4.6TTL門(mén)電路設(shè)計(jì)集成電路的線路設(shè)計(jì)，主要根據(jù)理論分析和模擬試驗(yàn)來(lái)選擇線路形式，確定電阻阻值和晶體管的特性。以中速TTL為例：一、六管TTL與非門(mén)的線路設(shè)計(jì)根據(jù)前面的分析，電路的速度與靜態(tài)參數(shù)對(duì)電阻的要求是矛盾的。從速度上講，要求R1、R2、R5等阻值小些，但從IIL

、IIH、ICCL、ICCH參數(shù)的考慮則要求電阻大一些，所以設(shè)計(jì)時(shí)兼顧到這兩方面。一般原則是:在保證直流參數(shù)合格的前提下，電阻值應(yīng)盡量小些，以利于電路速度的提高。1、電阻阻值的確定TTL門(mén)電路的靜態(tài)參數(shù)考慮到最壞情況，取VCC=5.5V,如果基區(qū)擴(kuò)散電阻的相對(duì)誤差（1）R1：

R1和IIL、ICCL、ICCH等參數(shù)有關(guān)，但I(xiàn)IL(1.6mA)單獨(dú)由R1確定所以由于R4對(duì)電路速度影響較小，并考慮到電阻制作時(shí)的誤差，R4可取得大一些，如3～3.5KΩ，這里取R4=3KΩ。（2）R4：R4主要和ICCH(3.5mA)參數(shù)有關(guān)，由：

得：（3）R2：R2和ICCL(7mA)參數(shù)的關(guān)系密切，由：

得:考慮到電阻制作的誤差，R2一般可取750Ω

～1KΩ，這里取R2=1KΩ。根據(jù)T6管工作狀態(tài)，可將T6網(wǎng)絡(luò)分為深飽和型，淺飽和型和非飽和型三種。這是由Rb和RC來(lái)決定的。因此T6網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)就是選擇Rb和RC的阻值以確定T6管的工作狀態(tài)。2、T6網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與T6網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的電路如圖所示。在電路導(dǎo)通時(shí)，T6網(wǎng)絡(luò)的分流值IE6為：

IE6的大小與T5管的工作狀態(tài)有關(guān)：若T5工作在深飽和態(tài)，則IE6分流值要小一些；若T5工作在淺飽和態(tài)，則IE6分流值要大一些。T6網(wǎng)絡(luò)的分流值IE6在IB6和IC6之間如何分配，則取決T6管的工作狀態(tài)。

T6處于深飽和態(tài)，S6≥4，一般取RC=2Rb，如在LSTTL電路中?？傻玫?，在電路為導(dǎo)通態(tài)時(shí)，T6網(wǎng)絡(luò)的分流值為：（1）深飽和型：可見(jiàn)，這種網(wǎng)絡(luò)分流較小，可使T5管飽和較深；動(dòng)態(tài)電阻RD雖然較大（RC=3K），但在截止瞬態(tài)仍有較大的抽取電流能力。因此常用于低功耗電路和驅(qū)動(dòng)門(mén)電路。在截止態(tài)，因?yàn)門(mén)6比T5晚截止，假定這時(shí)?Vbes6=?Vces6=0，則T6網(wǎng)絡(luò)抽取電流的動(dòng)態(tài)電阻RD為：（2）淺飽和型：

T6處于淺飽和態(tài)，一般取S6=2，RC=Rb/2，同樣可求得在電路為導(dǎo)通態(tài)時(shí)T6網(wǎng)絡(luò)的分流值為：截止態(tài)時(shí)，T6網(wǎng)絡(luò)抽取電流的動(dòng)態(tài)電阻RD為：可見(jiàn)，這種網(wǎng)絡(luò)分流較大，可使T5管飽和較淺；動(dòng)態(tài)電阻RD較?。≧b=500），抽取電流的能力較強(qiáng)，可提高電路的速度。因此該網(wǎng)絡(luò)常用于中速，高速和甚高速電路。（3）非飽和型：

T6處于放大，一般取RC=0。這樣網(wǎng)絡(luò)仍可使T6的導(dǎo)通和截止比T5滯后一定的時(shí)間，因而仍具有T6網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。它對(duì)電路的自調(diào)整作用比前兩種強(qiáng)，但對(duì)速度的改善不如前兩種，因此實(shí)際電路很少使用。（4）中速中功耗電路T6網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)因是中速電路而且負(fù)載（N0≥8）也不很重，故T6網(wǎng)絡(luò)可選淺飽和型，并取S5=4，使T5處于深飽和。這樣根據(jù)前面的分析可知：取Rb=500，RC=250

