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  • MOS集成電路的功能知識(shí)分析
    • 發(fā)布時(shí)間:2020-11-10 17:16:59
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    MOS集成電路的功能知識(shí)分析
    MOS集成電路的功能
    (1)放大
    MOS晶體管作為有源元件,本來(lái)就是用作放大元件的。在圖3.15所示的互補(bǔ)型電路中,P溝道和N溝道晶體管互為有源元件和負(fù)截元件而工作,適用于重負(fù)載驅(qū)動(dòng)和小功率電路。但與單溝道MOS集成電路相比,工藝流程復(fù)雜。
    MOS集成電路的功能
    (2)負(fù)載
    考慮其控制參數(shù)和芯片面積等單項(xiàng)功能,用MOS晶體管做負(fù)載要比擴(kuò)散電阻負(fù)載有利。MOS晶體管負(fù)載利用了漏-源間的伏安特性,依柵接地的形式大體分為兩種。還加了一種兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)的、可實(shí)現(xiàn)新功能的電抗型的負(fù)載形式。
    MOS集成電路的功能
    表中所列的漏接地電路是目前最常用的形式,此時(shí)漏與柵均為交流接地。很多場(chǎng)合,為使電路簡(jiǎn)單起見(jiàn),漏和柵接在一起,也就是采用直流連接形式。這種連接多用于增強(qiáng)型負(fù)載,由傳輸特性可以看到,輸出電壓的最大值一定在電源電壓扣除V(th)后的差值以下。也就是說(shuō)電壓利用率很差。
    為克服這一缺點(diǎn),在特殊情形下,Vg用另一電源。另一方面,在源接地型一欄內(nèi)所示的兩種電路,其負(fù)載都具有源接地的特性。在E-D結(jié)構(gòu)的電路中,放大晶體管為增強(qiáng)型,負(fù)載晶體管為耗盡型。因呈現(xiàn)的是加上V(th)大小的有效柵偏壓的飽和區(qū)特性,故負(fù)載接近于恒流負(fù)載。從而最大輸出電壓幾乎接近電源電壓,對(duì)負(fù)載充電的電流也接近于恒流,故具有小功率、高速度的性質(zhì)。
    互補(bǔ)型電路,與E-D結(jié)構(gòu)有同樣的效果,但由于負(fù)載可以互換,對(duì)降低功耗更為有利。也就是說(shuō),不管輸入信號(hào)為1或0,總有一個(gè)晶體管處于截止?fàn)顟B(tài),幾乎沒(méi)有電流流過(guò)兩個(gè)晶體管,只是在1?0轉(zhuǎn)換時(shí),才流過(guò)對(duì)負(fù)載充電的電流。
    電抗型電路由漏接地電路和源接地電路組合而成。左側(cè)的電路對(duì)直流為漏接地,對(duì)交流為源接地。直流傳輸特性就表示了這種情形。若兩個(gè)晶體管的尺寸大致相同,傳輸特性可以接近于45°,因而直流穩(wěn)定度可以得到改善,又因?yàn)樵聪到涣鹘拥兀梢垣@得增益。另外還可用于選頻。左側(cè)的圖形為同樣的,電路用互補(bǔ)型構(gòu)成的例子。
    (3)傳輸門(mén)和模擬開(kāi)關(guān)
    由于對(duì)MOS晶體管而言可以對(duì)稱(chēng)地構(gòu)成漏和源,漏和源是雙向開(kāi)關(guān)的信號(hào)端,柵可用作控制端。但在雙極型晶體管中,因有作為控制信號(hào)的基極電流流入信號(hào)通路,故難以實(shí)現(xiàn)雙向功能。但對(duì)MOS晶體管而言,雙向開(kāi)關(guān)可用作下面將要敘述的移位寄存器的傳輸門(mén),存儲(chǔ)器的寫(xiě)入和讀出門(mén)等。又由于漏-源之間沒(méi)有偏移電壓,也可用作模擬開(kāi)關(guān)以及斬波器。
    (4)暫存
    MOS晶體管的柵輸入電阻極高,由輸入電容和輸入電阻決定的時(shí)間常數(shù)通常為幾個(gè)毫秒。因此,在輸入端加電壓信號(hào)后再切斷信號(hào)源時(shí),在毫秒量級(jí)的時(shí)間內(nèi)還有漏電流流過(guò)。可以像在移位寄存器中所用的那樣,用于暫存信息。
    (5)非易失性存儲(chǔ)
    所謂非易失性存儲(chǔ)是切斷電源后還可保存存儲(chǔ)內(nèi)容的功能。由于半導(dǎo)體單晶沒(méi)有撤除外加電壓后的滯后現(xiàn)象,就必須利用不是電路性的而是物理性的存儲(chǔ)現(xiàn)象。我們認(rèn)為,如用簡(jiǎn)單的制造工藝能作成穩(wěn)定的、好用的非易失性存儲(chǔ)器,則半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的應(yīng)用領(lǐng)域就會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。這方面的研究工作正在進(jìn)行之中。
    MOS集成電路的功能
    這類(lèi)存儲(chǔ)器之一種是利用被硅上絕緣膜內(nèi)陷阱所俘獲的電荷來(lái)控制硅表面勢(shì)。最先做出的非易失性存儲(chǔ)器是MNOS器件,如圖3.16所示。圖3. 17是對(duì)該種器件的工作原理的說(shuō)明。
