【转帖】图解半导体制程概论

半导体器件从肯有2个管脚的二极管到最新的系统LSI、超大功率器件均有广泛的研究，且被广泛地运用于手机、数码家电产品、车载设备、计量仪、甚至高速铁路、制铁等工业用设备上。

现在被称作半导体器件的种类如下所示。按照其制造技术可分为分立器件半导体、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、存储器等大类，一般来说这些还会被再分成小类。此外，IC除了在制造技术上的分类以外，还有以应用领域、设计方法等进行分类，最近虽然不常用，但还有按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其规模进行分类的方法。此外，还有按照其所处理的信号，可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。

半导体器件的种类：

一、分立器件
1、 二极管
A、一般整流用

B、高速整流用：
①FRD（Aast Recovery Diode:高速恢复二极管）
②HED（Figh Efficiency Diode:高速高效整流二极管）
③SBD（Schottky Barrier Diode:肖特基势垒二极管）

C、定压二极管（齐纳二极管）

D、高频二极管
①变容二极管
②PIN二极管
③穿透二极管
④崩溃二极管/甘恩二极管/骤断变容二极管

2、 晶体管
①双极晶体管
②FET（Fidld Effect Transistor:场效应管）
Ⅰ、接合型FET
Ⅱ、MOSFET
③IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:绝缘栅双极晶体管)

3、 晶闸管
①SCR(Sillicon Controllde Rectifier:硅控整流器)/三端双向可控硅
②GTO（Gate Turn off Thyristor:栅极光闭晶闸管）
③LTT（Light Triggered Thyristor:光触发晶闸管）



二、光电半导体

1、LED（Light Emitting Diode:发光二极管）

2、激光半导体

3、受光器件
①光电二极管（Photo Diode）/太阳能电池（Sola Cell）
②光电晶体管（Photo Transistor）
③CCD图像传感器（Charge Coupled Device:电荷耦合器）
④CMOS图像传感器（complementary Metal Oxide Semiconductor:互补型金属氧化膜半导体）

4、光耦(photo Relay)
①光继电器（photo Relay)
②光断路器（photo Interrupter）

5、光通讯用器件



三、逻辑IC

1、通用逻辑IC

2、微处理器（Micro Processor）
①CISC(Complex Instruction Set Computer:复杂命令集计算机)
②RISC(Reduced instruction SET Computer:缩小命令集计算机)

3、DSP(Digital Signal processor:数字信号处理器件)

4、AASIC（Application Specific integrated Circuit:特殊用途IC）
①栅陈列（Gate-Array Device）
②SC(Standard Cell:标准器件)
③FPLD(Field programmable Logic Device:现场可编程化逻辑装置)

5、MPR（Microcomputer peripheral:微型计算机外围LSI）

6、系统LSI（System LSI）


四、模拟IC（以及模拟数字混成IC）



1、电源用IC

2、运算放大器（OP具Amp）

3、AD、DA转换器（AD DA Converter）

4、显示器用驱动器IC(Display Driver IC)

五、存储器



1、DRAM(Dynamic Random Access Memory:动态随机存取存储器)

2、SRAM(Static Random Access Memory:静态随机存取储器)

3、快闪式存储器(Flash Memory)

4、掩模ROM(mask Memory)

5、FeRAM(Ferroelectric Random Access Memory:强介电质存储器)

6、MRAM(Magnetic Random Access Memory:磁性体存储器)

二极管的种类及其用法

二极管是一种具有1个PN接合的2个端子的器件。具有按照外加电压的方向，使电流流动或不流动的性质。

二极管的基本特性

利用PN接合的少数载子的注入和扩散现象，只能一个方向（正向）上流通电流。如果在PN接合二极管的N型半导体加上负压、在P型半导体加上正电压，就可使电流流通。我们将该电流的流动方向叫做正向。如果外加正、负压与上述反方向的电压，则几乎不会流通电流。我们将该方向叫做反向。如果提高PN接合二极管的反向电压，则电流在某个电压值会急剧增加。我们将该电流叫做击穿电流。此时的电压值对电流而言基本上为定值。

二极管的特性曲线和图形记号、结构

下图表示二极管的特性曲线和图形记号、结构图。



二极管的特性曲线



二极管的图形记号、结构

二极管的种类和应用

1）一般整流二极管

二极管在一般的应用上，有利用电流只在一个方向上流通的功能的交流电压主的整流电路。

2)齐纳二极管（Zener Diode）

利用PN接合二极管的反向击穿电压的即为齐纳二极管（恒定电压二极管）。由于该电压对于电流来说基本上为定值，因此用于恒定电压调节器的基准电压源或浪涌电压（异常电压）吸收等用途。

3）其它二极管

．进一步提高一般二极管的开关特性的高速恢复二极管（FRD）；

． 接合金属和半导体来替代PN接合的肖特基势垒二极管（Schottky barrier diode）；

． 变容二极管、混合二极管、夹在真性半导体的I层中的PIN二极管等高频用二极管。

二极管的封装

1）单体

在一个封装中装一个器件的类型，使用最多。

2）中心抽头

用于一个封装内组装两个器件，且使用带有中心抽头的双绕线变压器的全波整流电路等。

3）串联

指两个二极管在内部串联，用于半波倍电压整流电路等。

4）桥式连接

如图所示，指装有四个二极管，用于将交流作全波整流时。



整流二极管的各种连接


二极管的各种封装


大电流整二极管的外观

高速开关二极管

可以改善二极管的反向恢复特性，实现高速开关的二极管。用于在较高开关频率下动作的反相器、开关整流器的还流二极管、整流二极管。同时正向损失也可降低。

特 征

PN接合二极管由于利用了少数载子，因此导电调制效果虽然可以降低正向电压，但少数载子所带有的反向恢复特性会阻碍高速切换。FRD和HED虽然都是PN接合二极管的一咱，但是将白金等重金属加入Si单结晶中，增加电子和空穴的再结合中心，能迅速消灭关断后的少数载子。同时，肖特基势垒二极管主要是由多数载子在运动，因此不会出现反向恢复特性。因此，运行也更快速。

反向恢复特性

PN接合二极管在正向电流的状态下突然施加反向电压的话，应付以在瞬间有较大的反向电流流通。这是因为从PN接合注入的少数载子反向移动，而该电流将流通直到少数载子流出或消灭为止。高速开关二极管用于缩短反向电流变为零为止的时间（反向恢复时间：trr）、改善反向电流波形的平滑性。



外加反向恢复电压时的少数载子的动作


反向恢复电流波形

种 类

1）高速恢复二极管（FRD：Fast Recovery Diode）

高速恢复二极管在结构上和一般整流二极管基本相同，但它是一种有白金、金等掺杂物质扩散在Si结晶中，增加了电子和空穴的再结合中心，关闭后少数载子会立刻被消灭的二极管。因此可以提高二极管的反向恢复特性（反向恢复时间：trr），实现高速动作。

2）高效二极管（HED：High Efficiency Diode）

高效二极管比上述FRD速度更快，损失更低（正向电压较低），因此它使用外延晶圆，在利用导电调制效果（参考PIN二极管）来降低正向电阻的同时，通过追加重金属扩散，能在不损坏正向特性的情况下，提高反向恢复特性。HED用于比FRD更为高速的开关电路。