下面我們轉(zhuǎn)入討論TTL版圖設(shè)計(jì)問(wèn)題。首先討論集成電路版圖設(shè)計(jì)的一般程序，然后圍繞版圖設(shè)計(jì)的有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行深入分析，最后給出版圖設(shè)計(jì)的實(shí)例。這里雖然介紹的是TTL電路的版圖設(shè)計(jì)，但所討論的問(wèn)題對(duì)其他集成電路，特別是雙極型集成電路具有重要意義。二、版圖設(shè)計(jì)1、集成電路版圖設(shè)計(jì)的一般程序集成電路版圖設(shè)計(jì)就是根據(jù)電路的參數(shù)的要求，在一定的工藝條件下，按照版圖設(shè)計(jì)的規(guī)則，設(shè)計(jì)具體的電路中各種元件的圖形和尺寸，然后進(jìn)行排版和布線，從而設(shè)計(jì)出光刻掩模版。利用光刻掩模版，按照一定的工藝流程投片，就可制造出符合原電路設(shè)計(jì)指標(biāo)的集成電路。當(dāng)然，一個(gè)好的電路要經(jīng)過(guò)多次反復(fù)才能成功。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：(1)版圖設(shè)計(jì)之前，必須對(duì)電路有充分的了解。因?yàn)闃?gòu)成集成電路各種元件的參數(shù)指標(biāo)及這些元件之間的互聯(lián)都是由電路本身決定的，只有對(duì)電路充分了解，才能合理地設(shè)計(jì)元件的圖形和尺寸，從而設(shè)計(jì)出符合要求的版圖。(2)版圖設(shè)計(jì)是以一定的工藝條件為前提的，因此在版圖設(shè)計(jì)之前必須對(duì)實(shí)際的工藝條件和工藝水平做到心中有數(shù)。在對(duì)電路和工藝有了充分了解的基礎(chǔ)上，就可進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)，程序如下:③劃分隔離區(qū)。凡集電極點(diǎn)位相同的晶體管可以共同占用一個(gè)隔離區(qū)，集電極不同的晶體管必須互相隔離。二極管可按晶體管的原則來(lái)處理。電阻可以放在一個(gè)隔離區(qū)中，因?yàn)樗麄兪腔ハ喔綦x的，有時(shí)為了布線方便，電阻可以放在不同的隔離區(qū)內(nèi)，有時(shí)電阻也可和晶體管放在一起。①確定版圖設(shè)計(jì)的基本尺寸和版圖設(shè)計(jì)規(guī)則。主要由生產(chǎn)線的實(shí)際工藝水平?jīng)Q定。②確定電路中各元件的圖形和尺寸。

在①的基礎(chǔ)上，根據(jù)電路的參數(shù)，通過(guò)定性的分析和定量的計(jì)算，結(jié)合工藝實(shí)踐，確定出電路中各元件的圖形和尺寸。④排版（布局）和布線。在②③的基礎(chǔ)上，安排各個(gè)元器件的位置，和它們之間的連線。先排出草圖，然后進(jìn)行反復(fù)比較，最后繪制出總圖，以供制版需要。2、版圖設(shè)計(jì)基本尺寸的確定版圖設(shè)計(jì)中的基本尺寸是掩模圖形的最小線寬和掩模圖形的最小間距，它是版圖設(shè)計(jì)規(guī)則的主要依據(jù)。（1）掩模圖形的最小線寬主要由制版能力和光刻水平?jīng)Q定，它決定了光刻引線孔的大小和金屬條，電阻條的最小寬度。線寬太小，成品率下降，線寬太大，電路尺寸要變大，成品率也要受到影響。因此，最小圖形線寬要根據(jù)工藝水平來(lái)選定。①掩模對(duì)準(zhǔn)容差?XMAT，它是指元件的理想位置與實(shí)際位置的統(tǒng)計(jì)平均誤差。它是確定圖形最小間距的基本依據(jù)，下表給出掩模對(duì)準(zhǔn)容差的主要成分。(2)掩模圖形最小間距它是在硅片表面制作的器件相鄰圖形間所需的最小間距。影響它的因素較多，主要有以下因素決定:μm③耗盡層寬度Wd

