Микросхемотехника

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 1929 

Кафедра полупроводниковой электроники и физики 
полупроводников 

 
 
 

Микросхемотехника

Курс лекций 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2011 

УДК 621.382.049.47 
 
М59 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. Г.В. Кузнецов 

Микросхемотехника: Курс лекций / В.Н. Мурашев, С.А. Леготин,  
М59  
М.Н. Орлова, А.Л. Мельников. – М.: Изд. Дом МИСиС, 
2011. – 220 с. 
ISBN 978-5-87623-334-9 

В курсе лекций приведен ретроспективный обзор основных электронных 
схем и устройств микроэлектроники. Представлено описание функционирования, методов анализа и синтеза наиболее важных устройств (логических и 
аналоговых интегральных схем, устройств памяти и т.д.). Значительное внимание уделено методам расчета и проектирования сверхбольших интегральных схем (СБИС), а также анализу  их статических и динамических характеристик. 
Приведено большое количество примеров конструкций и топологии  
(К-МОП и БИ-КМОП) элементной базы современных СБИС. 
Курс лекций предназначен для студентов, обучающихся по направлению 
210100 «Электроника и микроэлектроника» и специальности 210104 «Микроэлектроника и твердотельная электроника». 

УДК 621.382.049.47 

ISBN 978-5-87623-334-9 
© В.Н. Мурашев, 
С.А. Леготин, 
М.Н. Орлова, 
А.Л. Мельников, 2011 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Условные обозначения......................................................................................... 5 
1. Сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) и их компоненты.................. 6 
1.1. Тенденции развития СБИС ...................................................................... 6 
1.2. Классификация интегральных схем........................................................ 7 
1.3. Процент выхода годных изделий.  Стоимость СБИС ......................... 11 
2. Аналоговые интегральные схемы (АИС)..................................................... 16 
2.1. Входное и выходное сопротивления. Шумы........................................ 16 
2.2. Базовые элементы СБИС........................................................................ 34 
2.3. Базовые элементы и их характеристики ............................................... 35 
2.4. Основные усилительные каскады АИС на биполярных и полевых 
транзисторах ................................................................................................... 46 
2.5. Коэффициент усиления .......................................................................... 49 
2.6. Вольт-амперная характеристика............................................................ 50 
2.7. Сопротивление базы транзистора.......................................................... 53 
2.8. Отрицательная обратная связь в схеме с общим эмиттером (ОЭ)..... 55 
2.9. Эмиттерный повторитель....................................................................... 61 
2.10. Дифференциальный усилитель............................................................ 63 
2.11. Зеркало тока и его использование в интегральных схемах. 
Электронная батарейка. Каскады уровня и выходные каскады АИС ...... 66 
2.12. Комплементарный каскод .................................................................... 73 
2.13. Эмиттерный повторитель (ЭП)  выходного каскада ......................... 75 
2.14. Идеальный операционный усилитель (ОУ).  
Макромоделирование ОУ. Аппаратурное применение ............................. 78 
2.15. Цепи на основе неинвертирующего включения ОУ ......................... 80 
2.16. Фильтры идеальный и активный......................................................... 85 
2.17. Основные элементы цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) 
и аналого-цифровых преобразователей (АЦП)........................................... 96 
3. Логические элементы на биполярных транзисторных структурах......... 102 
3.1. Функции, выполняемые логическими элементами ........................... 102 
3.2. Статические и динамические параметры логических элементов.  
Связь быстродействия и потребляемой мощности от источников  
питания. Импульсные сигналы и постоянные времени............................... 104 
3.3. Постоянная времени цепи с развязывающим конденсатором.......... 116 
3.4. Дифференцирование и интегрирование ............................................. 117 
3.5. Работа биполярного транзистора в качестве ключа. 
Статистические параметры и характеристики ключей ............................ 124 
3.6. Передаточные характеристики ключа. Логические уровни  
и помехоустойчивость ................................................................................. 125 
3.7. Устройство и работа базового транзисторно-транзисторного 
логического элемента (ТТЛ ЛЭ). Схемотехническая реализация 
логических функций .................................................................................... 132 

