2.3 集成电路原理

2.3.1 集成电路中的器件

组成集成电路的器件包括晶体管、二极管等有源器件，还包括电阻、电容等无源器件。按照导电类型我们可以把晶体管分为双极型晶体管（即三极管）和单极型晶体管（即MOS晶体管）。有源器件中，三极管我们已经比较熟悉，这里不再赘述，MOS器件已成为集成电路的主流，我们将重点介绍。

1.MOS晶体管器件

MOS晶体管即绝缘栅型场效应管，它是在硅晶体的表面制成的，它之所以能工作取决于在半导体与绝缘体之间存在的交界面。MOS三个英文字母分别代表金属、氧化物和半导体，这个缩写也描述了通常所制成的这类晶体管的基本结构。MOS器件按其导电极性分类，可以分为P沟道MOS晶体管（PMOS）和N沟道MOS晶体管（NMOS）两类。另外，从MOS器件沟道形成的机理来分，又可分为增强型和耗尽型两种。

下面以N沟道增强型晶体管为例讨论和分析MOS晶体管的结构和工作原理。N沟道增强型晶体管结构如图2-36所示。

它以一块低掺杂的P型硅片为衬底，利用扩散工艺制作两个高掺杂的N+区，并引出两个电极，分别为源极S和漏极D，半导体之上制作一层SiO2绝缘层，在SiO2之上制作一层金属铝或者多晶硅，引出电极，作为栅极G。衬底一般也引出一个电极，所以它属于四端器件。

如图2-37所示是4种基本类型MOS器件的电路符号。如图2-37（a）所示为增强型NMOS管，如图2-37（b）所示为耗尽型NMOS管，如图2-37（c）所示为增强型PMOS管，如图2-37（d）所示为耗尽型PMOS管。

2.无源器件

MOS管和双极晶体管是构成集成电路最主要的器件，但是，要组成一个完整的电路，电阻、电容、二极管和互连线等也是必不可少的。集成电路中常见的无源器件是电阻和电容，它们的制作工艺与MOS管和NPN管兼容。

2.3.2 MOS模拟集成电路

集成电路可分为MOS模拟电路和双极型模拟电路，它们都由一些基本单元电路构成。与双极型晶体管相比，MOS管具有低功耗和高输入阻抗等优点，MOS模拟电路已超过双极型工艺电路，成为当今模拟集成电路的主要发展方向之一，特别是CMOS的数字模拟兼容的电路，在通信设备中应用越来越广泛。与双极型模拟电路一样，MOS管组成的单元电路基本有以下几种类型；即输入差动放大级、中间增益级、输出级和偏置电路组成。下面我们分别介绍。

1.MOS电流源电路

在模拟集成电路的设计中，已经广泛地使用镜像电流源做有源负载和恒流源偏置。在偏置电路中使用镜像电流源能使电路在温度和电源电压变化时保持很好的稳定性。镜像电流源在截止区所提供的偏置电流要比一般的电阻更加精确，特别是在所需的电流非常小的时候。如图2-38所示是由MOS管构成的电流源电路。

2.MOS单级放大电路

（1）无源负载共源放大器。如图2-39所示为N沟道MOS管共源放大电路，当Vi=0时，管子M截止，iD=0，Vo=VDD；当Vi增大超过管子的阈值电压VGS（th）时产生漏电流iD，输出电压Vo=VDD-RD iD，随着输入电压的增大，输出电压相继减小。

（2）有源负载单级放大器。在MOS工艺中，如用无源电阻作放大器的负载元件，所占用的晶片面积是很大的。因此，常用各种类型的MOS晶体管来替代无源负载元件。下面将介绍用MOS晶体管做负载的单级放大器。

在MOS模拟集成电路中，中间增益级大都为有源负载的共源电路。它们的形式有：以NMOS增强型（E型）管为放大管和有源负载的E/E型MOS放大器，如图2-40所示；以NMOS增强型管为放大管，以耗尽型（D型）管为有源负载的E/D型MOS放大器，如图2-41所示。

