第 6 章半导体集成电路

第6章半导体集成电路 6.1 概述 6.1.1 半导体集成电路的概念 1．集成电路的定义集成电路是将电阻、电容、二极管、三极管经过半导体工艺或薄、厚膜工艺制作在同一硅片上，并按某种电路形式互连起来，制成具有一定功能的电路。 2．集成电路的特点同分立元器件相比，集成电路具有体积小，重量轻，功耗低，性能好，可靠性高，成本低等特点，是目前电子产品和设备小型、便携式所必需的。

6.1.2 集成电路的分类 集成电路种类繁多，品种各异，可按不同方式进行分类。 1．按照制造工艺分类 集成电路按其制造工艺可分为半导体集成电路，薄膜集成电路，厚膜集成电路和混合集成电路。

用平面工艺（氧化、光刻、扩散、外延）在半导体晶片上制成的集成电路称为半导体集成电路，也称为单片集成电路。用平面工艺（氧化、光刻、扩散、外延）在半导体晶片上制成的集成电路称为半导体集成电路，也称为单片集成电路。用薄膜工艺（真空蒸发、溅射）将电阻、电容等无源元件及相互连线制作在同一块绝缘衬底上，再焊接上晶体管管芯，使其具有一定功能的电路，称为薄膜集成电路。用厚膜工艺（丝网印刷、烧结）将电阻、电容等无源元件及相互连线制作在同一块绝缘衬底上，再焊接上晶体管管芯，使其具有一定功能的电路，称为厚膜集成电路。

2．按照有源器件分类 集成电路按有源器件可分为双极型集成电路、MOS型集成电路和双极-MOS（BIMOS）型集成电路等。双极型集成电路是在半导体基片（硅或锗材料）上，利用双极型晶体管构成的集成电路，其内部工作时由空穴和自由电子两种载流子进行导电。 MOS型集成电路只有空穴或自由电子一种载流子导电。它又可分为NMOS型集成电路、PMOS型集成电路和CMOS型集成电路三种。 NMOS型集成电路是由N沟道的MOS器件构成。 PMOS型集成电路是由P沟道的MOS器件构成。

CMOS型集成电路则是指由N沟道和P沟道MOS器件构成的互补形式的电路。CMOS型集成电路则是指由N沟道和P沟道MOS器件构成的互补形式的电路。双极型-MOS型集成电路（BIMOS）是双极型晶体管和MOS电路混合构成的集成电路。一般前者作为输出级，后者作为输入级。双极型电路驱动能力强，但功耗较大，MOS电路则相反，双极型-MOS型集成电路兼有二者的优点。

3．按照集成度分类 集成电路按其集成度可分为小规模集成电路，中规模集成电路，大规模集成电路，超大规模集成电路和极大规模集成电路 2004年Inter公司CPU集成度 1亿2500万 /112mm2 =111.6万/mm2

4．按照应用领域分类 集成电路按照应用领域可分为军用品、民用品（又称商用）和工业用品三大类。由于军用品主要用在军事、航空、航天等领域，使用环境恶劣，装置密度高，对集成电路的可靠性要求极高，对价格的要求不太苛求。由于民用品主要用在人们的日常生活中，使用条件较好，只要能够满足一定的性能指标要求即可。但对价格要求较高，最大限度地追求高的性能价格比。这是产品能否占领市场的重要条件之一。工业用品介于二者之间。

5．按照功能分类 集成电路按功能的分类。半导体集成电路模拟电路数字电路接口电路特殊电路 TTL电路 HTL电路 ECL电路 CMOS电路存储器微型机电路运算放大器稳压器音响电路电视电路电平转换器电压比较器线驱动接收器外围驱动器通信电路机电仪电路消费类电路传感器非线性电路

6.1.3 集成电路的封装及引脚识别 1．集成电路的封装常用集成电路的封装材料有金属、陶瓷、塑料三种。（1）金属封装金属封装散热性能好，可靠性高，但安装和使用不方便，成本高。一般高精度集成电路或大功率集成电路均以此形式封装。根据国标规定，金属封装有金属园形和菱形两种。