3.8. Передаточные характеристики и помехоустойчивость ТТЛ 
элементов. Разновидности ТТЛ элементов. Быстродействующие 
элементы с диодами Шоттки.......................................................................138 
3.9. Входная характеристика основного ТТЛ ЛЭ......................................142 
3.10. Логические элементы на переключателях тока................................144 
3.11. Передаточные характеристики...........................................................148 
3.12. Увеличение логического перепада. Схема Дарлингтона.................151 
4. Базовые логические элементы на МДП- и КМДП-транзисторных 
структурах..........................................................................................................153 
4.1. Расчет статистических параметров и характеристик.  
Использование  МДП-транзистора в качестве управляемого  
нагрузочного резистора................................................................................153 
4.2. Выходные характеристики.  Омический участок...............................156 
4.3. Потребляемая мощность  МОП- и КМОП-инверторов.  
Динамические характеристики МОП- и КМОП-инверторов...................159 
4.4. Схемотехническая реализация логических функций И-НЕ  
и ИЛИ-НЕ ......................................................................................................165 
4.5. Управляющие вентили. Статические характеристики вентилей 
передачи.........................................................................................................169 
4.6. Базовые управляющие схемы...............................................................173 
4.7. Динамические вентили..........................................................................175 
5. Логические схемы .........................................................................................178 
5.1. Полусумматоры и сумматоры ..............................................................178 
5.2. Триггеры .................................................................................................182 
5.2.1. Синхронный RS-триггер ................................................................185 
5.2.2. D-триггер.........................................................................................186 
5.2.3. JK-триггер .......................................................................................187 
5.2.4. Двухтактный триггер и триггер  с динамическим входом.........188 
5.3. Регистры для хранения данных............................................................191 
5.4. Регистр сдвига........................................................................................193 
5.5. Дешифраторы и индикаторы ................................................................195 
5.6. Семисегментные индикаторы и дешифраторы...................................199 
5.7. Мультиплексоры данных ......................................................................202 
5.8. Логические матрицы..............................................................................205 
5.9. Программируемые логические устройства.........................................206 
6. Запоминающие устройства...........................................................................208 
6.1. Классификация СБИС памяти..............................................................208 
6.2. Статические запоминающие устройства с произвольной  
выборкой (ЗУПВ)..........................................................................................210 
6.3. Динамические ЗУПВ .............................................................................212 
6.4. Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ)..................................216 
Библиографический список..............................................................................219 

Условные обозначения 

Ic, ic – ток коллектора 
Ib, ib – ток базы 
Ibs – ток насыщения базы 
Ics – ток насыщения коллектора 
Rc, rc – сопротивление коллектора 
Rs – сопротивление источника 
Ub – напряжение на базе 
Uf – напряжение на переходе база–эмиттер 
Uc – напряжение на коллекторе 
Ucc, U0 – напряжение источника питания 
Ubb – напряжение смещения 
Ut – тепловое напряжение 
Ui, ui – входное переменное напряжение 
UEarly – напряжение Эрли 
Uouttrue – напряжение логической единицы 
Uoutfalse – напряжение логического нуля 
Uek – напряжение эмиттер–коллектор 
Upp – напряжение нагрузки 

1. СВЕРХБОЛЬШИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ 
СХЕМЫ (СБИС) И ИХ КОМПОНЕНТЫ 

1.1. Тенденции развития СБИС 

Ранее электронная промышленность представляла собой отрасль 
техники, целиком основанную на операциях сборки и позволяющую 
реализовать весьма сложные функции путем объединения множества 
элементов в одном изделии. При этом значительная часть прироста 
стоимости изделий электронной промышленности была связана с 
процессом сборки. Основными этапами этого процесса являлись этапы проектирования, выполнения и проверки соединений между электронными компонентами. Функции и размеры устройств, которые 
могли быть реализованы на практике, ограничивались количеством 
используемых компонентов, их физическими размерами и надежностью. Ранее при проектировании сложных систем и блоков использовали ЭВМ и соответственно методы машинного проектирования. 
Для оценки развития микроэлектроники в последовательности от 
ИС (интегральная схема) к БИС (большая интегральная схема), 
включающих до 10000 элементов в кристалле, и далее к СБИС, 
включающих до 1 миллиона элементов в кристалле, разработаны некоторые теоретические положения, позволяющие осмыслить этот 
процесс с различных точек зрения. Исторически сложилось так, что 
первоначально внимание к ИС привлекли такие их особенности, как 
малые размеры и масса, а затем развитие техники ИС, позволяющей 
скомпоновать на поверхности кристалла значительное количество 
элементов, включая межсоединения, постепенно привело к возможности создания БИС, т.е. стало возможным не только «повышение 
экономичности» электронных схем, но и «улучшение их характеристик» и «повышение надежности». 
Развитие техники ИС обусловливает весьма существенные изменения в специфике электронной промышленности. Появление изделий, содержащих также и готовые межсоединения, привело к изменению стоимости производства за счет использования новых средств 
аппаратного обеспечения, а также к сдвигу линии раздела между 
уровнем компонентов и уровнем систем. Кроме того, оно открыло 
путь для «экономичной» реализации более сложных устройств с 
наиболее эффективными характеристиками. 

