線性集成電路

發展情況 與分立元件電路相比，集成電路在設計上具有若干有利條件。由於所有器件是在一個很小的晶元上同時製造出來，其特性十分一致，而且元件參數具有高的比例精度。線性電路通常需要在一個電路中使用不同類型的器件，因而難以集成，初期發展緩慢。1964年，製成橫向PNP晶體管，對線性集成電路的發展起了重要的作用。這是用一個環狀的P型擴散區作集電極，用環中另一個P型擴散區作發射極。這種結構能與標準的NPN晶體管同時製造，為實現雙極型互補電路創造了條件。1966年，第一個高性能的通用運算放大器問世。它在電路中應用靈活，體積很小，促進了電子學的迅速發展。60年代後期，各種線性電路獲得廣泛應用。70年代，各種高精度的數-模和模-數轉換器成為數字技術和微處理機在信息處理、過程式控制制等領域裡推廣應用的關鍵器件。

線性電路方面的一個新進展是採用 MOS工藝製造音頻濾波器。其原理是開關電容法，即用開關將電容器交替接至電路中不同的電壓節點來傳輸電荷，從而產生等效電阻。這種技術特別適用於 MOS工藝（見開關電容濾波器）。另一方面，由於應用模擬採樣技術，採用 MOS工藝已能制出高穩定度的運算放大器和高精度的數－模與模-數轉換器。這兩種技術的結合，為模擬信息處理和通信設備分系統的大規模集成技術開闢了廣闊的前景。

製作工藝 大多數線性集成電路採用標準雙極型工藝製造。為獲得高性能電路，有時在標準工藝基礎上作某些修改或採取附加的製造工序，以便在同一晶元上製作不同性能的各種元件和器件。

雙極-場效應相容技術 在雙極型晶元上製作高性能結型場效應晶體管的技術。當晶元上NPN管形成后，分別用兩次離子注入技術摻雜形成低濃度P-型溝道和高濃度N 型柵區（圖1）。其柵-漏擊穿電壓可達伏，夾斷電壓可控制在1伏左右。超增益晶體管　共發射極電流增益高達的NPN晶體管。用離子注入技術製作基區，基區摻雜濃度比通常NPN管基區低一個數量級，基區厚度也比通常NPN管基區更薄（圖2）。亞表面擊穿二極體　通常的擊穿二極體利用 NPN晶體管的eb結，其擊穿現象發生在結表面。而亞表面擊穿二極體則是在N 型發射區下用離子注入法製作一個高濃度P 型層，在表面下方深處形成一個結（圖3）。這種晶體管的擊穿電壓低於表面結的擊穿電壓，擊穿過程不受表面狀況的影響，噪音低，並且具有良好的長期穩定性。

高頻工藝　採用標準雙極型工藝製造的 NPN晶體管，其特徵頻率一般低於1000兆赫。要求高頻和高速性能時則採用微細加工、薄層外延和淺結技術等，器件的特徵頻率可達兆赫。典型的高頻工藝如圖4。高耐壓技術　線性雙極型工藝通常可達到伏的耐壓性能。若要獲得近100伏或更高的耐壓性能，可採取如下措施：①增加N型外延層厚度（如 20微米以上），以提高NPN管的擊穿電壓；②增加氧化層厚度，防止帶負電位的金屬互連線在跨越橫向PNP晶體管時產生寄生MOS管效應；③用場電極保護隔離結表面，以避免電場過於集中，導致擊穿電壓降低（圖5）。線性CMOS技術　這是一種十分複雜的通用性兼容技術，能同時製作各種雙極型器件和CMOS器件（見互補金屬-氧化物-半導體集成電路）。用這種技術可將高性能線性電路與高密度的高速邏輯電路結合在一個晶元上。一種用難熔金屬鉬作為柵極材料的線性CMOS工藝，能把P溝道與N溝道MOS器件製作在線性雙極型晶元的N型外延層上，僅須用10次光刻，它具有鋁與鉬兩層互連線。P溝道與N溝道器件可單獨或共用一個N區（圖6）。精密元件　無源元件電阻器通常採用擴散層或離子注入層形成的半導體電阻器。在矽片上製作合金薄膜電阻器，可獲得更好的溫度穩定性。然而，兩者的阻值精度大致都不超過 。高精度電阻器需要藉助各種阻值修正技術而獲得。通常採用直徑大約10微米的脈衝激光束，修正方法有熔斷互連線法（圖7a）和熔斷擴散層法（圖7b）。電路類型 根據電路的功能和用途，線性集成電路大致可劃分為：①通用電路，包括運算放大器、電壓比較器、電壓基準電路、穩壓電源電路；②工業控制與測量電路，包括定時器、波形發生器、檢測器、感測器電路、鎖相環路、模擬乘法器、馬達驅動電路、功率控制電路、模擬開關；③數據轉換電路，包括數－模轉換器、模-數轉換器、電壓-頻率轉換器；④通信電路，包括電話通信電路、移動通信電路；⑤消費類電路，包括電視機電路、錄像機電路、音響電路。實際上，還有許多其他的電路，如心臟起搏器等醫療用電路。另一方面，由於大規模集成技術和計算機輔助設計和測量技術的日益發展，線性電路的設計正在從傳統的標準單元向功能複雜的定製集成電路發展。

基本電路形式 線性集成電路品種很多，設計各不相同。但有一些功能單元電路用作基本構件，在許多電路中已得到廣泛應用。

差動放大器　具有對稱結構（圖8）。晶體管對特性一致，稱為差分對。由於採用恆流源偏置，若基極電流可忽略不計，則集電極電流之和等於,與輸入電壓無關，輸入電壓只改變偏置電流中的分配情況。之差對輸入差動電壓的關係由下式給出：

這是正切函數。當驅動信號很小時，它是一個線性放大器，可以用來鑒別兩個輸入信號之間的微小差值，也可以作為普通的單端輸入放大器。當時，它成為限幅放大器，可用於兩個信號的相位比較。限幅作用並非由於晶體管的飽和，而是由於恆流偏置限制了集電極電流的增加，因而具有很好的頻率響應特性。差動放大器有多種變型。在單端輸出時，可以僅用一個負載電阻器或者用電流鏡代替電阻器(圖9)。偏置恆流源有時也可以用一個電阻器取代。此外，兩個晶體管的發射極之間也可串入電阻，用來改變放大器的性能。模擬乘法器　它能接受兩個模擬信號的輸入併產生與其乘積成比例的輸出信號。圖10為蓋爾伯特乘法器，核心部分是由組成的交叉連接的兩對差動晶體管。利用上式可導出電壓。二極體 用來產生反雙曲正切函數：。信號電流由電壓-電流轉換電路產生。如果電阻足夠大，則。因此,的乘積

蓋爾伯特乘法器允許輸入電壓具有正或負的極性，因而通常稱為四象限乘法器。它可與運算放大器結合完成乘法和除法、平方和開方運算，還可用於相位檢測、倍頻和增益控制。能隙電壓基準　一種能夠產生低電壓輸出的基準電壓源（圖11）。它利用一個與絕對溫度成正比的電壓U來補償正向發射結電壓的負溫度係數。U是由工作電流密度不同的晶體管上產生。基準電壓不隨溫度變化的理論值大約為伏，與半導體硅的禁帶寬度近似相等，因而稱作能隙電壓基準。由於摻雜濃度與器件幾何尺寸的加工誤差，實際可獲得的基準電壓溫度係數通常為量級。