相关阅读数字IC基础https://blog.csdn.net/weixin_45791458/category_12365795.html?spm1001.2014.3001.5482学习数字IC设计时经常会同时遇到二极管、三极管、BJT、场效应管、JFET、MOSFET、CMOS、TTL、ECL、BiCMOS等一系列名词它们看起来似乎属于同一个层级但实际上混合了“半导体器件类型”“晶体管类型”“逻辑电路实现方式”和“集成电路工艺或逻辑家族”等不同概念如果不首先理清这些概念之间的关系就很容易产生诸如“CMOS管是不是一种晶体管”“TTL和MOSFET有什么区别”“三极管和场效应管是不是并列关系”之类的疑问。对于今天以标准单元为基础的数字IC设计工程师来说RTL代码中的一个与门、触发器或者MUX通常已经看不到底层晶体管但这些逻辑门最终仍然是由大量晶体管构成的因此理解这些器件和电路技术的发展脉络对于理解标准单元、功耗、速度、驱动能力、工艺库以及数字芯片为什么采用今天这样的实现方式仍然非常重要。一、先从最基本的半导体器件说起二极管与晶体管现代数字集成电路的基础是半导体器件而最典型的半导体器件之一就是二极管(Diode)。最简单的半导体二极管通常由一个P型半导体区域和一个N型半导体区域形成PN结它具有非常明显的单向导电特性在合适的正向偏置条件下容易导通而在反向偏置条件下通常只有很小的漏电流因此早期电子电路中大量使用二极管完成整流、限幅、钳位以及简单逻辑功能。20世纪40年代晶体管出现之前电子计算设备主要依赖真空管而晶体管出现以后二极管仍然没有消失在现代IC中依旧存在例如芯片I/O口中的ESD保护结构、钳位电路以及各种模拟和电源相关模块都可能大量使用二极管只不过对于普通数字RTL设计者来说它通常不会直接出现在设计视野中。与二极管不同晶体管(Transistor)的核心价值在于它可以利用一个控制端控制另外两个端口之间的电流因此既可以作为放大器也可以作为电子开关而数字IC真正依赖的正是后者。1947年贝尔实验室的John Bardeen、Walter Brattain和William Shockley等人研制出了第一批晶体管随后晶体管逐步取代体积巨大、功耗高且可靠性较差的真空管并最终推动了集成电路的发展。中文里常说的“三极管”需要特别注意在传统电子技术教材中“三极管”通常特指双极型结型晶体管BJT(Bipolar Junction Transistor)但从字面意义来看MOSFET同样具有三个或更多端子因此在现代半导体语境下更严谨的表达应该直接使用BJT、MOSFET、JFET等具体名称而不要简单把所有晶体管都称为“三极管”。二、双极型晶体管BJT与早期高速数字逻辑的核心器件BJT即Bipolar Junction Transistor双极型结型晶体管是晶体管历史中最重要的一类器件之一其典型结构包括NPN和PNP两种由发射极Emitter、基极Base和集电极Collector三个主要端子构成。所谓“双极型”是因为其工作过程中电子和空穴两种载流子都会参与导电这一点与主要依靠一种载流子的场效应晶体管不同。BJT具有较强的电流驱动能力和良好的模拟放大性能在20世纪50年代至70年代的电子系统中占据了极其重要的位置早期数字逻辑系列中的RTL、DTL、TTL和ECL也基本都建立在双极型晶体管之上。从数字电路角度来看BJT可以理解成一种由基极电流控制集电极电流的器件因此早期数字逻辑经常让晶体管在“截止”和“导通”之间切换从而分别表示逻辑0和逻辑1。BJT的一个典型问题是其输入端本质上需要一定电流而不是像MOSFET那样主要由电压控制因此大量BJT构成的数字系统静态功耗往往较大不过在早期工艺条件下BJT能够提供非常优秀的速度和驱动能力所以直到今天在某些高速模拟、射频以及特殊接口电路中仍然具有重要价值。