В связи с этим особое внимание привлекает скорость, с которой 
происходит научно-техническая революция в области БИС и которая 
характеризуется законом Мура. Все эффекты, обусловленные появлением БИС, оказывают настолько большое влияние, что даже сравнительно большие капиталовложения в научно-исследовательские 
работы (по отношению к производственным задачам) вполне окупаются. Кроме того, резко возрос объем производства ИС в связи с 
увеличением уровня спроса, сопровождающим научно-техническую 
революцию. 
В качестве факторов, обусловливающих научно-техническую революцию, можно назвать совершенствование технологии процесса 
изготовления ИС и совершенствование методов их проектирования. 
Типичным фактором первой группы является совершенствование 
микротехнологии. Уменьшение размеров полупроводниковых приборов позволяет одновременно добиться как улучшения характеристик ИС, формально определяемых законом пропорциональности 
размеров, так и улучшения их экономических показателей, связанных с уменьшением площади кристалла. 
Типичным фактором второй группы являются методы машинного 
проектирования. С ростом уровня интеграции проектирование БИС 
становится неразрывно связанным или даже равнозначным проектированию систем. Другими словами, машинное проектирование, применявшееся ранее на уровне систем, используется теперь на уровне 
кристаллов. Вместе с тем при проектировании СБИС требуются более совершенные методы машинного проектирования, чем при проектировании систем. В настоящее время процесс создания СБИС без 
использования этих методов не представляется возможным. 

1.2. Классификация интегральных схем 

В зависимости от функционального назначения СБИС делятся на 
аналоговые и цифровые. К аналоговым СБИС относятся, в частности, 
аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, к цифровым – логические схемы и запоминающие устройства (ЗУ). В реальных СБИС во многих случаях используются комбинации указанных 
устройств, вследствие чего разделение СБИС на основе данной классификации невозможно. 
В аналоговых микросхемах входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания. 

В цифровых микросхемах входные и выходные сигналы могут 
иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определенный диапазон напряжения. 
Например, для микросхем ТТЛ при питании +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В 
соответствует логической единице. Для микросхем ЭСЛ-логики при 
питании −5,2 В: логическая единица – это −0,8…−1,03 В, а логический ноль – это −1,6…−1,75 В. 
Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов. По мере развития технологий 
такие микросхемы получают все большее распространение. 
Основная масса СБИС предназначена для обработки цифровых, а 
не аналоговых сигналов. Это обстоятельство обусловлено тем, что 
СБИС более пригодны для обработки именно цифровых сигналов. 
Хотя для обработки цифрового сигнала требуются большее количество функциональных узлов и более широкая полоса пропускания 
сигнала, чем в случае аналогового сигнала, цифровые схемы обладают рядом преимуществ, к числу которых относятся: 
– возможность построения схемы на однотипных устройствах; 
– возможность создания схем с универсальными функциями; 
– простота запоминания сигнала и т.п. 
В случае аналоговых сигналов, напротив, схему приходится строить в соответствии с требуемыми от нее функциями и видом обрабатываемого сигнала. 
Такие признаки СБИС, как характерная для них ориентация на 
массовое производство, возможность размещения множества элементов на одном кристалле при хороших экономических показателях, использование универсальных функций за счет органической 
связи со средствами программного обеспечения, типичной, например, для микропроцессоров, свидетельствуют об их выраженной близости к цифровым ИС. В качестве конкретного примера этого утверждения можно рассмотреть приведенные в табл. 1.1 типы и методы 
построения фильтров. Для построения традиционных RC- и LCфильтров требуются прецизионные компоненты, параметры которых 
отвечают предъявленным к фильтрам требованиям. Ранее такие 
фильтры собирались на дискретных компонентах или выполнялись в 
виде гибридных ИС. 