1．集成电路的封装 （2）陶瓷封装陶瓷封装散热性差，但体积小，成本低。一般分扁平型和双列直插两种。 （3）塑料封装塑料封装工艺简单，成本低，但散热性能较差。应用最广，适用于小功率器件，分扁平和双列直插两种。中功率器件有时也采用塑料封装，但为了限制温升，有利散热，通常都在塑料封装的同时加装金属板，以利于固定散热片。

2．封装外形及引脚识别 封装形式最多的是圆顶形、扁平形及双列直插形。圆顶形金属壳封装多为8脚，10脚，12脚。菱形金属壳封装多为3脚，4脚。扁平形陶瓷封装多为14脚，16脚。单列直插式塑料封装多为9脚，10脚，12脚，14脚，16脚。双列直插式陶瓷封装多为8脚，12脚，14脚，16脚，24脚。双列直插式塑料封装多为8脚，12脚，14脚，16脚，24脚，42脚，48脚。集成电路的引出脚数目虽然很多，但引出脚的排列顺序具有一定的规律。在使用集成电路时，可按排列规律正确识别集成电路的引出脚。

（1）圆顶封装的集成电路 对于圆顶封装的集成电路（一般为圆形和菱形金属外壳封装），在识别引脚时，应先将集成电路的引出脚朝上，找出其标记。常见的定位标记有锁口突耳、定位孔及引脚不均匀排列等。引出脚的顺序由定位标记对应的引脚开始，按顺时针方向依次数为引脚①，②，③，④ ……。

（2）单列直插式集成电路 单列直插式集成电路，识别其引脚时应使引脚向下，面对型号或定位标记，自定位标记对应一侧的第一只引脚数起，依次为①，②，③，④……。此类集成电路上的定位标记一般为色点、凹坑、小孔、线条、色带、缺角等。

有些厂家生产的集成电路，本是同一种芯片，为了便于在印制电路板上灵活安装，其引脚排列顺序对称相反。一种按常规排列，即由左向右，另一种则由右向左。对此类集成电路若封装上有识别标记，可按上述规律分清其近脚顺序。但也有少数器件上没有引脚识别标记，这时应从其型号上加以区别。若其型号后缀中有一字母R，则表明其引脚顺序为从右到左反向排列。有些厂家生产的集成电路，本是同一种芯片，为了便于在印制电路板上灵活安装，其引脚排列顺序对称相反。一种按常规排列，即由左向右，另一种则由右向左。对此类集成电路若封装上有识别标记，可按上述规律分清其近脚顺序。但也有少数器件上没有引脚识别标记，这时应从其型号上加以区别。若其型号后缀中有一字母R，则表明其引脚顺序为从右到左反向排列。还有个别集成电路，设计时尾部引出脚为非等距排列，作为标记。可按此特点来识别引脚顺序。

3）双列直插式集成电路 双列直插式集成电路，识别其引脚时，若引脚向下，即其型号、商标向上，定位标记在左边，则从左下角第1只引脚开始，按逆时针方向，依次为①、②、③、④……。若引脚朝上，即其型号、商标朝下，定位标志位于左边，则应从左上角第1只引脚开始，按顺时针方向，依次为 ①、②、③、④……。另外，也有个别型号的集成电路引脚，在其对应位置上有缺角（即无此输出脚），对这种型号的集成电路，其引脚编号顺序不受影响。

3）双列直插式集成电路 对于某些软封装类的集成电路，其引脚直接与印刷电路相结合。对于四列扁平封装的微处理器集成电路。

6.2 半导体集成电路型号命名 一、中国半导体集成电路型号命名中国半导体集成电路型号命名方法由国家标准《半导体集成电路型号命名方法》（GB3430-89）规定。该标准于1990年4月1日开始实施，取代了原国家标准（GB3430-82）和四机部标准（SJ611-77）。

