Схемотехника

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2295 

Кафедра полупроводниковой электроники и физики
полупроводников 

М.Н. Орлова 
И.В. Борзых 
 

Схемотехника

 

Курс лекций 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2016 

УДК 621.375.1 
 
О-66 

Р е ц е н з е н т  
канд. физ.-мат. наук, доц. О.И. Рабинович 

Орлова М.Н.
О-66  
Схемотехника : курс лекций / М.Н. Орлова, И.В. Борзых. – 
М. : Изд. Дом МИСиС, 2016. – 83 с. 
ISBN 978-5-87623-981-5 

Приведен обзор основных электронных схем и устройств схемотехники. 
Представлено описание функционирования, методов анализа и синтеза наиболее важных устройств (логических и аналоговых интегральных схем, устройств памяти и т.д.). Рассмотрено большое количество примеров конструкций и топологии (КМОП и БиКМОП) элементной базы современных интегральных микросхем. 
Предназначен для бакалавров, обучающихся по направлению 11.03.04 
«Электроника и наноэлектроника». 

УДК 621.375.1 

© М.Н. Орлова, 
И.В. Борзых, 2016 
ISBN 978-5-87623-981-5 
© НИТУ «МИСиС», 2016 

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Основные положения и направления развития схемотехники.........5 
1.1. Термины и определения................................................................5 
1.2. История и этапы развития микроэлектроники............................6 
1.3. Основы классификации изделий микроэлектроники...............10 
1.4. Фундаментальные пределы развития микроэлектроники .......13 
2. Технология изготовления элементов интегральных микросхем ...15 
2.1. Транзисторы n-p-n-типа ..............................................................15 
2.2. Соединения и контактные площадки.........................................17 
2.3. Изоляция элементов ....................................................................19 
2.4. Механическая обработка ............................................................20 
2.5. Окисление.....................................................................................21 
2.6. Фотолитография ..........................................................................22 
2.7. Травление .....................................................................................23 
2.8. Диффузия......................................................................................24 
2.9. Эпитаксия.....................................................................................25 
2.10. Создание металлизации и разделение пластин 
на кристаллы .......................................................................................27 
3. Пассивные элементы интешральных микросхем ............................28 
3.1. Интегральные резисторы ............................................................28 
3.2. Элементы интегральных схем....................................................29 
3.2.1. Биполярный транзистор.......................................................29 
3.2.2. Диоды в интегральных схемах ............................................33 
3.2.3. Конденсаторы в интегральных схемах...............................34 
4. Логические элементы интегральных схем .......................................38 
4.1. Классификация логических элементов......................................38 
4.2. Основные характеристики логических элементов ...................42 
4.3. Логические интегральные схемы на биполярных 
транзисторах........................................................................................44 
4.4. Логические элементы с передачей тока или напряжения........45 
4.4.1. Транзисторная логика с непосредственными связями......45 
4.4.2. Резисторно-транзисторная логика ......................................46 
4.4.3. Резисторно-емкостная транзисторная логика....................47 
4.4.4. Интегральная инжекционная логика ..................................48 
4.4.5. Логические элементы с логикой на входе. 
Диодно-транзисторная логика.......................................................48 
4.4.6. Транзисторно-транзисторная логика ..................................50 
4.4.7. Транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки ...56 

4.5. Логические схемы на переключателях тока..............................58 
4.5.1. Эмиттерно-связанная логика...............................................58 
4.5.2. Схемы на транзисторах с каналами одного типа 
проводимости..................................................................................60 
4.5.3. Схемы на комплементарных транзисторах........................62 
4.5.4. Логические элементы на БиКМОП-транзисторах.............64 
5. Триггеры..............................................................................................66 
5.1. Триггер. Бистабильная ячейка....................................................66 
5.2. Триггер Шмитта...........................................................................67 
5.3. RS-триггер....................................................................................68 
5.4. RST-триггер..................................................................................69 
5.5. D-триггер......................................................................................70 
5.6. Т-триггер ......................................................................................71 
5.7. JK-триггер ....................................................................................72 
6. Операционные усилители..................................................................74 
6.1. Классификация операционных усилителей ..............................74 
6.2. Цепи смещения интегральных усилителей...............................75 
6.3. Операционные усилители на биполярных транзисторах.........78 
6.4. Операционные усилители на МОП-транзисторах....................80 
Библиографический список...................................................................82 
 