Таблица 1.1 

Типы и методы построения фильтров 

Тип фильтра 
Вид сигнал 
Количество 
элементов 
Примечание 

LC-фильтры 
Аналоговый 
Малое 
Прецизионные L и C  
(фильтры на дискретных 
компонентах) 

RC-фильтры 
Аналоговый 
Малое 
Прецизионные R и C 
(фильтры на гибридных ИС) 

Фильтры с переключаемыми конденсаторами 

Аналоговый 
Малое 
Сравнительно прецизионные 
C (монолитные фильтры) 

Цифровые  
фильтры 
Цифровые 
Большое 
Имеются АЦП и ЦАП  
(монолитные фильтры) 

К настоящему времени разработка монолитных фильтров с переключаемыми конденсаторами, размещаемыми на одном кристалле, 
позволила улучшить экономические характеристики фильтровых 
структур, несмотря на большое количество входящих в их состав 
элементов. В связи с дальнейшим совершенствованием СБИС можно 
ожидать последующего снижения стоимости подобных структур за 
счет универсальных функций однокристалльных цифровых фильтров, содержащих аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Таким образом, цифровые методы обработки сигналов находят в СБИС все большее и большее применение, и в предлагаемой 
книге проблемы машинного проектирования рассматриваются в основном применительно к цифровым СБИС. 
Классификация по типу полупроводниковых приборов и схем 
(табл. 1.2), которые могут быть реализованы на полупроводниковой 
пластине, весьма многообразны. Однако поскольку полупроводниковые структуры, реализуемые в СБИС, это только кремниевые биполярные и МОП-структуры (МОП – металл–оксид–полупроводник), 
ниже речь пойдет только о них. 
Биполярные структуры, как правило, характеризуются высоким 
быстродействием и большой потребляемой мощностью. Процесс изготовления их весьма сложен и требует применения кристаллов большой 
площади. В этом отношении МОП-структуры являются их противоположностью. Именно поэтому в СБИС так часто находят применение 
МОП-транзисторы. Говоря более строго, в тех случаях, когда требуется высокое быстродействие, т.е. функционирование на высокой частоте, применяются биполярные транзисторы, в обычных случаях, т.е. 
когда к схеме не предъявляется каких-либо особых требований, – 

МОП-транзисторы, а в тех случаях, когда нужна малая потребляемая 
мощность, – КМОП-транзисторы (комплементарная логика на транзисторах металл–оксид–полупроводник) или И2Л-структуры. В Японии 
уже длительное время КМОП-транзисторы находят применение в 
электронных калькуляторах. Для того чтобы воспрепятствовать росту 
потребляемой мощности с увеличением уровня интеграции, во многих 
случаях выбирают КМОП, а не n-канальные МОП-транзисторы, хотя 
это и ведет к увеличению площади кристалла. 

Таблица 1.2 

Классификация кремниевых БИС в зависимости от типа  
полупроводниковых приборов, типа схемы и вида структуры 

Тип полупроводниковых   
приборов 
Тип схемы 
Вид структуры 

p-канальные МОП-транзисторы 
n-канальные МОП-транзисторы 
n-канальные,  
работающие в режимах  
обогащения/обогащения 

КМОП-транзисторы 
n-канальные,  
работающие в режимах  
обогащения/обеднения 

Объемный КНД 

ЭСЛ 

ТТЛ 

Биполярные транзисторы 

И2Л 

ТТЛШ 

__________ 
П р и м е ч а н и е .  ЭСЛ – эмиттерно-связанные логические схемы; ТТЛ – 
транзисторно-транзисторные логические схемы; И2Л – интегральные инжекционные 
логические схемы; КНД – структура типа «кремний на диэлектрике»; ТТЛШ – транзисторно-транзисторные логические схемы с диодами Шоттки. 

В состав СБИС могут входить самые разнообразные цифровые схемы и полупроводниковые приборы. Они классифицируются в зависимости от характеристик (быстродействия), потребляемой мощности и 
площади, занимаемой на кристалле. В состав одной системы или одного 
кристалла могут входить полупроводниковые приборы и схемы разных 
типов. Однако в этом случае необходимо согласование уровней сигнала 
между разнотипными схемами. В цифровых схемах в качестве уровней 
сигналов, передаваемых между кристаллами, приняты стандартные 
уровни логических сигналов ТТЛ ИС. Схемы, не имеющие выхода на 
внешние цепи, и схемы, обеспечивающие возбуждение внешних цепей, 
нередко относятся к различным типам. Схемы внутренней области кристалла имеют простую структуру, работают при низком уровне логических сигналов и занимают небольшую площадь. Схемы, предназначен