一、中国半导体集成电路型号命名 根据国家标准规定，集成电路由五部分组成第0部分：用字母C表示器件符合国家标准第一部分：用字母表示器件类型，第二部分：用阿拉伯数字和字符表示器件的系列和品种代号第三部分：用字母表示器件的工作温度范围，第四部分：用字母表示器件封装形式，

6.3 各类集成电路的性能比较 6.3.1 TTL集成电路 TTL集成电路的全名称是晶体管—晶体管逻辑集成电路。它由NPN或PNP型晶体管组成。

1．TTL集成电路的分类 （1）国际通用标准TTL集成电路的分类 54/74系列TTL数字逻辑集成电路一般分为六大类： 54／74XX：标准TTL电路系列 54／74SXX：肖特基TLL电路系列 54／74HXX：高速TTL电路系列 54／74LSXX：低功耗肖特基TTL电路系列 54／74ASXX：先进肖特基TTL电路系列 54／74ALSXX：先进低功耗肖特基TTL电路系列

（2）国产TTL电路分类 T1000：标准系列，相当于国际54／75系列 T2000：高速系列，相当于国际54／74H高速系列 T3000：肖特基系列，相当于国际54／74S肖特基系列 T4000：低功耗肖特基系列，相当于国际54／74LS低功耗肖特基系列 T000可分为T000中速系列和T000高速系列 T000中速系列的性能类同于T1000系列 T000高速系列的性能类同于T2000系列

6.3.2 CMOS集成电路 CMOS集成电路于1968发展成商品化产品。CMOS集成电路是互补对称金属氧化物半导体,其基本逻辑单元由增强型PMOS晶体管和增强型NMOS晶体管按互补对称形式连接而成，静态功耗很小。

CMOS与非门 T2 T1 T3 B T4 A VDD Y A B T1 T2 T3 T4 Y 0 0 导通导通截止截止 1 0 1 导通截止导通截止 1 1 0 截止导通截止导通 1 1 1 截止截止导通导通 0

3．CMOS集成电路的特点 （1）微功耗 CMOS集成电路的静态功耗极小，如电源电压VDD=5V时的静态功耗，各种门电路品种小于2.5~5μW，缓冲器和触发器类小于5~20μW，中规模集成电路小于25~100μW。 （2）工作电压范围宽国产CMOS集成电路按工作电压范围分为两个系列，即3~18V的CC4000系列和7~15V的C000系列。（3）抗干扰能力强抗干扰能力又称为噪声容限。当CMOS电路工作电压提高到10V时，其噪声容限在数字逻辑电路中是最高的。

（4）输出逻辑摆幅大 CMOS电路输出逻辑摆幅近似为电源电压。（5）输入阻抗高 CMOS电路的输入阻抗大于108Ω，一般为1010Ω。（6）扇出能力强扇出能力是用电路输出端所能带动的输入端数目来表示的，CMOS电路的输入和输出阻抗相差很大，其扇出能力大于50。（7）输入电容小 CMOS电路的输入电容不大于5pF。

6.3.3 ECL集成电路 1．ECL集成电路的概念 ECL集成电路为发射极耦合逻辑集成电路，是一种非饱和型数字逻辑电路。它是各种逻辑电路中速度最快的电路形式。

2．ECL集成电路的特点 （1）速度快 ECL基本门电路的典型传输延迟时间为ns数量级，其触发器和计数器的工作频率也在1GHz的范围。（2）逻辑功能强 ECL电路能消除一般逻辑电路中为产生互补逻辑功能而设置的反相器所增加的时间延迟，提高了系统的速度。（3）扇出能力强 ECL电路的输入阻抗高（约10kΩ），输出阻抗低（约7Ω），故扇出能力强。（4）噪声低，便于数据传输