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И НАПРАВЛЕНИЯ
РАЗВИТИЯ СХЕМОТЕХНИКИ

1.1. Термины и определения

Электроника – это наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и 
устройств, используемых для передачи, обработки, хранения, воспроизведения и использовании информации; это область техники, в 
основе которой лежит использование электронных приборов. 
Электроника бывает: вакуумная, квантовая, криогенная, молекулярная, полупроводниковая, промышленная, спиновая, твердотельная, физическая, функциональная (направление твердотельной электроники, охватывающее вопросы использования разнообразных физических явлений в твердых средах для интеграции различных схемотехнических функций в объеме одного твердого тела и создания 
электронных устройств с интеграцией) и т.д. 
Микроэлектроника – это область электроники, связанная с созданием и применением приборов и устройств в микроминиатюрном 
исполнении, изготавливаемых с применением групповой (интегральной) технологии. 
Схемотехника – это принципы и методы синтеза и реализации 
схем радиоэлектронных устройств, обеспечивающие их оптимальные 
характеристики на основе использования физических свойств и технических возможностей электронных приборов и электрорадиокомпонентов.  
Микросхемотехника (интегральная схемотехника) – это раздел 
микроэлектроники, охватывающий вопросы расчета и проектирования микроэлектронных изделий и способов их сочетания. 
Интегральная микросхема (микросхема) [IC – integrated circuit] – 
это микроэлектронное изделие, имеющее высокую степень упаковки 
электрически соединенных элементов и рассматриваемое как единое 
конструктивное целое, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и (или) накапливания информации и 
имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных 
элементов (или элементов и компонентов). 
Плотность упаковки – это отношение числа простых компонентов и элементов, в том числе содержащихся в составе сложных компонентов, к объему микросхемы без учета объема выводов. 

С точки зрения внутреннего устройства микросхема представляет 
собой совокупность большого числа элементов и компонентов, размещенных на поверхности или в объеме общей диэлектрической или 
полупроводниковой подложки. Термин «интегральная» отражает 
конструктивное объединение элементов и компонентов, а также полное или частичное объединение технологических процессов их изготовления. 
При использовании в радиоэлектронной аппаратуре сами микросхемы являются элементами, т.е. простейшими неделимыми единицами. В этом смысле они составляют элементную базу радиоэлектронной аппаратуры. 
Особенностью микроэлектронных устройств является высочайшая степень сложности выполняемых ими функций. Очевидно, что 
при большом числе элементов обеспечить правильность связей между ними и надежность функционирования вручную невозможно. Отсюда следует ключевое требование максимальной автоматизации 
производства изделий микроэлектронной техники. 
Принципиально важным моментом является то, что при изготовлении микросхем используется групповой метод производства. Суть 
его заключается в том, что на одной пластине полупроводникового 
материала одновременно изготавливается большое число интегральных схем. Кроме того, если позволяет технологический процесс, одновременно в работе находится несколько десятков таких пластин. 
По завершении основного технологического цикла пластина режется 
на кристаллы, каждый из которых представляет собой отдельную 
микросхему. На заключительной стадии осуществляют корпусирование – помещение кристалла в корпус и соединение контактных площадок с выводами (ножками) интегральной схемы. 
Групповой метод производства и необходимость выполнения 
большого числа электрических соединений делают оптимальной и 
пока безальтернативной пленарную (от англ. plane – плоскость) технологию изготовления микросхем. При этом все элементы и их составляющие, а также необходимые соединения формируются в интегральной схеме через плоскость. 

1.2. История и этапы развития микроэлектроники

История создания интегральных схем (ИС) началась во второй 
половине XX столетия. К тому времени сформировались необходимые для этого предпосылки – с одной стороны, радиоэлектронная 