3）肖特基势垒二极管（SBD：Schottky Barrier Diode）

真空能量等级和传导带等级的能量的差（称为电子亲和力）是利用金属和半导体的不同，根据和PN接合不同的原理，通过改变外加电压的方向来控制电流开合的。它和利用少数载子扩散电流的PN接合不同，主要是利用多数载子的漂移电流，因此可以实现高速开关。肖特基势垒二极管和PN接合二极管相比反向电流较大，因此在高压下使用时容易发生热故障，使用时要非常小心。



肖特基势叠二极管的通电状态和记号



肖特基势叠二极管的阻止状态


封装

稳压二极管（齐纳二极管）

这是利用了PN接合的反向特性的二极管。用于基准电压源和浪涌电压的吸收。

结构、动作

如果将PN接合二极管的反向电压逐渐提升的话，PN接合部的电场会升高，某个电压点会产生较大的电流。齐纳二极管（也叫稳压二极管）正是积极利用了这种电压电流特性。这种电流开始急剧流动的现象就是由齐纳击穿，或者雪崩击穿引起的。齐纳击穿是由隧道效应引起的，由于强大的电场将束缚电子拉离了接合，成为自由电子，并形成了电流，因此该电压会保持负的温度系数。而所谓雪崩击穿，是空乏层的电场中被加速的电子、或者空穴的高能量赋予了束缚电子以能量，而成为自由电子的现象，这种新的电子也被加速，并让其他束缚电子成为自由电子的现象重复的结果，就是形成了较大的电流，该电压会保持正的温度系数。大约6V以下主要是齐纳击穿，而6V以上则主要是由雪崩击穿引起的。因此，大约在5V时温度系数为零。



齐纳（稳压）二极管的图形记号、结构



齐纳（稳压）二极管的特性

用 途

齐纳二极管用于串联稳压器的在准电压源或汽车的电源线、电话线的浪涌电压（异常高压脉冲电压）的吸收，或者连接在计算机等的连接器上，来保护连接连接器时产生的ESD（静电压破坏）等。

高频二极管

高频波用的二极管也分成如下各种类型

1）变容二极管；

2）PIN二极管；

3）穿透二极管；

4）雪崩二极管；

5）甘恩二极管；

6）阶跃恢复二极管。

（1）变容二极管

给二极管外加反向电压时产生的空乏区域，其电荷以空间性分离，因此其发挥如同电容器的作用。当外加在二极管上的电压（反向）增加的话，则空乏层的宽度随之扩大，正如电容器的2片电极之间的间隔变宽那样，因此二极管的容量不断变小。利用这种特性，用于调谐器等同步电路、调谐电路等。



变容二极管的图形记号、结构图

（2 ）PIN二极管

PN接合之间夹着本征半导体（I型），外加正向电压的话，P型半导体和N型半导体会向本征半导体注入很多空穴、以及相同密度度的电子，从而降低比电阻。这种现象叫“导电调制效果”。PIN二极管正向流通直流电流的话，在导电调制效果下会显示出较低的电阻值，但外加反向直流电压的话，I层的空乏层会扩大，结果会显示出非常小的电容值。利用这种特性，可作为高频带的开关与共振电路的频段开关和减衰器。


PIN二极管的正向


PIN二极管的反向

（3）穿透（江崎）二极管

在添加高浓度杂质的P型、N型区域外加低电压时所形成的狭小空乏层，载子以穿透现象流通。该现象在正向电流流通前的低电压时产生，因此一部分显示负的斜率特性，而该二极管即使用这种特性。



穿透二极管的特性曲线

（4）雪崩二极管

将反向电压加在PN接合面，如果超出雪崩电压，则会发生载子的累增雪崩现象。如果将共振器的频率调谐在载子的累增雪崩所穿透的I区域的长度所规定的到达时间上，那么3-300GHZ之间可以产生大输出的振荡器或放大器。




雪崩二极管的模式图

（5）甘恩（Gunn）二极管

以N型砷化镓（GaAs）的结晶构成。虽然由于电压可使电子的速度增加，但在某个临界值，电子的运动能量会被结晶格子所吸收，而使速度降低。而且外加大于临界值的电压时，在负电极附近会发生高电场区域，并在结晶中移动。由于这种高电场区域的产生、移动、消灭都是以周期性进行，因此用于5-50GHZ的微波振荡器等。


甘恩（Gunn）二极管的模式图

（6）阶跃恢复二极管

将PN接合上的电压从正向切换到反向的话，电荷会聚积起来并被释放出去，但这个过程含有很多的高次谐波，因此很容易得到高输出微波。



阶跃恢复二极管的模式图

晶体管的种类和使用方法

具有信号放大功能的3个端子的半导体器件。作为电流载体，有利用电子及空穴两个载子的双极晶体管，以及只利用电子或空穴任何一种的场效应管（FET）。

晶体管的分类

双极晶体管中根据半导体的组合方式分为NPN型和PNP型。另一方面，场效应管因结构而分为接合型场效应管（结构FET）和MOS型场效应管（MOSFET）。还可再分为N通道、P通道，N通道中电流的主体为电子，P通道中为空穴。双极晶体管用于模拟IC、高频器人年、或者音频输出、串联调节器等模拟用途。另一方面，MOSFET的ON-OFF切换动作迅速，由于结构简单，且可由开关耗电量小的CMOS栅组合而成，而且通过微细加工技术可以提高性能，从而成为数字LSI器件上的必须构件。功率MOSFET是一种适用于改变ON-OFF循环时间而控制功率的开关领域的器件。


晶体管的分类


各种晶体管封装

双极晶体管

具有2个PN接合，利用电子以及空穴两个载子作用放大或开在动作的晶体管。

结构、运作

NPN晶体管中，为了消除基极、发射极接合面的电位势垒而外加正向电压的话，电子将从发射极的范围注入基极范国。削薄基极层的厚度后，几乎所有的电子都会作为扩散电流到达基极、集电极接合面，而成为集电极电流。同时空穴也从基极注入发射极，成为基极电流，但将发射极的杂质浓度提高到基极杂质100倍的话就可以降低电流的比例，依靠微小的基极电流可以控制较大的集电极电流。

NPN晶体管中电子虽为电流的主体，但PNP晶体管中空穴为主体，因此电流的流动方向相反。

应用及用途

高频特性良好，特性由物理量决定，因此偏差少，适合于无线设备的高频电路等模拟电路。而且电流驱动能力较大，因此作为电源、音频输出、电视机的水平偏向用等功率器件被广泛使用。


双极晶体管的结构



晶体管的图形符号



NPN晶体管的动作原理

场效应管（FET）

场效应管和双极晶体管不同，仅以电子或空穴中的一种载子动作的晶体管。按照结构、原理可以分为：

．接合型场效应管

．MOS型场效应管

★接合型场效应管（结型FET）

原 理

N通道接合型场效应管如图所示，以P型半导体的栅极从两侧夹住N型半导体的结构。将PN接合面上外加反向电压时所产生的空乏区域用于电流控制。

N型结晶区域的两端加上直流电压时，电子从源极流向漏极。电子所通过的通道宽度由从两侧面扩散的P型区域以及加在该区域上的负电压所决定。

加强负的栅极电压时，PN接合部分的空乏区域扩展到通道中，而缩小通道宽度。因此，以栅极电极的电压可以控制源极-漏极之间的电流。

用 途

即使栅极电压为零，也有电流流通，因此用于恒定电流源或因低噪音而用于音频放大器等。


结型FET的图形记号



结型FET的动作原理（N通道）

★MOS型场效应管

原 理

即使是夹住氧化膜（O）的金属（M）与半导体（S）的结构（MOS结构），如果在（M）与半导体（S）之间外加电压的话，也可以产生空乏层。再加上较高的电压时，氧华膜下能积蓄电子或空穴，形成反转层。将其作为开关利用的即为MOSFET。