3．ECL集成电路的应用 ECL集成电路在高速信息系统中应用广泛。

6.3.4 三种集成电路的性能比较 TTL、CMOS、ECL等各种集成电路的性能比较见表。

6.3.5 集成电路的使用注意及代换 1．集成电路的使用注意集成电路是一种结构复杂，功能多，体积小，价格贵，安装与拆卸比较麻烦，而且容易损坏的电子器件。因此，在选购和使用过程中，一定要按照要求仔细操作，切莫造成不必要的损失。

（1）TTL集成电路的使用注意 ① TTL电路的输出端不允许直接接地或直接接电源，否则，易烧坏集成电路。 ② TTL电路对电源电压要求严格，要求使用稳定性好的直流稳压电源，且电源电压的允许偏差小于10%。 ③ TTL电路内部体积小，元件密度高。使用时，各参数尽量不要超过其额定值。

④ TTL电路多余的输入端悬空时，相当于逻辑“1”状态，但为了逻辑功能稳定可靠，与门和与非门的多余输入端最好接到电源上或并联使用。不用的电路输出端则应悬空。如果将其接电源或接地，集成电路将损坏。

（2）CMOS集成电路的使用注意 ① CMOS电路对电源电压要求不严格，但正负极决不允许接反。否则，极易造成损坏。 ② CMOS电路的输出端不允许直接接电源电压。 ③ CMOS电路的输入端不允许悬空，可按其功能接电源或并联使用。 ④ CMOS电路同其他电路连接时，要注意电平转换和驱动能力的问题。 ⑤ CMOS电路在存储、运输时，要注意防静电对集成电路的影响。 ⑥ CMOS电路电流负载能力低，容抗负载对其工作速度影响很大。

2．集成电路的代换 集成电路的系列多达几十甚至几百多种，其型号更是不可胜数。在这品种繁多的集成电路中，既有不同厂家自行设计生产的同一功能的集成电路，也有仿制产品及组装产品，还有改进型产品等。因此，集成电路的代换异常复杂。

6.4 555时基电路 6.4.1 555时基电路的概念 555时基电路是由美国SiGnetics公司于1972年推出并投放市场，其目的是为了取代体积大、定时精度差的热延迟继电器等机械式延迟器。但555时基电路在人们使用过程中，用途不断得到开发，被大量用于工业控制、仪器仪表等领域，取得了大大超出原设计思想的应用成果。555时基电路得到广泛应用。

1．555的含义 一般的集成电路型号中的数字仅是一种编号，可是555时基电路的三个5却有具体的含义，它们代表基准电压电路是由三个5kΩ电阻组成，且要求它们严格相等。

2．555时基电路的特点 （1）555时基电路在电路结构上是由模拟电路和数字电路组合而成。它将模拟功能与逻辑功能兼容为一体，能够产生精确的时间延迟和振荡，拓宽了模拟集成电路的应用范围。（2）555时基电路采用了单电源供电。双极型555的电压范围为4.5V~15V，CMOS555的电压范围为3V~18V。这样，它就可以和模拟运算放大器和TTL或CMOS数字电路共用一个电源。

（3）555时基电路可独立构成一个定时器，且定时精度高。（3）555时基电路可独立构成一个定时器，且定时精度高。（4）555时基电路的最大输出电流达200mA，带负载能力强，可直接驱动小电机、喇叭、继电器等负载。

6.4.2 555时基电路的封装 555时基电路的封装外形一般有两种形式，一种是8脚园形TO-99型。另一种是8脚双列直插DIP-8式。556双时基集成块内含两个相同的时基电路，称为双555，基封装形式为双列直插14脚，即DIP-14式。

555时基电路，管脚功能： 1脚为电源负端（地端）和公共端（VSS或GND）。在通常情况下与地相连，该端的电位应比其它管脚的电位都低。 2脚为触发端或称置位端（S）。当该端电压低于VDD/3时，可使触发器处于置位状态，即输出端处于逻辑“1”电平。该端允许外加电压范围为0~VDD。 3脚为输出端（VO），电路连接负载端。通常该脚为低电平“0”，在定时期间为高电平“1”。

