双极型集成电路的发展简况

如题所述

双极型集成电路是在硅平面晶体管的基础上发展起来的,最早的是双极型数字逻辑集成电路。在数字逻辑集成电路的发展过程中,曾出现过多种不同类型的电路形式。常见的双极型集成电路可分类如下。
DCTL电路是第一种双极型数字逻辑集成电路,因存在严重的“抢电流”问题(见电阻-晶体管逻辑电路)而不实用。RTL电路是第一种有实用价值的双极型集成电路。早期的数字逻辑系统曾采用过 RTL电路,后因基极输入回路上有电阻存在,限制了开关速度。此外,RTL逻辑电路的抗干扰的性能较差,使用时负载又不能多,因而被淘汰。电阻-电容-晶体管逻辑电路(RCTL)是为了改善RTL电路的开关速度而提出来的,即在RTL电路的电阻上并接电容。实际上 RCTL电路也未得到发展。DTL电路是继 RTL电路之后为提高逻辑电路抗干扰能力而提出来的。DTL电路在线路上采用了电平位移二极管,抗干扰能力可用电平位移二极管的个数来调节。常用的 DTL电路的电平位移二极管,是用两个硅二极管串接而成,其抗干扰能力可提高到1.4伏左右(见二极管-晶体管逻辑电路)。HTL电路是在 DTL电路的基础上派生出来的。HTL电路采用反接的齐纳二极管代替DTL电路的电平位移二极管,使电路的阈值提高到约7.4伏左右(见高阈值逻辑电路)。可变阈值逻辑电路(VTL)也是DTL电路系列中的另一种变形电路。阈值逻辑电路(TLC)是 HTL和VTL逻辑电路的总称。TTL逻辑电路是在DTL逻辑电路基础上演变而来,于1962年研制成功。为了提高开关速度和降低电路功耗,TTL电路在线路结构上经历了三代电路形式的改进(见晶体管-晶体管逻辑电路)。
以上均属饱和型电路。在进一步探索提高饱和型电路开关速度的同时,发现晶体管多余载流子的存储效应是一个极重要的障碍。存储现象实质上是电路在开关转换过程中由多余载流子所引起。要提高电路开关速度,除了减少晶体管PN结电容,或者设法缩短多余载流子的寿命以外,就得减少和消除晶体管内载流子存储现象。60年代末和70年代初,人们开始在集成电路中利用熟知的肖特基效应。在TTL电路上制备肖特基势垒二极管,把它并接在原有晶体管的基极和集电极上,使晶体管开关时间缩短到1纳秒左右;带肖特基势垒二极管箝位的TTL门电路的平均传输延迟时间达2~4纳秒。
肖特基势垒二极管-晶体管-晶体管逻辑电路(STTL)属于第三代 TTL电路。它在线路上采用了肖特基势垒二极管箝位方法,使晶体管处于临界饱和状态,从而消除和避免了载流子存储效应。与此同时,在TTL电路与非门输出级倒相器的基极引入晶体管分流器,可以改善与非门特性。三极管带有肖特基势垒二极管,可避免进入饱和区,具有高速性能;输出管加上分流器,可保持输出级倒相的抗饱和程度。这类双极型集成电路,已不再属于饱和型集成电路,而属于另一类开关速度快得多的抗饱和型集成电路。
发射极耦合逻辑电路(ECL)是电流型逻辑电路(CML)。这是一种电流开关电路,电路的晶体管工作在非饱和状态,电路的开关速度比通常TTL电路又快几倍。ECL逻辑电路把电路开关速度提高到 1纳秒左右,大大超过 TTL和STTL电路。ECL电路的出现,使双极型集成电路进入超高速电路范围。
集成注入逻辑电路 (I2L)又称合并晶体管逻辑电路(MTL),是70年代研制成的。在双极型集成电路中,I2L电路的集成密度是最高的。
三层结构逻辑电路(3TL)是1976年中国在I2L电路的基础上改进而成,因有三层结构而得名。3TL逻辑电路采用NPN管为电流源,输出管采用金属做集电极(PNM),不同于I2L结构。
多元逻辑电路(DYL)和双层逻辑电路(DLL),是1978年中国研制成功的新型逻辑电路。DYL逻辑电路线性与或门,能同时实现开关逻辑和线性逻辑处理功能。DLL电路是通过ECL和TTL逻辑电路双信息内部变换来实现电路逻辑功能的。
此外,在双极型集成电路发展过程中,还有许多其他型式的电路。例如,发射极功能逻辑电路(EFL)、互补晶体管逻辑电路(CTL)、抗辐照互补恒流逻辑电路(C3L)、电流参差逻辑电路(CHL)、三态逻辑电路(TSL)和非阈值逻辑电路(NTL)等。

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