在动作原理图上，如果栅极电压为零，则PN接合面将断开电流，使得电流在源极、漏极之间不流通。如果在栅极旧外加正电压的话，则P型半导体的空穴将从栅极下的氧化膜-P型半导体的表面被驱逐，而形成空乏层。而且，如果再提高栅极电压的话，电子将被吸引表表面，而形成较薄的N型反转层，由此源杖（N型）和漏极（N型）之间连接，使得电流流通。

用 途

因其结构简单、速度快，且栅极驱动简单、具有耐破坏力强等特征，而且使用微细加工技术的话，即可直接提高性能，因此被广泛使用于由LSI的基础器件等高频器件到功率器件（电力控制器件）等的领域中。


MOS FET的图形记号



MOS FET的动作原理（N通道）

高频晶体管

具有高速电子移动率、低噪音特性、高fr（断开频率）等优良的特性。以使用化合物半导本为主。GaAaMESFET、HEMT、HBT等为代表一晶体管，用于移动通讯、卫星通讯等领域。

★FET系列高频晶体管

GaAs MESFET

GaAs MESFET：是利用了半导一材料中比Si移动性好的GaAs （Ⅲ-V族的化合物半导体）的接合型FET。具有高频、高增益、低噪音的特征。

基本结构

和Si不同, GaAs无法得到优质的栅极氧化膜,因此无法形成MOSFET.是一种使用金属-半导体接合面(肖特基接合面)作为栅极结构的接合型FET。在半绝缘性的基板的表面侧注入离子，或通过外延成长所作的N型GaAs通道层，上面有附加肖特基接合面的栅极电极和欧姆接点的源极、漏极电极。

动作原理

动作原理是将在金属-半导体接合面延伸到通道层内的空乏层，通过栅极电压加以控制，从而控制源极、漏极电流的结构。



高频晶体管


GaAs MESFET的结构

HEMT（高电子移动度晶体管；简称HEMT）

所谓HEMT，是指将AIGaAs/GaAs层混合接合部界面所产生的电子积蓄层作为通道的晶体管。因为可以直接通过栅极电极控制通道，因此除了低噪音、高增益以外，还具有特别优良的GHz带的高频波的特征。

基本结构

将在Ⅲ-V族化合物半导体混合接合面部分合面）所产生的高移动率的电子层（或空穴层）作为通道的肖特基栅极型FET。将栅极电极设置在AIGaAs层上，使其厚度变薄，在外加栅极电压时，使AIGaAs层完全空乏。

动作原理

由混入AIGaAs层的施体不纯物提供的电子横切混合接合面后，向能量较低的GaAs侧移动，移动后的电子被AIGaAs侧施体离子的库仑力吸引到混合接合界面，形成极薄的通道层。通过栅极电压控制该2次元电子气体的浓，控制源极、漏极之间的电流。这样，电子和不纯物离子被分离，GaAs中的电子可以不受到不纯物散乱的影响，高速移动。



GaAs系列HMET的结构

★双极系列高频晶体管

HBT（混合接合双极晶体管）及其动作原理

HBT是用于高频开发出的双极晶体管的一种。和一般的双极晶体管（单接合双极晶体管）中，发射极、基极采用相同的半导体材料制成的相反，HBT的基极、发射极使用不同的半导体材料。一般的双极晶体管为了提高高频特性，将基极的不纯物浓度提高，将在极层弄薄，但由于电流放大率会下降，因此有一定的界限。制成HBT结构，就能利用构成发射极和基极的半导体材料的能量差的不同，在不降低电流放大率的的情况下，提高不纯物浓度，进一步提高高频特性。

SiGe基本结构

其结构就是将通常的Si的NPN晶体管的基极通过外延成长转换为SiGe混晶基极。可以使用和一般硅双极相同的制程、设备制成，因此可以制造具有优良高频特性、价格便宜的半导体器件。适用于混合双极晶体管和CMOS的高频BiCMOSLSI用。

高频器件的用途

高频器件用于手机、个人机器GPS天线、卫星广播接收机等。

大功率晶体管（功率MOSFET）的种类和使用方法

大功率MOSFET绝大部分被用于开关。因此ON电压（ON电阻）的降低和调制的高速化很重要。大功MOSFET是具有高速性和高破坏耐量的理想型功率控制哭件。

★功率MOSFET结构及种类

一般MOSFET，其电流方向与芯片表面的方向平行，相反功率MOSFET是在芯片的垂直方向流经电流。这种结构中，ON电阻下降，可以流经大电流。

功率MOSFET的栅极结构中有栅极在芯片的表面方向形成的平面型栅极以及在垂直方向上形成的沟槽型栅极2种。一般情况下，沟槽型栅极结构的ON电阻可以进一步减小，但一旦变为高耐的话，在价格×性能面反而平面型栅极结构更利。

用 途

功率MOSFET因为特性比较稳定，使用方便，因此广泛使用。在DC-DC转换器等开关电源、照明设备的反相电路、马达的反相电路及速度控制等多方面得到广泛的使用。



MOSFET的结构的种类



各种功率MOSFET

★超接MOSFET

结构及动作

一般MOSFET的缺点，是提高耐压的话ON电阻就会急增加。超接MOSFET就是为了改善这个缺点而发明出来的一种器件。纵向延伸的薄板状N层和P层相邻配置，令N层和P层的杂质浓度一致。在ON状态下电子流过比电阻较低的N层，可以获得较低的ON电阻。此外，在OFF状态下使N层-P层空乏化，就能得到和本征半导体相同的平坦的电场分布，从而实现高耐压。

可以在保持MOSFET的高速开关特性的同时，获得高耐压、低ON电阻的特性。

用 途

可用于高耐开关电源、PFC（功率改善）等领域。


超级MOSFET的结构

I G B T

IBGT是高耐压MOSFET的一种。它利用导电调制效果（参照PIN二极管）改善了一般MOSFET的缺点----伴随着高耐压化而产生的ON电阻的增加。

结构及动作

要实现MOSFET的高压化。需要杂质浓度比较低，且层厚比较厚的漏极N-区域。因此，MOSFET在ON状态下的ON电阻会增大。IGBT就是在相当于MOSFET漏极的部位增加了正向的PN接合，从P型半导体向N型半导体注入空穴。这样一来，就能在该区域形成电子、空穴密度非常高的状态，实现较低的ON电阻。

用 途

IGBT被广泛应用于变频空调、IH烹调设备等白色家电产品及工业设备、泵、稳压电源、风力发电等工业用途，以及混合动力汽车、燃料电池车、还有铁路车辆的马达控制等领域。


IGBT的图形记号、结构


和一般的晶体管外观相同的IGBT




大型IGBT的外观

晶闸管（SCR）和三端双向控硅开关（TRIAC）

晶闸管（硅控制整流器件）具有NPNP的4层结构，可以通过栅极信号控制正向电流通电时间的开关用半导体器件。三端双向可控硅开关具有NPNPN的5层结构，是一种可以控制交流电压的元件。

★晶闸管

结构及动作

晶闸管具有NPNP的4层结构。从等价电路的角度来说，相当于NPN晶体管和PNP晶体管各自的基极作为内部结构连接到了对方的集电极上。因此，NPN的基极上一旦从外部流入电流后，相应产生的NPN的集电极电流就成为PNP的基极电流，该基极电流所对应PNP的集电极电流就成为NPN的基极电流，这样的循不不断重复完全成为ON状态（栅闩状态）。