555时基电路，管脚功能： 4脚为复位端（MR）。当该端外加电压低于0.4V，即为逻辑“0”电平时，定时过程中断。不论R、S端处于何种电平，电路均处于复位状态，即输出为低电平“0”。该端允许外加电压范围为0~VDD。不用时，应与VDD相连。 5脚为控制电压端（Vc）。该端与2VDD/3分压点相连，若在此端加入外部电压，可改变集成电路内部两个比较器的比较基准电压，从而控制电路的翻转门限，以改变产生脉冲宽度或频率。当不用时，应将该端接一只0.01μF的电容器到地。

555时基电路，管脚功能： 6脚为阀值电压端（R）。其阀值电平为2VDD/3时，即当该端电压大于2VDD/3时，可使触发器复位，即输出端处于逻辑“0”电平。该端允许外加电压范围为0~VDD。 7脚为放电端（DIS）。该端与放电管相连，放电管为发射极接地开关控制器，用作定时电容的放电。 8脚为电源正端（VDD）。双极型555外接4.5~15V，CMOS型可外接3~18V电源，一般来说，电路的定时精度受电源电压的影响极小。

6.4.3 555时基电路的工作原理 555时基电路的原理框图，555电路内含两个比较器A1和A2、一个触发器、一个驱动器和一个放电晶体管。两个比较器分别被电阻R1、R2、R3构成的分压器设定的2VDD/3、VDD/3参考电压所限定。电源 8 阈值 6 4 强制复位 - + 控制 5 - + 3 输出触发 2 放电 7 地 1

6.4.4 555时基电路的主要参数 双极型555时基电路和CMOS555时基电路由于其生产工艺不同，故其电性能、参数指标有较大差别。

6.4.5 双极型和CMOS型555时基电路的性能比较 1．双极型和CMOS型555时基电路的共同点（1）双极型和CMOS型555时基电路的功能大体相同，外形和管脚排列一致，大多数场合下可直接进行替换。（2）二者均使用单一电源，适应电压范围大，可与TTL、HTL、CMOS型数字逻辑电路等共用电源。

（3）555时基电路输出的为全电源电平，可与TTL、CMOS型等电路直接接口。（3）555时基电路输出的为全电源电平，可与TTL、CMOS型等电路直接接口。（4）电源电压变化时对振荡频率和定时精度的影响小，对定时精度的影响仅为0.05％V，且温度稳定性好，温度漂移不高于50ppm/℃（即0.005％/℃）。

2．双极型和CMOS型555时基电路的不同点 （1）CMOS型555时基电路的功耗仅为双极型的几十分之一，静态电流仅为300μA，为微功耗电路。（2）CMOS型555时基电路的电源电压可低至2~3V，各输入功能端电流均为pA（微微安）级。（3）CMOS型555时基电路的输出脉冲上升沿和下降沿比双极型的要陡峭，转换时间要短。

（4）CMOS型555时基电路在传输过渡时间里产生的尖峰电流小，仅2~3mA，而双极型555时基电路的尖峰电流高达300~400mA。（4）CMOS型555时基电路在传输过渡时间里产生的尖峰电流小，仅2~3mA，而双极型555时基电路的尖峰电流高达300~400mA。（5）CMOS型555时基电路的输入阻抗比双极型555时基电路的输入阻抗要高出几个数量级，高达1010Ω。（6）CMOS型555时基电路的驱动能力差，输出电流仅为1~3mA，而双极型的输出驱动电流可达200mA。

6.4.6 555时基电路的应用 555时基电路大量应用于电子控制、电子检测、仪器仪表、家用电器、音响报警、电子玩具等诸多方面。可用作振荡器、脉冲发生器、延时发生器、定时器、方波发生器、单稳态触发振荡器、双稳态多谐振荡器、自由多谐振荡器、锯齿波产生器、脉宽调制器、脉位调制器等许多资料都进行了详细介绍。

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