1.6 集成电路中的元件

集成电路就是采用一定的制造工艺，将晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容等许多元件组成的具有完整功能的电路制作在同一块半导体基片上，然后加以封装所构成的半导体器件。由于它的元件密度高（即集成度高）、体积小、功能强、功耗低、外部连线及焊点少，从而大大提高了电子设备的可靠性和灵活性，实现了元件、电路与系统的紧密结合。

一、集成双极性管

1、NPN型管

在制造集成电路时，需将各个元件相互绝缘。利用PN结反向偏置时电阻很大的特点，把各元件所在的N区或P区四周用PN结包围起来，便可使它们相互绝缘，称这个N区或P区为隔离岛。在基片上经过氧化、光刻、腐蚀、扩散、外延及氧化等重复过程，即可制造出隔离岛。图1.6.1(a)所示为集成电路制造过程中的剖面，中间的N区为隔离岛，它两侧的P+P^+P+区为隔离槽。利用上述工艺过程在隔离岛中首先制造出基区，然后制造发射区和集电区，最后制造各极引出窗口，就成为NPN型管，如图(b)所示。

2、PNP型管

PNP型管有衬底PNP管和横向PNP管，其结构如图1.6.2所示。衬底PNP管以隔离槽为集电极，是纵向管，即载流子从发射区沿纵向向集电区运动。由于可以准确控制基区的厚度，所以β\betaβ值较大。但由于隔离槽只能接在整个电路电位最低端，所以应用的局限性很大。横向PNP管的载流子从发射区沿水平方向向集电区运动，故称横向管。由于制造工艺所限，基区较厚，所以β\betaβ值很小，仅为2 ~ 20倍。但其发射结和集电结耐压较高，因而可利用横向PNP管和纵向PNP管复合而成既有足够大的电流放大系数又耐压较高的管子，从而构成各方面性能俱佳的放大电路。

3、其它类型晶体管

在制造NPN型管时，若作多个发射区，则得到多发射极管，其结构与符号见图1.6.3所示。这种管子广泛用于集成数字电路。在制造横向PNP管时，若作多个集电区，则得到多集电极管，各集电极电流之比决定于对应的集电区面积之比，其结构与符号如图1.6.4所示。这种管子多用于集成放大电路中的电流源电路。集成电路中普通NPN型管的基区宽度为0.5 ~ 1 μμμm，若将基区做的很薄，厚度只有0.1 ~ 0.2 μμμm，则得到超β\betaβ晶体管。它的基极电流很小（如小于10 nA）时，β\betaβ可高达千倍以上，但其反向击穿电压很低，U(BR)CBOU_{(BR)CBO}U(BR)CBO为10 ~ 20 V，U(BR)CEOU_{(BR)CEO}U(BR)CEO为5 ~ 10 V。这种管子常用于高精度集成放大电路的输入级。

二、集成单极性管

集成MOS管的结构与分立元件MOS[见图1.4.7(a)]的结构完全相同。在集成MOS电路中，常采用N沟道MOS管与P沟道MOS管组成的互补电路（简称CMOS电路），其结构与电路如图1.6.5所示。电路功耗小、工作电源电压范围宽、输入电流非常小、连接方便，是目前应用广泛的集成电路之一。

三、集成电路中的无源元件

集成电路中各种无源元件的制造不需要特殊工艺，例如，用NPN型管的发射结作为二极管和稳压管，用NPN型管基区体电阻作为电阻，用PN结势垒电容或MOS管栅极与沟道间等效电容作为电容等。

四、集成电路中元件的特点

与分立元件相比，集成电路中的元件有如下特点：
1、具有良好的对称性。由于元件在同一硅片上用相同的工艺制造，所以它们的性能比较一致；而且由于元件密集使环境温度差别很小，所以同类元件温度对称性也较好。
2、电阻与电容的数值有一定的限制。由于集成电路中电阻和电容要占用硅片的面积，且数值愈大，占用面积也愈大。因而不易制造大电阻和大电容。因此，电阻阻值范围为几十欧 ~ 几千欧，电容容量一般小于100 pF。
3、纵向晶体管的β\pmb{\beta}ββ值大；横向晶体管的β\pmb{\beta}ββ值小，但PN结耐压高。
4、用有源元件取代无源元件。由于纵向NPN管占用硅片面积小且性能好，而电阻和电容占用硅片面积大且取值范围窄，因此，在集成电路的设计中尽量多采用NPN型管，而少用电阻和电容。