晶闸管可以通过栅极关闭电流，但无法像晶体管一样自已切断电流。要进入OFF状态，需要将电流降低到一定电流（维持电流）以下，或者进入一定时间反阻止状态。

动作可分成3个状态。

．反阻止状态：对于阴术来说，阳极上外加负电压的情况下，电流和栅极状态无关，不能流通

．OFF状态：对于阴极来说，即使阳极变正时，栅极电流对于阴极成负乃至零的情况下，电流也不能流通。

．ON状态：对于阴极来说，当阳极为正时，如果在栅极上加正电压，就会产生电流。

用 途

适合于交流电压的开关及相位控制电路、电容器电压的放电电路、继电器及螺线管的开关。

以下是一些实际的应用举例：电源线的开关及灯的调光控制、加热器的功率控制、气体点火电路 点燃客点火电

路、漏电断路机、频闪闪光电路等。



晶闸管的图形记号、结构



晶闸管的特性曲线


晶闸管

★三端双向可控硅

结构及动作

三端双向可控硅的结构是将2个晶闸管相互反向并联。和晶闸管不同，可控制正反任一方向的电流。电流可双向流动是因为总有一个晶闸管是正向ON状态的。

三端双向可控硅最大特征是可以双向控制AC电流。而且正负任何一栅极输入也可以打开三端双向可控硅。

实际上在第4象限上的控制常常得不到保障，因此使用时通常用第1限限和第3象限的组合，或者第2象限和第3象限的组合。和晶闸管一样，要进入OFF状态，需要将电流降低到一定电流（维持电流）以下。利用具有三端双向可控硅输出的光耦的话，就能很方便地利用第1象限加第3象限的组合。

用 途

使用商用电源的机器，特别在洗衣机及吸尘器等家电设备及复印机等OA设备、AC马达的旋转控制及加热器功率控制、灯的调光控制、继电器及螺线管的开关电路等方面被广泛使用。



三端双向可控硅的图形记号、结构



三端双向可控硅的特性曲线



三端双向可控硅的驱动法

高电压、大电流晶闸管

作为数千V、数百A的电力控制用器件，分成GTO（门极关断晶闸管）和LTT（光触发晶闸管）

★门极关断晶闸管（GTO）

GTO结构和表一般的晶闸管类似，和一般的晶闸管一样在栅极和阴极之间外加正向电压的话，就会进入ON状态。此外，在栅极上外加反向电压主，让阳极电流被栅极侧吸收的话，就能进入OFF状态的自已消弧型晶闸管。

用 途

．铁路电车驱动装置

．工业用马达驱动装置



GTO的结构、图形记号

★光触发晶闸管（LTT）

一般的晶闸管在栅极上外加电气信号后进入ON状态，而如果是LTT的话，则在栅极上照射光仟送过来的光信号，进入ON状态。可以从电力上将主电力系统和驱系统分离开来，因此能令装置的结构更加间单。

用 途

．直流输电用电力变换装置

．周围端数变换装置、无效电力补偿装置



半导体传感器和种类和使用方法

利用光、温度、磁性、压力、加速度等外部环境的变化引起半导体内部的载子、空乏层、接合部分电容等的变化，作为电压及电容变化取出的即为半导体传感器。

半导体传感器的种类

下图所示代表性半导体传感器的种类、传感的对象以及用途。





比如，光电传传感器有光电二极管。这是将进入接合部分的光量变换为电荷的传感器，可以将排列多个光电二极管的电荷通过时钟脉冲像“水桶传接”般取出的即为CCD图像传感器。

磁性传感器的动作原理

这里就属于磁性传感器的霍尔器件（Hall element）作说明

霍尔器件的动作原理

如果在半导体芯片中流通控制电流（IH），在电流垂直的方向上外加磁场（磁束密度B）的话，电流和磁场呈垂直的方向上将产生电压。这种现象叫做霍尔效应，产生的电压叫做霍尔电压（VH）。利用这种霍尔效应，检测出磁场的传感器即为霍尔器件，材料主要适用Si、 GaAs。

内置放大输出电压的电路等的器件叫做霍尔IC。

霍尔电压VH用

VH=KH．IH．B来表示。

KH：积感应系数（常数）

用 途

用于马达旋转测、乘法电力计等。



霍尔器件的外观



霍尔器件的动作原理

光电半导体的体系

我们将使用半导体，将电气信号变换为光信号或反过来将光信号变换为电气信号的器件叫做光电半导体。光电半导体有各种种类。按照功能、动作原理、结构、用途分类，主要的光电半导体可以分为以下几类。



光电半导体的体系

发光二极管（LED）的动作原理

LED是放射光的二极管，流通电流的话，将发射可见光或红外线光。

L：Lingt

E:Emitting

D:Diode

动作原理：

LED是具有PN接合面的半导体。外加正向电压的话，电子将从N型区域，空穴将从P型区域向PN接合部分移动后再结合，电子带来的能量就转换为光。也就是说，自由电子和空穴进入结合状态时所产生的能量变成光后放射出来。

光的颜色（光的波长）由半导体的种类和添加物决定，各种化合物半导体的用法如下。



主要LED用半导体的种类



发光二极管的结构



发光二极管的动作原理



发光二极管的图形记号

可见光LED的种类和使用方法

可见光LED属于诉诸于视觉的器件，因此针对颜色、形状、结构有各种种类

★LED灯

指用透明树脂等封住GaP及GaAsP、GaP∣As等构成的LED芯片器件。发光的部分主要呈圆屋顶形状，可以根据用途转变为三角形、四角形、凸形等。如果是高亮度LED的话，则可以获得5cd（烛光）以上的光量。

用 途

汽车用停止灯、铁路用信号机、道路信息板等



LED灯的外观



★SMD LED灯的外观

SMD LED是一种和一般的圆形LED灯相比，以小型薄型为特征的表面安装用器件。由于近年来电子设备小型化，需要急速增加。

用 途

手机、移动设备



SMD LED灯的外观

★白色LED

为了用LED作全色显示，必须采用发出3原色（红色、绿色、蓝色）光的LED。白色LED就是将各种发光芯片内置在1个封装内的器件。此外，还有在蓝色LED里内置补色荧光体，用蓝色以及蓝色能量激起的补色来发出白色光的器件。

用 途

全色液晶面板用背景光、低耗电灯



白色LED的原理



★LED显示器

指将LED芯片固定在印刷基板及金属引线上，用成形的树脂外壳封住数字及文字的器件。7段数字显示显器为代表器件。

用 途

．TV、TVR

．音响

．家用电器

．OA设备



LED显示器的外观

★显示用LED

除了高亮度化、多色化以外，还可以发挥所谓高可靠性、低耗电、高速应答性等LED特征，实现多色显示。安装多色显示。安装驱动LSI的点陈式显示为代表性器件。

用 途

．车站的目的地显示板

．各种信息显示板

．商场、棒球场、赛马场的室外大画面显示器



显示用LED的外观

激光半导体的动作和使用方法

激光半 体也被称为“激光二极管”（Leser Diode）.激光是一种通过诱导放出来将光放大的器件。而发出人眼可以识别的波长的叫做VLD(Visible Laser Diode).