3.CMOS放大电路

如图2-42所示为CMOS放大电路。

4.MOS差动放大器

MOS差动放大器也有E/E型、E/D型和CMOS型。如图2-43所示为CMOS型差动放大电路。

5.MOS输出级电路

MOS输出级电路有以源极输出器构成的互补输出形式，也有以其共源电路构成的互补输出形式。

如图2-44所示为以源极输出器构成的互补输出级。其中，M1 和M2 组成互补输出，M5和M4为M1和M2的偏置电路，M3是NMOS，为放大管；M6是PMOS，为M3管的有源负载，组成CMOS推动级。此电路的主要缺点是输出级的电压幅度不够大。

如图2-45所示是共源CMOS输出级电路，M1 和M2 构成互补输出，M3 是源极输出器，M4是M3的有源负载。共源CMOS输出级具有几十分贝的电压增益，但输出电阻较大。

6.集成运算放大器

运算放大器是电子系统的通用基本功能块，它能用来处理各种模拟信号，完成放大、振荡、调制和解调以及模拟信号的相除、相乘、相减和比较等功能，而且还广泛用于脉冲电路，是目前应用最广的模拟电路。

集成运算放大器是用半导体集成工艺，将运算放大器中的电阻、电容、晶体管或场效应管等元器件制作在同一块硅片上，集合而成完整的放大电路，简称集成运放。集成运放与分立元件运放相比，不但体积小，质量轻，而且性能好，故障率低，因为在同一块芯片上集成的元器件参数更具一致性、对称性，电路的焊接、封装更安全，更可靠，使用更加方便。

集成运放的一般组成如图2-46所示，主要由输入级、中间增益级、输出级和各级的偏置电路四部分组成。此外，还有如过载保护电路、高频补偿电路等辅助电路。

2.3.3 数字集成电路

在很多情况下，完成同样的功能，数字电路同模拟电路相比，速度更快、精度更高、工作更稳定、抗干扰能力更强、实现更容易、操作更简单、体积更小、价格更低，信息的处理、存储、故障检测与校正更加方便等优点。

CMOS电路是NMOS电路（N沟道增强型场效应管构成的集成电路）和PMOS电路（P沟道增强型场效应管构成的集成电路）所构成的互补电路。CMOS数字电路的基本构成器件是开关管和反相器，由反相器扩展成各种基本逻辑门，再由基本门组成各种逻辑电路和时序逻辑电路。

1.CMOS非门

CMOS非门也叫CMOS反相器，由N沟通增强型场效应管M1 和P沟道增强型场效应管M2组成，如图2-47所示。M1和M2的栅极并接在一起，M2 的源极接电源VDD。当输入端A为低电平（0V）时，M1管截止；M2 管的源极接VDD，栅极接低电平，其|VGS|大于PMOS管的开启电压VGS（th），故M2管导通，输出Y为高电平。当输入为高电平（VDD）时，M1管的VGS大于NMOS管的开启电压VGS（th），故M1 导通，而M2 管因为栅极和源极同为高电平而截止，所以输出为低电平，即

2.CMOS与非门

CMOS与非门电路如图2-48所示。A、B当中有一个或全为低电平0时，M3、M4 中有一个或全部截止，M1、M2中有一个或全部导通，输出Y为高电平1。只有当输入A、B全为高电平1时，M3和M4才会都导通，M1和M2 才会都截止，输出Y才会为低电平0。所以，输入-输出之间为与非逻辑关系，即

3.CMOS与门

由逻辑关系

可知，CMOS与门可以由CMOS与非门和非门构成，在CMOS与非门电路后加一级非门就构成了CMOS与门电路。其逻辑电路图如图2-49所示。

4.CMOS或非门

CMOS或非门电路如图2-50所示。只要输入A、B当中有一个或全为高电平1，M1、M2中有一个或全部截止，M3、M4中有一个或全部导通，输出Y为低电平0。只有当A、B全为低电平0时，M1和M2才会都导通，M3 和M4 才会都截止，输出Y才会为高电平1。所以，输入-输出之间为或非逻辑关系，即

集成电路版图设计的过程就是根据设计要求，将上面所说的基本电路或其组合电路组合在一起，转换成掩模板图。制成板图后，就可以用它来制造加工集成电路了。