它與電路工作電壓和工藝參數(shù)(襯底材料的電阻率、擴(kuò)散層的摻雜)有關(guān)。②橫向擴(kuò)散0.8Xj。不同的擴(kuò)散由于其結(jié)深不同，因而橫向擴(kuò)散大小不一樣。④最壞情況下的最小間距Gmin

它是在上述最壞條件下圖形間所留的最小間距。它一方面是保險(xiǎn)系數(shù)，另一方面也包含了上述各條件中沒(méi)有列入的一些因素。根據(jù)工藝設(shè)計(jì)參數(shù)和器件基本設(shè)計(jì)規(guī)則，在一定的假設(shè)條件下就可推導(dǎo)出掩模的最小間距。(3)掩模最小間距的討論工藝設(shè)計(jì)參數(shù)器件基本設(shè)計(jì)規(guī)則μm推導(dǎo)出掩模的最小間距μm3、集成晶體管版圖設(shè)計(jì)晶體管是集成電路的核心元件，它的圖形和尺寸設(shè)計(jì)是否合理，將直接影響到集成電路的性能和成品率。(1)最小面積晶體管

由圖形最小尺寸和圖形最小間距構(gòu)成的晶體管

，是集成電路中常用的晶體管圖形，其它有特殊要求的晶體管都是在它的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。(2)晶體管常用的圖形在雙極型邏輯電路中，常用的晶體管圖形主要有:①單基極管它是前面討論的最小面積晶體管，它的面積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此結(jié)電容就小，特征頻率高

。因?yàn)槭菃位鶚O，發(fā)射極有效周長(zhǎng)短，基極串聯(lián)電阻大，這對(duì)其最大工作電流、最高震蕩頻率和噪聲都不利。這種結(jié)構(gòu)適用于電流小，特征頻率高的場(chǎng)合。②雙基極管它增加了一個(gè)基極，因而發(fā)射極有效周長(zhǎng)較單基極管長(zhǎng)，工作電流大，基極串聯(lián)電阻減小，但面積比單基極管大，特征頻率低。③雙基極雙集電極管它的特點(diǎn)是集電極串聯(lián)電阻小，飽和壓降低，可通過(guò)較大的電流，一般用做輸出管。④雙發(fā)射極雙集電極管與雙基極雙集電極管相比，在發(fā)射極有效周長(zhǎng)相同的情況下，這種結(jié)構(gòu)集電極串聯(lián)電阻更小，因而也是輸出管常用的圖形之一。⑤多發(fā)射極管如圖所示，它是TTL電路的主要特征之一，在TTL電路中，多發(fā)射極管T1的主要缺點(diǎn)是反向漏電流較大。我們知道要減小反向漏電流，就要減小其反向電流增益βR，常用的方法是采用長(zhǎng)脖子基區(qū)結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)脖子基區(qū)結(jié)構(gòu)（如圖所示）可有效的減小反向漏電流。其橫截面和等效電路如圖所示。考慮IIH由三部分電流組成當(dāng)多射極管進(jìn)入飽和時(shí)，bc結(jié)正偏，由于沿長(zhǎng)脖子基區(qū)電阻上的電壓降的不同，使得二極管正向壓降也不同。圖中最上端的二極管D1正向偏壓最大，通過(guò)的電流也最大。在rbb足夠大時(shí)，大部分電流將通過(guò)D1旁路掉，很少進(jìn)入發(fā)射極對(duì)應(yīng)的基區(qū)，從而使反向電流增益βR大大下降。實(shí)驗(yàn)表明，在摻金情況下，長(zhǎng)脖基區(qū)的體電阻rbb在400~600Ω時(shí)，βR可減小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，使βR

≤0.02，從而滿(mǎn)足電路的要求。多射極管的發(fā)射極較多，為避免各發(fā)射區(qū)對(duì)應(yīng)的電阻不同，通常在基區(qū)開(kāi)出引線孔敷以鋁條，以短路基區(qū)各部分。