    MNOS是Metal-Silieon Nitride(Si3N4)-Silicon Oxide (SiO2 )- Semiconductor(金屬-氮化硅( Si3N4)一氧化硅(SiO2)-半導(dǎo)體)的縮寫(xiě)。如圖3.17所示,利用流過(guò)Si3N4和SiO2的電流之差,可以改變對(duì)Si3N4和SiO2界面處陷阱充電的電荷。
    當(dāng)SiO2厚度約為100~50A時(shí),如圖3.17所示,流過(guò)SiO2的電流因隧道效應(yīng)通過(guò)SiO2勢(shì)壘的薄弱部分。當(dāng)SiO2厚度在50A以下時(shí),直接的隧道電流增大。作為這類(lèi)非易失性存儲(chǔ)器,以后發(fā)表了用AL2O3,做絕緣體的MAS晶體管,和用Al2O3 ~SiO2做絕緣體的MAOS晶體管。
    還有一種非易失性存儲(chǔ)器,不是利用電荷穿越絕緣體的隧道現(xiàn)象,而是利用PN結(jié)雪崩擊穿產(chǎn)生的高能電荷越過(guò)絕緣體勢(shì)壘的現(xiàn)象。圖3.18是利用浮置柵的非易失性存儲(chǔ)器,漏結(jié)雪崩擊穿產(chǎn)生的電子越過(guò)SiO2注入到用多晶硅制造的浮置柵內(nèi),電子一經(jīng)注入,就被高度絕緣的SiO2包圍起來(lái),所以能夠長(zhǎng)期保存。關(guān)于這種利用雪崩擊穿的方式,還有利用注入電子來(lái)寫(xiě)入,以同樣的方法利用注入空穴消去的電可改寫(xiě)存儲(chǔ)器。
    MOS集成電路的功能
    這種存儲(chǔ)器的讀出,在大多數(shù)場(chǎng)合都利用圖3.16、圖3.18所示的MOS晶體管結(jié)構(gòu),通過(guò)測(cè)量由表面勢(shì)變化所產(chǎn)生的源-漏間的電流來(lái)進(jìn)行的。
    MOS集成電路的功能
    (1)大規(guī)模MOS集成化的優(yōu)點(diǎn)
    與雙極型晶體管相比,MOS晶體管的制造工藝簡(jiǎn)單,而且僅用同一種元件就可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能,所以MOS大規(guī)模集成電路成品率高,有利于大規(guī)模集成化。由于MOS集成電路的阻抗高,可以藉助與源、漏擴(kuò)散區(qū)同時(shí)制作的穿接區(qū),實(shí)現(xiàn)立體交叉布線(xiàn)而不影響電路的直流特性。因此,在需要作復(fù)雜布線(xiàn)時(shí),也毋須使用會(huì)影響成品率的高難度技術(shù)。
    由于阻抗高,為了在分開(kāi)的集成電路中防止因外部雜散電容而降低工作速度,可以加接緩沖器,但在大規(guī)模集成電路中除了與輸出端相連的單元電路外,毋需接緩沖器,又因?yàn)殡s散電容小,可以降低單元電路所需的功耗并且能提高速度。
    (2)大規(guī)模MOS集成化的功能
    進(jìn)行大規(guī)模集成化時(shí)應(yīng)考慮的技術(shù)要點(diǎn)是成品率高、光刻掩模設(shè)計(jì)容易、外引線(xiàn)的數(shù)目少等。從掩模設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)簡(jiǎn)易以及外引線(xiàn)數(shù)目少等方面來(lái)看,存儲(chǔ)器和移位寄存器是通過(guò)重復(fù)簡(jiǎn)單單元電路所構(gòu)成的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的,因而這方面首先被大規(guī)模集成化。以后又實(shí)現(xiàn)了加法器等使用頻度大的器件,現(xiàn)在則可根據(jù)用戶(hù)訂貨將任意的一般電路大規(guī)模集成化,集成度可達(dá)幾千個(gè)元件的規(guī)模。
    (3)大規(guī)模MOS集成化的方法
    存儲(chǔ)器、移位寄存器等電路沿著盡量減少單元電路面積的方向,經(jīng)過(guò)努力實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模集成化。關(guān)于一般電路的大規(guī)模集成化有如下的方法:在單元電路(門(mén))的周?chē)O(shè)置供穿接用的擴(kuò)散區(qū)。
    然后根據(jù)不同電路的要求對(duì)單元電路進(jìn)行任意布線(xiàn)的方法;采用縱向擴(kuò)散區(qū)陣列作為源、漏和穿接區(qū),橫向金屬薄膜陣列作為柵電極和連線(xiàn),根據(jù)邏輯圖簡(jiǎn)單地構(gòu)成大規(guī)模集成電路圖形的方法;將幾種單元電路以變化不大的所有可能圖案的形式存入計(jì)算機(jī)的程序庫(kù),然后通過(guò)計(jì)算機(jī)將邏輯圖變?yōu)椴季€(xiàn)圖,再由布線(xiàn)圖描繪出大規(guī)模集成電路圖形的自動(dòng)描圖法。
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