三极管的知识和主要用途[技术文章]

三极管的知识和主要用途

发布时间:2006年8月26日点击次数:89

    首先我们要了解三极管的基本原理,三极管就是一条电流的通道,有一个电极控制这个通道的通和断,如果说三极管的基本原理用这样的比喻比较牵强附会的话,在设计三极管的版图时,它就非常的确切了,我们先画一条绿色的线条表示通道,再画一条横跨过通道的红色线条表示控制栅极,就象马路上的绿色的通道和警察掌握的红灯一样,绿色通道里的电流的通断,得看警察的脸色行事。不过在集成电路里通道不叫通道,而叫有源区,一个奇怪的名字,不过很好记,我们平时把半导体器件叫做有源器件,电阻电容叫无源器件,三极管是有源器件,因此只要记住和三极管有关的区域叫有源区就可以了。

     由 N型或 P型半导体材料组成源极和漏极,在源极和漏极之间放一层多晶硅作为栅极,这就形成了一个 MOS三极管,多做几个这样的三极管,并把它们按要求连接起来,这就形成了集成电路。把许多三极管做在一起就是集成电路。
集成电路真的就是这么简单,请暂时不要问什么半导体为什么会导电之类目前被认为是无关紧要的问题,我们在这里探讨的是如何快速的学会设计集成电路,而不是半导体理论。

设计一个反相器管

     我们知道三极管相当于一条通道,在这条通道上电流出发的那一端叫做源极,而电流到达的那一端叫做漏极,控制电流通断的那个电极叫做栅极,那么栅极需要带上什么样的电压才表示通道导通呢？一般情况下,栅极对源极的电压为0V时,表示关断,栅极上带 0.7V以上的电压时,表示导通,应该注意栅极电压是对源极而言的。
     上述的 MOS三极管我们叫它 N型 mos管,对应的,还有一种 P型 MOS 管, P型 MOS管的特性正好完全相反,电流从漏极出发到达源极,栅极带上比漏极低于0.7V以下的电压时, MOS管导通。

     如果规定只能用一种类型的 MOS管,我们也能设计出集成电路来,想当初的半导体工艺只适合于做 N型一种类型的 MOS管,那时侯的集成电路大部分是NMOS集成电路,我们熟悉的早期的 Z80、8048等,都是用 NMOS工艺制造的。后来,发展了在同一个芯片上做两种不同类型 MOS管的工艺,叫做CMOS工艺,现在已是半导体行业的主流工艺。

    N 管和 P管的版图设计并没有什么不一样,只要对其类型做一个标记就可以了,这个标记用来通知制造集成电路的人把这些管子做成某一类型的管子,在下图中我们把 P管用虚框圈起来作为标记。

设计一个简单集成电路

     设计集成电路就是把那些三极管连接起来,用什么来连接呢？总不至于用电烙铁和焊锡丝之类的方法吧？在集成电路里不用这种方法,用的是类似于双面线路板的方法,双面线路板上的过孔将线路板的两面连接了起来,在集成电路了也用了过孔,两层导电材料分别是铝和多晶硅,铝可以越过各种区域通到任何地方而不受限制,但多晶硅可不可以呢？好象可以,可是,的多晶硅越过有源区时,有源区变成了一个受多晶硅控制的电流通路：一个多余的三极管,这不是我们所希望的,所以,我们在这里增加一条规则：多晶硅不能跨越有源区。按这样的规则连接两各三极管,我们就设计了一个含有一个反相器的简单的集成电路。

     在芯片的四周有四个焊接点,用来和外部电路进行连接,不过,在这里不叫焊接点,而叫压焊点,可能因工艺而得名。如果你到集成电路行业里把它叫成焊接点的话,会让别人目瞪口呆的。

     我们不妨大胆的把集成电路设计技术和制造工艺用印刷来理解,当我们要印名片时,我们要先设计版面的排列,为一个商标图案苦思冥想,用彩色笔在草稿纸是画来画去,甚至出钱请搞美工的人来为这张名片进行设计。
    设计的名片可能包含了好几种颜色,好多种字体,当设计方案送到引名片的小店后,将根据颜色的种类先做出版子来,然后就是用这些版子把各种颜色印到纸上,再然后就是把一大张纸剪切成一张一张的小名片,最后把这些名片装到小盒里,就等着用户来取货了。
     印名片的小店老板只要会玩那些制版机、速印机之类的玩艺就可以了,基本上不用识多少字,小学程度即可,要求他必须懂得美术原理才发给操作证可以上岗,属于一种无理取闹的行为。
    对设计名片的美工师傅的最大的要求是能够理解客户的要求,并且能够用版面的排列、字体的选择、颜色的搭配来表达客户的意图,我们完全没有必要要求美工师傅会做各种字体的铅字、读过大部头的《照相原理》、精通印刷机械。
    相应地,我们对客户就应该只有一个要求：简单、明确的提出他的意图。
    集成电路的情况也是这样,用户提出他的芯片具有的功能,设计的过程是将功能翻译成版图,制造的过程是用版图印刷出芯片。
    印刷和芯片的惊人的类似之处是,美工师傅只要使用字库里的各种字体就可以了,没有必要自己亲自作出一个个的字体来;芯片设计师实际上也只要使用单元库里的单元就可以了。
    印刷和芯片的另一个更惊人的类似之处是,当字库里没有某个特定的符号时,比如一个不常见的商标,美工师傅就要亲自做出这个符号来;芯片设计师有时也会遇到库里没有的单元,他也需要亲自画出这个单元的版图来。

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