三、场效应晶体管从JFET到MOSFET与BJT不同的另一大类晶体管是场效应晶体管FET(Field Effect Transistor)它的核心思想是利用电场控制导电沟道从而控制电流因此通常属于电压控制型器件。场效应晶体管并不是只有一种它下面还可以进一步分成结型场效应晶体管JFET以及绝缘栅型场效应晶体管而今天数字IC中最重要的MOSFET就是绝缘栅型场效应晶体管的一种。JFET即Junction Field Effect Transistor结型场效应晶体管其控制栅极与沟道之间通过PN结形成结结构通过改变栅极电压改变耗尽区宽度进而控制沟道电流。场效应器件的思想其实早在20世纪20年代就已经被提出但真正实用化需要等待半导体材料和制造工艺的发展JFET在20世纪50年代以后逐渐进入实际应用。它具有较高输入阻抗、较低噪声等特点因此在模拟前端、低噪声放大器和一些特殊电路中具有价值但它并没有成为现代大规模数字逻辑的主流器件因为MOS结构更适合高度集成。真正改变数字集成电路历史的是MOSFET即Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor金属—氧化物—半导体场效应晶体管。1959年前后Mohamed Atalla和Dawon Kahng在贝尔实验室实现了实用MOSFET它最大的特点是栅极与半导体之间通过绝缘层隔离因此理想情况下栅极几乎不需要持续输入直流电流只需要通过栅极电压产生电场就可以控制源极Source和漏极Drain之间的沟道是否导通。正是这种极高输入阻抗和适合微缩的平面结构使MOSFET特别适合构建超大规模集成电路。MOSFET最常见的两类是NMOS和PMOS。NMOS主要利用电子形成导电沟道其电子迁移率较高因此在相同尺寸下通常具有更强的驱动能力PMOS主要利用空穴导电速度通常相对较慢。早期集成电路曾经分别出现PMOS逻辑和NMOS逻辑其中NMOS逻辑在20世纪70年代的微处理器中非常常见例如早期Intel处理器就曾采用NMOS工艺但随着集成度不断提高静态功耗逐渐成为严重问题于是同时使用NMOS与PMOS的CMOS技术逐渐成为主流。四、“CMOS管”其实不是一种独立晶体管日常交流中经常听到“CMOS管”这个说法但严格来说CMOS并不是一种新的晶体管类型而是一种利用互补MOS晶体管构建电路的技术。CMOS全称为Complementary Metal-Oxide-Semiconductor互补金属氧化物半导体所谓“Complementary”就是互补其基本思想是在同一个逻辑门中同时使用NMOS和PMOS让两类晶体管在不同逻辑状态下互相配合。最经典的CMOS反相器只需要一个PMOS和一个NMOSPMOS连接电源VDDNMOS连接地VSS两者栅极连接同一个输入信号而漏极连接形成输出。当输入为低电平时PMOS导通、NMOS关闭输出被拉到高电平当输入为高电平时NMOS导通、PMOS关闭输出被拉到低电平。理想情况下稳定状态下并不存在从VDD到GND的大规模直流通路因此CMOS电路的静态功耗远低于许多早期双极型逻辑这也是CMOS最终统治现代数字IC的核心原因之一。CMOS电路的思想在20世纪60年代就已经出现Frank Wanlass在1963年前后提出了CMOS概念但早期CMOS速度并不占优势因此在相当长一段时期内它与TTL、ECL以及NMOS逻辑并存。随着MOS工艺不断进步晶体管尺寸越来越小CMOS在功耗、集成度、速度和制造成本方面的综合优势不断扩大到20世纪80年代以后逐渐成为微处理器、存储器以及ASIC的主流技术并最终成为今天几乎所有先进数字芯片的基础。