аппаратура становилась всё сложнее, а значит, и дороже в сборке, 
наладке и ремонте. Кроме того, с увеличением количества деталей и 
межсоединений резко снижалась надежность. С другой стороны, 
появились соответствующие технологии, в первую очередь связанные с твердотельной полупроводниковой электроникой. 
Первые в мире ИС были разработаны и изготовлены в 1959 г. американцами Джеком Сент Клером Килби (фирма Texas Instruments) и Робертом Н. Нойсом (Fairchild Semiconductor) независимо друг от друга. 
В мае 1958 г. Джек Килби перешёл в фирму Texas Instruments (TI) 
из фирмы Centralab, в ней он возглавлял программу по разработке 
слуховых аппаратов, для которых фирма открыла небольшое предприятие по созданию германиевых транзисторов. Уже в июле 1958 г. 
Килби пришла в голову идея создания ИС. Из полупроводниковых 
материалов уже умели изготовлять резисторы, конденсаторы и транзисторы. Резисторы изготовляли, используя омические свойства полупроводника, а для создания конденсаторов использовались смещённые в обратном направлении p-n-переходы.  
В начале октября 1958 г. Килби начал создавать конструкцию 
триггера на одном кусочке монолитного германия. Для его изготовления был применён метод фотогравировки, которым владела фирма 
TI. В начале 1959 г. такая «твёрдая схема» была изготовлена, а в марте 1960 г. представлена на выставке американского Института радиоинженеров. Килби подал заявку на выдачу патента. Марк Шеферд, тогда вице-президент фирмы TI, отметил данную работу Килби 
«как наиболее значительную разработку фирмы Texas Instruments со 
времени выпуска кремниевого транзистора». 
Однако несмотря на широкое освещение прессой, это достижение 
было встречено весьма скептически, хотя большинство критических 
замечаний были верными: ограничения, связаннные с интеграцией 
(параметры индивидуальных компонентов ИС нельзя оптимизировать); выход годных ИС был менее 10 %; дороговизна готовой матрицы-образца ИС; невозможность в последующем видоизменять и 
дорабатывать схему. 
Многие недостатки твёрдых схем были устранены позднее Робертом 
Нойсом. С января 1959 г., занимаясь в фирме Fairchild Semiconductor 
(FS) исследованием возможностей планарного транзистора, он вплотную занялся выдвинутой им идеей создания интегральных диффузионных или напылённых резисторов методом изоляции приборов с 
помощью смещённых в обратном направлении р-n-переходов и соединения элементов через отверстия в оксиде путём напыления ме

талла на поверхность. Вскоре была подана соответствующая заявка 
на патент, и разработчики элементов в сотрудничестве со специалистами по фотолитографии начали работать над вопросами соединения диффузионных резисторов и транзисторов на кремниевых пластинах. 
В отечественной технологии разработки и производства транзисторов период до начала 1960-х годов характерен использованием 
монокристаллов германия в качестве исходного материала и выпуском только биполярных транзисторов. Униполярные транзисторы не 
выпускались. Техника интегральных схем требовала наличия обоих 
типов транзисторов в качестве активных элементов микроэлектронных схем различного функционального назначения и внедрения технологии монокристаллов кремния.  
Стратегическим прорывом США в области создания транзисторов 
и интегральных схем надо считать разработку и производственное 
внедрение технологии на кремнии, особенно такой технологии, как 
планарная. В отечественной производственной практике освоение 
планарной технологии практически было начато только в 1962 г. с 
нулевого уровня. 
Существенным толчком к развитию работ явилось изобретение 
кремниевых интегральных схем в 1959 г. в США Джеком Килби и их 
производство американской фирмой «Тексас» для использования в 
системе наведения ракеты «Минитмен». Попытки создания объёмных интегральных отечественных схем на германии осуществлялись 
в НИИ-35 в 1959–1962 гг. С 1959 г. разработки отечественных кремниевых интегральных схем, по сути дела, представляли собой непрерывный процесс конкурентной заочной борьбы с Джеком Килби. 
Действовали концепции повторения и копирования американского технологического опыта – методы так называемой обратной инженерии МЭП. Образцы-прототипы и производственные образцы 
кремниевых ИС для воспроизводства были получены из США, а их 
копирование было строго регламентировано приказами Министерства электронной промышленности СССР (министр А.И. Шокин). Концепция копирования жёстко контролировалась министром на протяжении более 19 лет. 
Это относилось не только к разработкам микроэлектроники, но и 
к созданию на её основе компьютерной техники, например при воспроизводстве компьютеров серии IВМ-360 – (отечественная серия 
«РЯД 1-2»). Наибольшую технологическую помощь оказывал процесс копирования реальных действующих американских образцов 