动作原理

激光半导体（LD与LED不同，不是由注入的少数载子简单地重新结合起来，而是由于光的刺激而再结合起来，发出相位一致的光来）。 而且，芯片的一对端面呈镜面状，由激光共振器构成。光在该共振器内往返的过程中放大后，取出到芯片外部。

特征

因为LD的主体是被称为诱导放出的发光过程，因此可以得到波长及相位整齐集中在一起（相干性）的光。为此，指向性及能量集中性相当优良。



激光半导体的外观


激光半导体的动作原理

结晶的种类的振荡波长

使用的结晶材料不同，激光的振荡波长也不一样。大致可分为如左图所示几大类。而且，可以由1个器件发出2种不同波长振荡的二波长激光半导体也已经大量生产。

主要的应用领域

InGaAIP激光：光盘（DVD）、条形码读取头

GaAIAS激光：光盘（CD/MD）、激光束打印机

InGaAsP激光：光通信

InGaN激光：光盘（HD-DVD、蓝光光碟）



结晶的种类的振荡波长


激光半导体的封装结构

受光器件的种类和使用方法

半导体的基本机构之一PN接合部对光是非常敏感的。受光器件就是利用了这个特点，将光信号变换为电气信号（电流或电压）

★光电二极管

一旦光射入PN接合二极管，结合在晶格内的电子被解放，成为自由电子，会产生一对自由电子及空穴。反向电压引发的空乏层内，或者其附近由于光的照射而产生的自由电子和空穴对将会会离，成为强度与光的强弱成比例的反向电流。这就叫光电流。空乏层以外的区域产生的自由电子和空穴对会再次接合成为热，并消失。

用途

光传感器

摇控器（红外光受光）

检测出光的断开



光电二极管的动作原理



光电二极管的图形记号

★太阳电池

利用光电二极管，将光能量变换为电气能量的器件即为太阳电池。 如果加了正向电压其电压仍然较低的话，由于电位势垒存在空乏层，因此光照射而产生的自由电子和空穴对会分离，在正向电压状态下会流出输出电流。在要求较高变换效率的用途中，使用单结晶硅或化合物半导体的GaAs等，在即使变换效率某种程度上较低，但要求大面积、低价格的用途中，使用非晶质硅等。

用途

钟、电子计算器

太阳光发电系统

★光电晶体管

可以视为光电二极管中安装放大器的晶体管。 形成基极、集电极的PN接合是一种感光的二极管。通过光，在这个接合面产生的光电流将向发射极流动。通过晶体管的放大作用，这种发射极电流将放大到最初光电流的几百倍。

用途

光电传感器

光电开关


受光晶体管的外观



光电晶体管的动作原理



光电晶体管的图形记号

CCD图像传感器的动作和使用方法

这是将矩阵状分配的多个光电二极管和CCD集成到一起的光电传感器。CCD是一种将光电二极管内产生的面系列电荷依次转送并转换成时间系列的器件。(C：Charge C:Couple D:Device)

CCD的结构和动作原理

CCD具有形成于基板表面的N型不纯物层的上面像链条一样并排多个MOS型电极的结构。转发电极是重合2层或3层多晶硅的结构，尽可能缩小电极和电极的间隔形成。沿着排放的转发电极，施加以时钟脉冲的话，存在于电极之下的电荷将按顺序向旁边的电极之下移动。



CCD的结构

CCD图像传感器

在P型不纯物层的上部形成光电二极管、CCD、信号检测电路。光电二极管将光变换为电子（电荷），CCD将该电荷发送到信号检测电，电荷变换为电压信号。我们将光电二极管一维排列的传感器叫作线性传感器，将二维排列的传感器叫作面阵图像传感器。


CCD图像传感器（线性）的外观

特征

高感应度

高解析度

低噪音

用途

图像扫描仪

多功能打印机

复印机

CMOS图像传感器的动作和使用方法

这是将矩阵状分配的多个光电二极管和MOS模拟开关集成到一起的光电传感器。矩阵状配置的MOS模拟开关是将光电二极管中产生的面系列电荷转换成时间系列的器件。

CMOS图像传感器

CMOS图像传感器由半导体基板上的光电二极管和每个光电二极管形成的读取晶体管电路以及指定地址的扫描电路构成。读取在扫描电路上指定的光电二极管的电荷，然后在晶体管中依次作为输出信号读取。CCD图像传感器按照顺序转发电荷，输出图像信息，碉CMOS图像传感器将纵向和横向的晶体管动作组合后输出图像信息。

特征

低耗电

单一电源驱动

系统集成电路化简单

用途

插秧机、便携式信息终端机、数码相机、PC相机、图像辨识（指纹检测、二维条形码等）



CMOS图像传感器（面陈型）的外观



CMOS图像传感器的结构



CCD图像传感器和CMOS图像传感器的动作比较

光耦的动作和使用方法

这是一种将发光器件和受光器件进行光学性结合（耦合），安装在1个封装内的光复合器件。可以在电路和电路之间电气性绝缘的情况下传达信号。

内部结构

安装在个别框架内的发光器件（一般情况下为红外线LED）和受光器件在光结合的状态下放置，并且彩绝缘性的树脂塑膜定型。



光耦的内部结构

动作原理

通过电气输入信号从发光器件（LED）放射出来的光通过受光器件再次变换为电气信号输出。输入信号和输出信号都是电气信号，但器件内部是通过光来执行信号传输的。因此，该器件的特征就是输入侧和输出侧电气性处于数千V的绝缘分离状态。


光耦的动作原理

种 类

根据应用电路，存在具有各种受光器件的光耦

晶体管输出

达林顿晶体管输出

晶闸管输出

三端双向可控硅输出

IC（逻辑）输出.



光耦的外观


光耦的种类

用 途

电子设备中，微控制器等直流电压系统、交流电压系统、电话线等不同的电源系统安装在相同的装置内，相互传达信号。

将这些不同的电源系统直接结合的话，可能会引起动作上或安全上各种故障，而如果使用光耦的话，可以在各电源系统之间绝缘的状态下传达信号。

家电产品、AV机器

电源、充电器

电话、计算机

光继电器的动作和使用方法

和光耦结构类似，而特别把用源极共通连接起来的2个MOSFET构成输出段的器件叫作光继电器。



光继电器的外观

动作原理

将受光器件的光电二极管作为太阳电池使用。红外线LED发射光的话，受光器件（太阳电池）就会产生光起电力。这个电力通过控制电路令MOSFET的栅极电压上升，就能让MOSFET进入ON状态。控制电路能缩短 MOSFET的关闭时间，将OFF期间的栅极电压保持为0，防止MOSFET误启动。



光继电器的动作原理

特 征

作为对机器进行ON/OFF控制的器件，有机械式继电器（机械式接点）。光继电器和信号用机械式继电器相比，具有以下优点。

动作速度较快

无机械性磨损，寿命长

可以实现小型、薄型化

用 途

电话、交换机、调制解调器

测定器、测试器

光断路器的动作和使用方法

指以将发光器件和受光器件在套筒内一体化，通过光的遮光或反射以检测出物体为目的的器件。



光断路器的外观

★透过型光断路器

动作原理

保持某一间隔，使发光二极管和受光器件相对，通过受光侧的光量变化，以非接触的方法测出通过该间隔的物体。



透过型光断路器的结构

★反射型光断路器

动作原理

将发光二极管和受光器件配置在一个方向，通过物体将发光二极管的光反射，用受光器件进行检测。也叫做反射型光传感器。


反射型光断路器的结构

用 途

OA机器（打印机、复印机）

AV机器（VTR、唱机）

家电产品（电子微波炉、换气加热器）

光通讯用器件（OCD）和种类和使用方法

将发光侧（LED或激光二极管）的信号用光纤传送到受光侧（光电二极管）的光通信系统中所使用的就是光通讯用器件（OCD：Optical Communication Device）。

