是制作横向PNP晶体管。横向PNP晶体管制作简单，能与NPN晶体管工艺兼容，不增加工序。在扩散NPN晶体管基区的同时，即可制作横向PNP晶体管的发射区和集电区（发射区作为注入条也可再扩散，加深掺杂浓度）。横向 PNP晶体管的缺点是截止频率较低，电流放大系数在2～5之间，少数可达10左右。

IL电路的倒相管采用公共发射区的纵向NPN晶体管。它与通常的纵向NPN晶体管不同，其集电区在上方,公共发射区在下方。

恒流源晶体管的发射极是一个P型注入条,横向晶体管的基区和集电区，分别是纵向晶体管 NPN的发射区和基区。当P型注入条加上正电压后(IL电路的电源)，注入条向 N型基区注入空穴，空穴渡越该基区后被集电区收集。被收集在 PNP晶体管集电区的空穴有两个可能的去向：①作为NPN晶体管的基极注入电流（如果前级NPN晶体管处于截止状态），导致NPN晶体管的导通;②作为前级NPN晶体管的集电极电流，如果前级NPN晶体管处于导通状态，则该空穴电流流向前级 NPN晶体管。因其饱和压降较小，本级NPN晶体管的发射结电压也就很小,即本级NPN晶体管处于截止状态（图2）。因此，IL电路的工作过程，实质上就是由外部注入条注入的少数载流子在集成器件体内转移，引起基本门导通或截止。　IL电路实际上是由直接耦合晶体管逻辑电路(DCTL)演变而来的。DCTL电路的结构简单，但存在严重缺点。其中，最突出的是“抢电流”现象（见电阻-晶体管逻辑电路）。IL电路采用DCTL电路形式,而负载不用电阻器,以一个负载和一个晶体管组成倒相器。IL电路所采用的 NPN晶体管使用倒相结构，反向工作。将通常双极集成电路中的NPN晶体管的集电区作为 IL电路内NPN晶体管的发射区，将发射区作为IL电路内NPN晶体管的集电区。IL电路的NPN晶体管的发射区，具有公共接地的特点。电路中所有NPN倒相管之间无需隔离,缩小了芯片面积。以共基极接法的横向晶体管PNP恒流源代替 DCTL电路中的扩散电阻，使功耗降低,面积缩小。IL电路的基本门，可方便地扩展成多个倒相输出门而并不增加太多面积，只要在基本门的基区上扩展多个 NPN晶体管的集电区即可。多个集电区是相互隔离的，在功能上都相当于输入信号的倒相。图1为多集电极输出倒相门的电路形式和结构的剖面。

电路优点

IL电路的优点是: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。IL电路最主要的缺点是: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。为克服这些缺点，已研制出若干种改进形式的IL逻辑电路，如自对准IL电路、离子注入掺杂工艺IL电路、等平面隔离IL电路、肖特基IL电路、上扩散IL电路和衬底馈电逻辑电路等。

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