今天我们所说的“7nm、5nm、3nm数字芯片”虽然器件结构已经从传统平面MOSFET发展到FinFET再进一步向GAAFET或纳米片晶体管演进但它们在逻辑电路层面仍然基本遵循CMOS思想即利用互补的N型和P型晶体管实现逻辑功能因此可以说现代数字IC在器件结构上不断变化而CMOS作为一种基本逻辑哲学却延续了几十年。五、TTL曾经统治数字系统的晶体管—晶体管逻辑TTL即Transistor-Transistor Logic晶体管—晶体管逻辑是20世纪60年代以后最重要的数字逻辑家族之一其核心器件是BJT而不是MOSFET。之所以称为“晶体管—晶体管逻辑”是因为输入逻辑判断和输出驱动都主要由晶体管完成这与更早期使用电阻完成输入组合的RTL以及使用二极管完成输入逻辑的DTL形成区别。TTL真正成为经典逻辑技术与20世纪60年代Texas Instruments等公司推出的集成TTL逻辑芯片密切相关后来著名的7400系列几乎成为数字电子时代的标志例如7400是与非门7404是反相器7474是D触发器很多学习数字电路的人最早接触的实际逻辑芯片就是74系列。TTL通常采用5V左右的电源在当年的工艺条件下具有较好的速度、较强的输出驱动能力和成熟的制造工艺因此从计算机、工业控制设备到消费电子产品都曾经大量使用。TTL的缺点也很明显因为BJT工作需要基极电流并且内部往往存在持续的静态电流所以随着集成规模不断扩大功耗很快成为限制因素。一个芯片只有几个或几十个逻辑门时这种功耗尚可接受但如果需要集成数百万甚至数十亿个晶体管就不可能继续沿用传统TTL架构因此TTL最终逐渐退出大规模片上数字逻辑的主流舞台不过作为一种经典逻辑系列它在数字电子教学以及一些低复杂度接口和传统设备中仍然具有历史和现实意义。六、ECL为了速度而牺牲功耗的高速逻辑ECL即Emitter-Coupled Logic发射极耦合逻辑同样是一种以BJT为核心的逻辑电路但它的设计哲学与TTL明显不同。ECL起源可以追溯到20世纪50年代末和60年代初当时高速计算机对逻辑速度提出了极高要求而普通晶体管如果在数字开关过程中进入深度饱和状态再退出饱和时会产生较明显的存储延迟因此ECL采用差分放大结构让晶体管尽量保持在放大区而不是进入深度饱和从而大幅提高开关速度。从历史上看ECL长期被认为是最快的双极型数字逻辑家族之一IBM大型计算机、高性能通信设备以及部分高速测试设备都曾采用类似技术。它的代价则是非常明显的功耗因为电路通常持续存在电流即使逻辑状态没有发生变化也会消耗相当大的功率因此ECL特别适合“速度比功耗更重要”的场景却并不适合后来追求超大规模集成和低功耗的微处理器。从今天的角度看ECL在普通SoC数字逻辑中已经很少直接出现不过它所采用的差分和电流模式思想并没有消失在高速SerDes、时钟分配、高速接口以及模拟混合信号电路中仍然能够看到与ECL类似的电路思想。七、BiCMOS把BJT和CMOS放在同一块芯片上如果说TTL和ECL代表了双极型晶体管逻辑而CMOS代表了MOSFET逻辑那么BiCMOS可以理解为两种技术的结合。BiCMOS即Bipolar CMOS也就是在同一块集成电路中同时制造双极型晶体管和CMOS晶体管希望利用CMOS高输入阻抗、低静态功耗和高集成度的优势同时利用BJT较高跨导、较强驱动能力以及优良模拟性能的优势。BiCMOS技术在20世纪80年代和90年代非常受到重视在高速逻辑、模拟数字混合电路、通信芯片以及驱动电路中都曾经广泛使用。例如内部的大量数字控制逻辑可以采用CMOS而高速输出级或者模拟放大部分可以采用BJT这样就能够获得普通CMOS难以同时实现的某些性能组合。