光通讯的原理

1） 输入电气信号通过发光器件变换为光信号。

2） 光信号通过光纤传输到受光器件。

3） 光信号经由受光器件转换为电气信号后输出。



光通讯的原理

光通讯的特征

和使用电线，保持电气信号的状态传输信号时，或通过电波传输时相比，具有以下特征。

光纤不受到电磁噪音的影响

不从光纤放射电磁噪音（信号不泄漏）

可以传输大容量信号

光通讯系统的种类和使用器件

光通讯系统大致可以分为以下几类。





光通讯用器件的外观（短*中距离用）


光通讯用器件的外观（中*长距离用）

    逻辑IC
   
    电子机器的动作所必需的内部信号处理大致可以分为模拟信号处理和数字信号处理。处理前者的是模拟用半导体器件，处理后者的数字信号处理的就是逻辑IC，逻辑IC中也有很多种类。
   
    IC、LSI在制造程序上大致分为双极系列和MOS系列，还可以再分为混合两者的BiCMOS等复合型。
   
    逻辑IC是执行数字信号处理的IC、LSI，双极系列（也就是双极逻辑）现在只有TTL和ECL，因此提及逻辑IC时，一般可以视为指CMOS逻辑系列以及BiCMOS系列。
   
    而且，逻辑IC也可分为（1）通用逻辑、通用MPU之类的标准品；（2）ASIC（特殊用途用IC）；（3）配合本公司规格开发的定制LSI专用产品这几类。
   
    ASIC可以分成 ASCP（顾客专用品）和ASSP（待业专用品），ASCP还能进一步细分成门阵列（GA）、可现场编程式门阵列（FPGA）、标准单元（SC）、嵌入式单元阵列（ECA）等。但是，即使是完全的定制IC，但通讯用或数码家电、车载系统中基本使用的电路及构件等都是相同的，开发上的平台大都由半导体生产厂家准备。通过以平台为基础进行设计，可以缩短开发时间。像这样定制IC和ASIC的界限没有明确区分，有时也将定制IC作为通用产品进行销售，由此可见，目前情况下这样的分类是非常困难的。
   
    逻辑IC中有被称为MPR（microperipheral:微控制器周边设备）的器件。这是和于硬盘、图像处理、打印机等，主要用于计算机周边设备的专用LSI。各机器生产厂家大都采用ASIC的方法进行开发，和上述一样很难做出明确的分类。
   
    逻辑IC可以分为制造工艺、应用领域、设计方法等3种，因此分类越来越困难。
   
    逻辑IC、LSI的分类
   
    О双极逻辑IC、LSI
   
    TTL（Transistor Transistor Logic）
   
    目前，只有部分生产厂家在生产，市场也在不断缩小。
   
    ECL(Emitter Coupled Logic)
   
    通过把NPN双极晶体管放在非饱和区域使用，并缩小理论振幅来获得高速特性，可用于要求高速性的IC测试器、通讯用等。
   
    О代表性的CMOS逻辑IC/LSI
   
    通用CMOS逻辑
   
    MPU（Micro Processing Unit）
   
    MCU(Micro Controller Unit)
   
    DSP(Digital Signal Processor)
   
    MPR(Micro Peripherals)
   
    ASIC(Application Specific IC)
   
    GA(Gate Array)
   
    SC(Standard Cell)
   
   
   
    DSP的例子
   
   
   
    面向各种用途的逻辑IC
   
    CMOS和反相电路
   
    CMOS电路是由P通道能及N通道双方的MOS晶体管构成的电路。由于具有消耗电流少、高速化方便、抗杂音能力强、输入输出全摆式等特点，因此现在几乎所有的LSI都是在这种技术的基础上构成的。
   
    CMOS技术
   
    CMOS的结构是在N型基板中形成P通道的晶体管，在N型基板中做成较大的低浓度P型区域（叫娓娓动听 P井），在P井中形成N通道晶体管。还有与基相反，使用P型基板做成N井的。
   
    反相器
   
    是逻辑IC/LSI的基本电路。如图所示，举例说明N型或P型晶体管（TN、TP）串联形成的反相电路。门极G上输入 “1”信号（SP电位）的话，TN将为ON，而TP则成为OFF。相反，输入“0”信号（SN电位）的话，TN为OFF，而TP则成为ON。对于任何输入，总有一个对应的晶体管是OFF状态，且由SP到SN的电流不会流通，因此消耗电流将减少（PMOS、NMOS的1/100-1/1000）。 ON\OFF切换时因寄生电容会充放电，因此随着工作频率增加，耗电量将增大。
   
    优点
   
    ·非常少的耗电量
   
    ·快速的动作速度
   
    ·抗杂音较强
   
    ·和TTL可兼弱容性
   
    ·以低电压动作简单
   
    缺点
   
    ·制作和序复杂且耗时长
   
    用途
   
    ·标准逻辑（相当于ＴＴＬ逻辑）
   
    ·几乎所有的数字ＬＳＩ（ＭＰＵ＼ＭＣＵ）＼ＤＳＰ＼图象处理ＬＳＩ＼语音处理）
   
    ·电子计算器＼钟表＼游戏机
   
    ·掌上电脑
   
    ·电话机
   
    ·存储器（ＲＡＭ＼ＲＯＭ）
   
    ·其他＼客户规格逻辑电路等
   
   
   
    CMOS反相器的图形记号和动作
   
   
   
    CMOS反相器的电路图
   
   
   
    例：CMOS反相器的结构图
   
    通用逻辑（CMOS）
   
    指将构成数字电路的闸、缓冲器、正反器等最基本的功能予以独立的IC产品群。而且，功能、引脚配置、电气特性等都是全球性标准化的产品群。在制程上还有CMOS、BiCMOS、双极等。
   
    通用逻辑的主要功能
   
    ·逻辑运算功能（闸电路）图1
   
    ·开关功能
   
    ·数据的保持功能 图2
   
    ·总线驱动器（缓冲器）功能 图3
   
    ·计数器/除频功能
   
    ·电平移动功能
   
    品名和标准化
   
    附加74XXX的品名的标准逻辑作为74规格，其功能、引脚配置都加以标准化。如果品名（上述XXX的部分）相同，则功能、引脚配置无论哪个生产厂商、哪个系列都相同。系列名不同，数据处理速度、驱动能力等性能将不同，相反，如果系列名相同，则无论哪个生产厂商的性能大致相同。各系列中有数十品种到百数十品种的产品（功能）。
   
    *通用逻辑最早以使用双极系列逻辑为主，现在能方便地实现低耗电量/低电源电压的CMOS逻辑已成为主流。而且，双极系列中，ECL也用于超高速应用领域（高速测试器等）。
   
   
   
    图1 闸IC例/74VHC04
   
   
   
    图2 正反器IC例/74VHC74
   
   
   
    图3 缓冲器IC例/74VHC244
   
   
   
    品名的辨认证
   
   
   
    通用逻辑的种类
   
    微处理器
   
    微处理器（micro-computer,简称micon）,作为计算机，通过LSI实现必要功能的小型计算机。从身边的家电产品到计算机及小型控制机器，被广泛应用在系统中。
   