當(dāng)電流從基極引線孔流入，經(jīng)長(zhǎng)脖子基區(qū)時(shí)，就在基極串聯(lián)電阻上產(chǎn)生一定的壓降，在多射極管未進(jìn)入飽和時(shí)，bc結(jié)反偏，各二極管截止，這時(shí)串聯(lián)電阻的阻值附加在外電路的電阻上，其影響只是減小基極電流。由于發(fā)射極電流的“集邊效應(yīng)”，使得晶體管最大工作電流正比于有效發(fā)射區(qū)周長(zhǎng)，而與發(fā)射區(qū)面積大小幾乎無(wú)關(guān)。即(3)電流容量式中，α是發(fā)射區(qū)單位有效周長(zhǎng)的最大工作電流。根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在線性應(yīng)用中，對(duì)β要求較嚴(yán)格，α值一般取0.04~0.16mA／um；在邏輯電路中，允許β的變動(dòng)范圍較寬，值一般取0.16~0.40mA／um。由上式可知，流經(jīng)較大電流的晶體管，其發(fā)射區(qū)有效周長(zhǎng)應(yīng)較長(zhǎng)，這在圖形設(shè)計(jì)上可采取增加發(fā)射區(qū)的有效長(zhǎng)度，或采用雙基極、雙發(fā)射極等辦法。集成電路晶體管的集電極串聯(lián)電阻rCS要比分立晶體管的大，rCS的增大將影響晶體管的高頻性能和開(kāi)關(guān)性能。尤其在數(shù)字電路中，rCS的增大將使晶體管的飽和壓降增大，輸出低電平增高，所以在數(shù)字電路中要特別注意降低rCS。（4）飽和壓降要降低rCS可采取以下措施：用低電阻率薄外延層片；降低隱埋層薄層電阻；用深n+集電極接觸區(qū)；增大發(fā)射區(qū)、集電極引線孔的長(zhǎng)度和面積；縮小發(fā)射極與集電極之間的距離等；用雙集電極結(jié)構(gòu)等。由于集成晶體管的rCSCC比單管的大，再增加一項(xiàng)較大的τS

，因而它的fT較低。對(duì)于要求fT較高的集成晶體管，應(yīng)設(shè)法降低（5）頻率特性在pn結(jié)隔離的集成電路中，npn管的特性頻率fT可近似表示為：式中，前四項(xiàng)是與分立晶體管相同的，第五項(xiàng)是集成電路晶體管所特有的，通常稱(chēng)為隔離結(jié)電容充放電時(shí)間常數(shù)，以τS表示，即：在版圖設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能減小面積，降低寄生電容，提高fT

。三、版圖設(shè)計(jì)舉例電路如圖所示，根據(jù)隔離區(qū)劃分原則，該電路可劃分為6個(gè)隔離區(qū)：T1、T2、T5管各占一個(gè)；T3、T4因集電極電位相同，可共用一個(gè)；T6、Rb、RC共占用一個(gè)；其余電阻合用一個(gè)。如R5利用埋層電阻，則：T3，T4管和電阻島可以合用一個(gè)，這時(shí)只要五個(gè)隔離區(qū)就可以了。（1）

劃分隔離區(qū)

管芯外圍進(jìn)行大面積的隔離擴(kuò)散，實(shí)行“包地線”．這既便于布線，使各接地電位相近，又可減小各輸入箝位二極管的串聯(lián)電阻。

各壓焊點(diǎn)和各輸入箝位二極管也分別做在各自的隔離島內(nèi)。以中速八輸入端TTL與非門(mén)為例p型硅襯底，晶向<111>，電阻率ρsub=7~15Ω·cm；n+埋層擴(kuò)銻，R□BL=20Ω/□；n型外延層，ρ

epi=0.3~0.5Ω·cm,Tepi=7~9um；p型基區(qū)硼擴(kuò)散，R□-B=200Ω/口，XjC＝2.5~3um；n+發(fā)射區(qū)擴(kuò)磷，Xje＝1.5~2um，β≥20；采用pn結(jié)隔離、摻金工藝。(2)確定各元件的圖形和尺寸元件的圖形和尺寸是根據(jù)下列工藝條件和圖形設(shè)計(jì)規(guī)則來(lái)確定的。工藝條件：版圖設(shè)計(jì)規(guī)則：如表所示

多射極管T1是TTL電路的特點(diǎn)，也是比DTL電路速度快的關(guān)鍵之一。但多發(fā)射極管反向漏電流較大，對(duì)電路性能有一定影響，因此，T1管設(shè)計(jì)