кремниевых ИС. Копирование осуществлялось после разгерметизации и снятия крышки с образца, копирования плоского (планарного) 
рисунка транзисторов и резисторов в схеме, а также после исследования под микроскопом структуры всех функциональных областей. 
Результаты копирования выпускались в виде рабочих чертежей и 
технологической документации. 
Создание первой отечественной кремниевой ИС было сконцентрировано на разработке и производстве с военнной приёмкой серии 
интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов – эквивалент 
схемотехнической сложности триггера, аналога американских ИС 
серии SN-51 фирмы Texas Instruments). Работы проводились НИИ-35 
(директор А.Ф. Трутко) и Фрязинским заводом (директор Г.Д. Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты. 
Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых 
планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (1962–1965 гг.). Ещё два года ушло на 
освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино 
(1967 г.). Анализ внедрения цикла планарной технологии (свыше 300 
технологических операций) в отечественной практике показал, что 
эту критическую технологию пришлось осваивать с нулевого уровня 
и практически самостоятельно, без помощи извне, в том числе и по 
технологическому оборудованию. Над решением этой проблемы работал коллектив в 250 человек научно-технологического отдела 
НИИ-35 и опытного цеха, специально созданного при отделе. Одновременно отдел служил полигоном для обучения специалистов многих 
предприятий МЭП, осваивавших эту технологию. Например, специалисты полупроводникового завода 2-го Главного управления МЭП в Воронеже (директор В.Г. Колесников) обучались именно в этом отделе. 
Основное внимание при разработке планарной технологии было 
уделено производственному освоению техники промышленной фотолитографии с высоким оптическим разрешением, вплоть до 1000–2000 
линий на миллиметр. Эти работы велись в тесном взаимодействии со 
специалистами-оптиками из ЛИТМО и ГОИ. 
Большую роль сыграли также разработки отдела по автоматизации планарной технологии и конструированию специального технологического оборудования. Разрабатывались автоматизированные 
агрегаты пооперационной обработки кремниевых технологических 
пластин (отмывка, нанесение фоторезиста, конвейерное окисление 
и т.п.) на основе использования пневмоавтоматики. 

1.3. Основы классификации изделий
микроэлектроники

Интегральные схемы можно классифицировать по нескольким 
признакам: функциональному назначению, конструктивно-технологическим особенностям, степени интеграции, мощности обрабатываемого сигнала, быстродействию, специальному назначению (узкоспециализированные схемы, например сверхмалошумные, спецстойкие, низко- и высоковольтные и т.д.).  
Необходимо отметить, что любая классификация не является абсолютной. Так, типично аналоговую ИС усилителя при определенных условиях можно использовать в качестве логического элемента, а логический элемент – в качестве линейного усилителя. Однако для конкретной 
области применения наиболее оптимально подходят специально предназначенные для этого ИС в соответствии с классификацией. 
Кроме того, существует довольно много примеров, когда конкретное изделие трудно однозначно отнести к тому или иному типу. 
Например, если интегральная схема содержит одновременно и аналоговые и цифровые компоненты.  
Тем не менее классификация существует и в большинстве случаев 
успешно работает, что позволяет упорядочить не только учёт и хранение ИС, но и их проектирование, а также базовые схемотехнические решения. 
По функциональному назначению микросхемы традиционно подразделяются на цифровые и аналоговые. Цифровая микросхема 
предназначена для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции. В аналоговых микросхемах 
сигналы изменяются по закону непрерывной функции. Типичный 
пример аналоговых микросхем – это операционные усилители, цифровых – логические элементы типа И, ИЛИ, НЕ и их комбинации.  
Конструктивно-технологическая классификация микросхем учитывает способ изготовления и получаемую при этом структуру. По 
конструктивно-технологическим признакам различают полупроводниковые и гибридные микросхемы. 
В полупроводниковой микросхеме все элементы и межэлементные 
соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника.  
Степень интеграции является критерием оценки сложности микросхемы, она обычно определяется простой суммой всех элементов, 
содержащихся на кристалле, а не делением этой суммы на объём или 
площадь, т.е. плотностью упаковки. Это связано с тем, что, особенно 