    策处理器由进行运算、控制的CPU（中央运算处理装置）、进行记忆的存储器、进行和外部输入、输出的I/O的三部分构成。它们之间的信息交换，通过以下三务总线进行。
   
    （1） 地址总线：用于指定存储器及I/O地址的信号线；
   
    （2） 数据总线：用于将数据传输到地址总线指定的存储器及I/O的信号线；
   
    （3） 控制总线：用于指示是否读取或写入存储器及I/O、或其他从CPU进行各种控制的信号线。
   
    大规模系统中，将各种结构要素加以集成化后的LSI进行组合，小规模系统中，使用将这些集成到一块芯片上的LSI。
   
   
   
    CPU和各种总线连接图
   
    CISC和RISC
   
    计算机心脏部分——CPU大致分为两类。一类是具有实现复杂且高度功能的命令，旨在提高性能的CISC。还有一类是将命令设置单纯化，旨在提高命令执行速度的RISC。
   
    CISC方式
   
    减少一个处理所需的命令数，旨在提高性能。通过1个命令就可以执行复杂的动作，因此叫做CISC（Complexed Instruction Set Computer：复杂命令集计算机）方式 。相反，命令长度可变，且比较复杂，因此解读需要一定的时间，用于执行的内部电路变得复杂，硬件设计的负担增加。
   
    RISC方式
   
    只具有少数的单纯性命令，旨在加快执行速度。命令长度固定，因此解码器电路及执行电路的规模较小。命令只有最基本的，因此叫做RISC（Reduced Instruction Set Computer：缩小命令集计算机）方式。命令数量少，因此需要软件的负担增加，但通过使用C语言等高级语言，可以提高开发效率。
   
   
   
   
   
    CISC和RISO的特征
   
    微处理器（MPU）
   
    MPU是意气风发计算机所需的运算、控制功能集成到一块芯片上的LSI。随着半导体集成电路技术的不断发展，以往将多个IC进行组合后构成CPU的器件现在可以用一个MPU加以实现。
   
    何谓MPU
   
    我们将构成微处理器要素中的运算部分和控制部分合在一起的心脏部分叫做CPU，将这个CPU通过1个LSI加以实现的器件就是MPU（微处理器）。MPU不能单独作为计算机动作，因此将存储器及I/O进行组合后构成计算机。
   
    MPU的基本动作
   
    目前的大部分计算机都是从存储器读取命令、一个个逐步执行的被叫做诺依曼型的器件。MPU读取写在存储器内的程序，解读写在程序内的命令，按照指示，执行将数据存储到存储器内，或将数据取出等作业。
   
   
   
    微处理器的功作单元例
   
    微型周边设备（MPR）
   
    所谓微型周边设备（周边LSI），是指存在于MPU和输入输出设备之间接口的LSI。主要分为支持MPU的LSI和控制周边设备以及传输数据的LSI，根据不同用途，有各种种类。
   
    MPR用于减轻对MPU的负担，提高整个微控制器系统的性能。因为通过专用LSI控制周边设备，因此也可以减轻软件的负担。MPR不断在必须采取图形用及MPEG等图像处理、声音识别等高速处理的领域中得到应用。
   
    MPU支持用MPR
   
    存储器管理单元（Memory Management Unit：MMU）
   
    采用大量且多种存储器的系统中，管理存储器变得复杂，因此要使用MMU，减轻MPU的负担。
   
    可编程中断控制(Programmable Interrupt Control：PIC)
   
    在需要多个中断输入的系统中，通过PIC扩大中断处理的功能。在连接很多周边设备等情况时，发挥整理交通的作用。
   
    直接存储器存取控制器（Direct Memory Access Controller:DMAC）
   
    通过使用DMAC，可以在不通过MPU的情况下，直接在周边设备及存储器之间高速传输数据。在DMAC传输数据期间，MPU也可以进行其它处理，因此可以大幅度提高系统的效率。
   
    周边控制用MPR
   
    实时时钟（Real-Time Clock:RTC）
   
    这是用于系统的时钟专用LSI。使用MPU的数据总线，输入输出时刻数据。一般情况下，备有专用电池，即使系统电源断开，也将保持时钟动作。
   
    硬盘控制器（Hard-Disc Controller：HDC）
   
    这是用于控制硬盘驱动器的专用LSI。硬盘可以高速保存大容量的数据，因此成为计算机的辅助存储装置的主流。
   
    除此以外，还有图像处理用图形显示控制器（Graphic Display Controller：GDC）、CD-ROM/DVD-ROM驱动用的伺服处理器、音频用数字信号处理器（DSP）等各种专用的MPR。
   
    微控制器（MCU）
   
    微控制器是将除了执行运算及控制的MPU功能以外，还有存储功能、输入输出控制功能集成在一块芯片LSI上的器件。也叫做单芯片微控制器。
   
    何谓MCU
   
    MCU在1个LSI中，收纳应用设备所必须的大部分功能，做成极为小型的电路，因此成本低，适合量产。作为安装在家电设备及产业设备等中的控制器，被大量使用。应该内置的周边功能根据应用设备不同而不同，因此针对特定用途的性格较强，根据各种用途，做成多品种的MCU。
   
   
   
    芯片放大照片
   
   
    芯片的放框（左面照片）
   
   
   
    微控制器的内部结构例
   
   
    MCU应用到彩色串联打印机的举例
   
    微控制器开发系统
   
    开发应用了微控制器的产品时，必须开发产品本身（硬件）及使微控制器动作的程序（软件）。这些开发以及验证所必须的一套器材统称为开发系统。
   
    ★　语言工具
   
    语言工具是对用户源程序执行从编码到编译、汇编、链接等一系列作业，用于输出对象（执行）文件的系统的总称。
   
    ★　设计支持工具（CASE工具）
   
    CASE工具是用于支援以设计工程到编程工程以及文档制作为中心的维护工程的系统名称。
   
    ★　嵌入控制
   
    嵌入控制是对用户源编程提供特定功能的软件的总称。
   
    <实时OS>
   
    用于控制安装系统中多任务动作的软件。
   
    <中间件>
   
    通过软件实现以往靠硬件实现的功能。
   
    测试工具
   
    用于确认对象文件动作的系统的总称。
   
    <调试工具>
   
    “模拟器”及“仿真器”的用户接口。
   
    <模拟器>
   
    用软件模拟MCU动作的软件。无须控制器的系统，适合于理论调试。
   
    <实时仿真器>
   
    在实际设备系统上确认动作的方法，是将“仿真控制器”及“仿真埠”进行组合的系统的总称。我们将在此设备上加上用户接口——“调试工具”后的系统叫做“实时仿真系统”。
   
    <辅助工具>
   
    用于联结“实时仿真器”和用户对象的工具的总称。
   
   
   
    开发系统的概念图
   
   
   
    系统的结构例
   
    何谓系统LSI
   
    主要将数码家电、手机等通信用、以及汽车用所必须的系牢进行集成的大规模设备专用的LSI即为系统LSI。随着应用领域的不断扩大，各种系统LSI的开发正在不断发展，超出千万栅的产品也陆续登场。
   
    系统LSI没有明确的定义。好像各公司有不同的定义，以下是一般的例子。
   
    ·具有多内核（MPU、存储器、逻辑或模拟）的单块集成电路LSI；
   
    ·担当系统或子系统主要功能的LSI；
   
    ·10万栅以上规模的LSI；
   
    ·针对单个或多用户的特定应用所开发的LSI。
   
    不包括单芯片的微控制器及电子计算器用、时钟用LSI、SRAM及快闪式存储器的多芯片封装产品、系统模块。
   
    系统LSI的具体应用领域有数码家电（数字TV机顶盒、DVD数码相机、数码摄像机等）计算机及周边设备用（MPEG、图形等图像处理、硬盘用马达及磁头控制）、通信用（网络、手机等）、汽车用（引擎控制、导航、智能传输系统等）等，还有一部分为产业用而开发。
   