不过BiCMOS的制造工艺通常比纯CMOS更加复杂因为同一块晶圆上需要同时优化MOS和双极型器件因此成本也更高。今天在以CPU、GPU和大型SoC为代表的纯数字芯片中主流依然是先进CMOS工艺而BiCMOS尤其是SiGe BiCMOS则在射频、毫米波、高速通信、SerDes以及高性能模拟电路中继续发挥重要作用所以它并没有消失而是从通用数字逻辑逐渐转向了更适合自己的高性能混合信号领域。八、RTL、DTL、TTL、ECL与CMOS其实是在讲“怎么造逻辑门”理解了上述内容之后可以发现一个非常重要的分类规律BJT、JFET和MOSFET描述的是“晶体管是什么”而RTL、DTL、TTL、ECL和CMOS更多描述的是“用这些器件怎样构造数字逻辑”。例如早期的RTL即Resistor-Transistor Logic电阻—晶体管逻辑主要利用电阻完成输入信号组合再使用晶体管实现放大和反相随后出现的DTL即Diode-Transistor Logic二极管—晶体管逻辑利用二极管网络完成输入逻辑运算再由晶体管提供反相和驱动之后TTL进一步使用晶体管替代大量二极管功能从而提升速度和集成能力ECL则改变了BJT的工作方式追求更高开关速度NMOS和PMOS逻辑开始大量采用MOSFET最终CMOS通过NMOS和PMOS互补工作将低静态功耗和高集成度结合起来并成为现代数字芯片的绝对主流。因此这些名字并不是完全并列关系如果简单画成一条层次关系大致可以理解为半导体器件 → 二极管和晶体管 → 晶体管进一步分成BJT和FET → FET进一步包括JFET和绝缘栅FET → MOSFET属于最重要的绝缘栅FET → MOSFET又包括NMOS和PMOS → NMOS与PMOS互补组合形成CMOS电路。与此同时在“逻辑电路家族”这一条线上则可以看到RTL、DTL、TTL、ECL主要代表早期以BJT为核心的不同数字逻辑实现方式而NMOS逻辑、PMOS逻辑和CMOS逻辑则主要建立在MOSFET之上BiCMOS则同时使用MOSFET和BJT。九、从TTL到CMOS本质上是数字IC不断追求更高集成度的历史如果从整个数字电子的发展史来看晶体管和逻辑电路的演变并不是简单地“新技术淘汰旧技术”而是在不同历史阶段对速度、功耗、面积、成本和制造能力进行权衡。BJT让电子系统从真空管时代进入半导体时代RTL和DTL让晶体管能够组成实用数字逻辑TTL让标准化数字逻辑芯片进入大规模应用ECL把双极型逻辑速度推向极高水平而MOSFET特别是CMOS则依靠极低静态功耗和极强的尺寸缩放能力使芯片能够从几百个晶体管发展到今天的数百亿甚至更多晶体管。因此对于数字IC设计来说最值得记住的不是每一种老式逻辑电路内部究竟有几个晶体管而是理解它们之间的层级关系二极管是一种基础半导体器件BJT和FET是两大经典晶体管路线JFET和MOSFET都属于场效应晶体管其中MOSFET最终成为超大规模数字集成电路的核心器件NMOS和PMOS不是两种逻辑电路而是两类MOSFETCMOS不是“另一种晶体管”而是NMOS和PMOS互补构成的电路技术TTL和ECL则主要是基于BJT形成的逻辑家族BiCMOS则把BJT与CMOS结合在同一套集成技术中。如果把今天的一块现代CPU或者SoC不断向下拆解那么最上层可能是软件和算法再往下是RTL中的寄存器、加法器、MUX和状态机经过综合之后变成NAND、NOR、AOI、触发器等标准单元再往下则是一只只NMOS和PMOS晶体管而这些看似简单的晶体管最终组成了数以十亿计的逻辑门。对于数字IC工程师而言这也正是理解整个芯片设计体系最重要的一条主线RTL描述的是逻辑标准单元实现的是逻辑而晶体管才是逻辑最终存在于硅片上的物理基础。