на ранних этапах развития, размеры кристалла были несопоставимо 
малы по сравнению с размером и объёмом корпуса ИС. Таким образом, было важно знать, сколько элементов N содержит один корпус, 
чтобы кристалл умещался в нем. Этот показатель называется «степень интеграции». Она определяется коэффициентом K = lg N, значение которого округляется до ближайшего большего целого числа. 
Так, микросхема первой степени интеграции (K = 1) содержит до 10 
элементов и простых компонентов, второй степени интеграции (K = 2) – 
от 10 до 100, третьей степени интеграции (K = 3) – от 100 до 1000 
и т.д. Если число элементов превышает 10 000, то микросхему называют сверхбольшой (СБИС). До недавнего времени для каждой степени интеграции существовали свои названия (табл. 1.1). Однако постепенно количество элементов стало играть намного меньшую роль 
в определении ценности конкретной ИС, к тому же непрерывное 
возрастание количества элементов привело к массовому распространению схем, содержащих миллион и более активных компонентов, 
что уже не входит в приведенную классификацию.  

Таблица 1.1 

Обозначения степеней интеграции ИС

Аббревиатура 
Значение K 
Название 
русская 
английская 

2 
Малая ИС 
ИС 
IC (integrated circuit) 

3 
Средняя ИС 
СИС 
MSI (medium scale integration) 

4 
Большая ИС 
БИС 
LSI (large scale integration) 

5 и более 
Сверхбольшая ИС 
СБИС 
VLSI (very large scale integration)

В настоящее время принято условно оценивать степень интеграции по десятичному логарифму числа элементов и компонентов, содержащихся в корпусе микросхемы. По этому признаку в настоящее 
время различают восемь степеней интеграции: 
– первая степень – 1–10 элементов; 
– вторая степень – 10–102 элементов; 
– третья степень – 102–103 элементов; 
– четвертая степень – 103–104 элементов; 
– пятая степень – 104–105 элементов; 
– шестая степень – 105–106 элементов; 
– седьмая степень – 106–107 элементов; 
– восьмая степень – свыше 107 элементов.  
В современной терминологии ИС первой и второй степеней интеграции называют малыми ИС (МИС или IС). Обычно они содержат 

один или несколько цифровых либо аналоговых элементов (логические вентили, триггеры, операционный усилитель и т.п.).  
Средняя ИС (СИС или MSI) – это интегральная схема второйтретьей степени интеграции, содержащая уже не элементы, а функциональные узлы устройства (регистр, счетчик, дешифратор и др.).  
Большая ИС (БИС или LSI) имеет третью либо четвертую степень 
интеграции и содержит одно или несколько функционально законченных устройств либо его частей.  
Сверхбольшая ИС (СБИС или VLSI) – интегральная схема пятойседьмой степени интеграции. К этому классу относятся, например, 
микросхемы микроконтроллеров, памяти большого объема и т.д. 
Ультрабольшие интегральные схемы (УБИС или ULSI) имеют степень интеграции выше седьмой. К СБИС и УБИС относятся, например, центральные микропроцессоры современных ЭВМ. 
Важным признаком, характеризующим уровень технологии производства микросхем, является плотность упаковки – количество 
элементов, размещенных на единице площади кристалла. 
В настоящее время для микросхем с низкой степенью интеграции этот 
параметр имеет порядок 102…103 мм2, т.е. на одном квадратном миллиметре помещается примерно 100–1000 элементов. В то же время в отдельных случаях (например, в современных микропроцессорах) плотность упаковки может достигать величины порядка 106 элементов/мм2. 
В зависимости от вида обрабатываемых сигналов все интегральные микросхемы подразделяют на аналоговые и цифровые. 
Аналоговые интегральные микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Областью их применения являются, прежде всего, 
устройства аппаратуры телевидения и связи, а также измерительные 
приборы и системы контроля.  
Цифровые интегральные микросхемы предназначены для обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной, как правило, 
двоичной функции. Они применяются для построения цифровых вычислительных машин, цифровых узлов измерительных приборов, систем автоматического управления и т.д. В настоящее время наблюдается 
тенденция все более широкого и успешного проникновения цифровых 
методов (следовательно, и микросхем) в традиционно аналоговые области. Примером могут служить цифровые методы обработки и записи 
звука, позволившие получить недостижимое ранее качество. 
По структуре и базовой технологии изготовления микросхемы 
подразделяются на два принципиально разных типа: полупроводни