根據(jù)上面給出的工藝條件和版圖設(shè)計(jì)規(guī)則，具體確定該電路中各元件的圖形和尺寸，使之滿(mǎn)足電路性能要求：①多發(fā)射極管T1的設(shè)計(jì)

根據(jù)前面的討論，采用“長(zhǎng)脖基區(qū)”結(jié)構(gòu)可以減小βR，其設(shè)計(jì)圖形尺寸如圖所示。當(dāng)然也可在T1管的bc結(jié)上加肖特基二極管來(lái)減小βR

。的重點(diǎn)是如何減小多射極管的反向增益βR。因?yàn)?0mA中有37mA為瞬態(tài)電流，另外12.8mA為脈沖電流，所以?xún)H從IC5max考慮，取LE5-eff=100um就足夠了。②輸出管T5的設(shè)計(jì)如取α=0.4mA／um，則T5管有效發(fā)射區(qū)周長(zhǎng)應(yīng)為：

T5是TTL電路的輸出管，在圖形設(shè)計(jì)上主要考慮兩個(gè)問(wèn)題：電流容量要大，集電極串聯(lián)電阻要小。此外還要兼顧減小基極串聯(lián)電阻和結(jié)面積。

流入T5管的最大瞬態(tài)電流為：

在滿(mǎn)足上述各項(xiàng)要求的基礎(chǔ)上，盡可能減小T5管的尺寸，以減小結(jié)電容CC5、Ce5和CS5，這可提高速度和成品率。減小集電極串聯(lián)電阻rCS是T5管圖形設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。由電路參數(shù)要求VOL≤0.4V，由VOL=Vces05+N0IILrcs5。一般采用雙集電極或雙發(fā)射極結(jié)構(gòu)。在瞬態(tài)過(guò)程中，rbb5直接影響到CC5、Ce5的充放電，因此需要減小rbb。以提高電路的速度。從圖形設(shè)計(jì)上看，要求LE較長(zhǎng)，發(fā)射區(qū)和基極孔的距離要小，可采用雙基極結(jié)構(gòu)。綜合上述分析，T5管的圖形尺寸如圖所示。由圖可算出：LE5eff＝200um，rcs5＝18Ω。

T2管是TTL電路高速的關(guān)鍵元件之一。從版圖設(shè)計(jì)考慮，主要是盡量減小T2管的面積，以提高fT和減小CC。通常采用最小面積晶體管，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則表，它的版圖如圖所示。③T2管的圖形設(shè)計(jì)至于電流容量，一般都可滿(mǎn)足要求。

T4管要通過(guò)瞬態(tài)大電流，但因是瞬態(tài)電流，對(duì)T4管大電流下的β值要求也不很?chē)?yán)格，因此單位發(fā)射區(qū)有效周長(zhǎng)允許流過(guò)的電流值也可放寬一些，以盡量減小T4管的尺寸。一般采用雙基極結(jié)構(gòu)，發(fā)射區(qū)有效周長(zhǎng)取T5管的一半左右。④T3和T4管的圖形設(shè)計(jì)

T3管的工作電流較小，約1.4mA，可采用最小面積晶體管。T3、T4管的圖形尺寸如圖所示。⑤T6網(wǎng)絡(luò)的圖形設(shè)計(jì)

T6管工作電流小，從電流容量(IE6=2mA)考慮，無(wú)特別要求，可采用最小面積晶體管。因Rb、Rc較小。為減小管芯面積，通常將T6網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，如圖所示。

由圖可見(jiàn)，Rb是T6管延伸基區(qū)的一部分，Rc則由基區(qū)擴(kuò)散電阻RC1和T6管集電極串聯(lián)電阻RC2兩部分構(gòu)成。Rb≈500Ω，RC1≈200Ω，RC2≈50Ω。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)放在一個(gè)隔離島內(nèi)，結(jié)構(gòu)很緊湊。(N+隱埋層：R□－BL＝20Ω/□。R□－B＝200Ω/□)下圖是T6網(wǎng)絡(luò)的另一種圖形結(jié)構(gòu)。⑥輸入箝位二極管目前一般采用隔離二極管，如圖所示，其n+埋層擴(kuò)散孔、n+磷擴(kuò)散孔和引線孔全部重合。由討論輸入箝位電壓VIK可知，要求輸入箝位二極管的串聯(lián)電阻RD越小越好，因此減小RD是設(shè)計(jì)輸入箝位二極管