   
   
    用于数码相机的系统ＬＳＩ
   
   
   
    系统ＬＳＩ的具体应用领域有数码家电（数字ＴＶ＼机顶盒＼ＤＶＤ＼数码相机＼数码摄像机等）
   
   
   
    下一代多媒体LSI的系统图
   
   
   
    手机的方框图
   
    何谓DSP
   
    DSP正如其名（Digital Signal Processor），是将数字信号处理加以特殊化的处理器。一般被称为DSP的信号处理用处理器的内部硬件或结构和一般的MPU有几大不同点。
   
    DSP的重要特征如下所示。
   
    ·拥有高速乘法器（一般情况下也具有累加运算结果的功能）；
   
    ·具有哈佛型结构（针对程序和数据拥有多个专用总线的结构）；
   
    ·将程序存储器和数据存储器进行分离、独立；
   
    ·拥有高速化数据地址计算单元。
   
    甚至还有根据需要，拥有 AD转换器等。即以高速乘法器为中心的哈佛型结构、程序存储器和数据存储器加以分离、独立，具有高速化数据地址计算单元的处理器叫做DSP。通过这些结构，比如必须采用乘法及其运算结果的累加的数字式滤波器，可以在一般处理器十几倍的速度下进行运算。但是，一般的MPU也不断发展高速化，也开发出了具有上述特征的产品。今后，MPU和DSP的区别越来越难。促使区别越来越难的是用于实现上述共同的高速化的各种结构、硬件。因为速度要求越来越快，因此 DSP和MPU一样，有使用相同结构的趋势。
   
    应用领域
   
    ·数字TV等数码家电的各种信号处理用；
   
    ·数字手机的模拟、数字式基带处理、声音压缩、调制/解调制用；
   
    ·硬盘、DVD-ROM等存储设备的轴马达及磁头（读取器）传动器的旋转控制以及精密定位用；
   
    ·自动控制马达的转矩控制、速度控制、精密定位用。
   
    而且，DSP的应用领域中采用高速的RISC处理器的情况也越来越多。在必须彩高速运算处理的应用领域中，过去好像不能将RISC和DSP绝对性的分开。今后，在RISC中安装DSP的主要功能、硬件的一部分，或者反过来安装，两者的分界线越来直不明显。
   
    系统LSI应该以最适合的信号处理运算法则以及必须的结构，来符合其所需要的功能。无论是DSP还RISC处理器，甚至CISC处理器的主要功能、硬件，都是上述整合的方向。
   
   
   
    DSP IC的结构例
   
   
   
    CD用DSP(将应用加以特殊化的专用DSP例）
   
    ASIC
   
    ASIC（Application Specific Integrated Circuit）是面向特定IC的总称，包括全定制LSI、半定制LSI等各种LSI。代表性的有门阵列、单元基IC、嵌入式阵列。
   
    ★门阵列（Gate Array）
   
    门阵列是半定制LSI的一种，事先准备好的称为主体的晶圆。主体是晶体管呈阵列状铺设的结构。门阵列的制造是在逻辑设计结束后在主机上实施布线，构成希望的逻辑电路后完成。为此，具有开发时间短的特征。
   
    ★单元基IC（Cell Based IC）
   
    单元基IC是将最合适设计后的内部逻辑及存储器、模拟电路作为单元事先准备好，再通过组合后设计LSI的器件。单元基IC为了从前道工程（扩散工程）开始制造，LSI芯片的制造时间比门阵列的长，但具有设计灵活性高、功能高、集成化高等特征。
   
    单元基IC（Cell Based IC）
   
    ASIC实施例（嵌入式阵列）
   
    嵌入式阵列是在门阵列的主体内安装单元基IC的高集成存储器及高功能微单元的阵列。具有和单元基IC相同的集成度、高功能特征，同时也具有和门阵列相同的开发时间短的特征。
   
    优点
   
    ·小型化、重量轻
   
    ·高可靠性
   
    ·开发效率的提高
   
    ·高速化
   
    ·低价格化
   
    ·保持机密
   
    ·低耗电
   
    用途
   
    ·计算机、工程、工作站、计算机相关设备
   
    ·OA设备
   
    ·通信设备
   
    ·数字AV设备
   
    ·一般产业用电子设备
   
    ·家庭用电子设备、游戏机等。
   
   
   
    CMOS ASIC的芯片照片
   
   
   
    主体芯片的部分扩大图
   
   
   
    门阵列布线后的部分扩大图
   
   
    单元基IC的说明图
   
   
    各种ASIC的集成度和开发时间
   
   
   
    嵌入式阵列的概念
   
    ASIC产品开发流程
   
    ADIC产品开发，从确定系统规格到实际制造为止的工程中，难过各种EDA（Electronic Design Automation）工具进行处理、验证。
   
    逻辑合成、测试设计
   
    使用逻辑合成系统，从上位设计记述生成栅极的设计记述。还根据需要进行考虑了测试的设计。
   
    ★使用EDA工具
   
    逻辑合成工具
   
    测试设计工具
   
    逻辑最适化
   
    当逻辑仿真时序解析的结构发生违反情况的话，则必须修正电路。只要违反的地方、程序不明显，都可以通过部分修正原先的电路进行对应。时序违反的电路修正可以使用逻辑合成工具执行。
   
    逻辑仿真时序解析（配置布线前）
   
    使用预估值进行仿真。如果没有违反，则快速sign-lff（签名发布），但如果违反情况，则必须进行逻辑最适化。
   
    ★EDA工具
   
    Verilog模拟工具
   
    VHDL模拟工具
   
    时序解析工具
   
    配置布线
   
    以sing-off（签名发布）后的栅层级设计记述为基础，以满足时序之规定进行配置布线。一旦结束配置布线处理，将计算出基于实际配置布线的时序信息。
   
    ★使用EDA工具
   
    配置布线工具
   
    CTS（Clock Tree Synthesis）工具
   
    论逻辑仿真时序解析（配置布线后）
   
    使用实际的配置布线结果，进行验证。处理内容和配置布线之彰相同。如果结果没有问题，将第二次sing-off（签名发布），如果有违反的情况，则必须再次进行电路修正，反馈到配置布线工程。
   
    Sign-off:就是半导体制造商和用户就LSI设计正确性相互进行确认并承诺。
   
   
   
   
   
    ASIC产品开发流程
   
   
    ASIC的完成（表面）
   
   
    ASIC的完成（背面）
   
    I　P
   
    IP（Intellectual Property）一般表示专利和知识产权，但在半导体领域中，表示已经设计完成的功能电路块（内核、单元），即设计资产。可以分成硬件IP和软件IP，其利用已经成为大规模LSI设计效率化的关键。
   
    IP的种类
   
    IP作为设计资产，大体分为以下两大类。
   
    ·硬件IP（硬件宏）
   
    用于LSI制造的掩模数据。
   
    因模拟及配置（布置）使得时序变为严格的IP。
   
    ·软件IP（软件宏）
   
    RTL或网络表
   
    大部分的数字逻辑IP。
   
    容易对应设计规则时代的变迁。
   
    IP的流通和标准界面化的重要性
   
    现在若由一家公司准备所有的IP，适时地提供是比较困难的。对系统机器生产厂商而言，用于提高功能的附加价值较高的IP由自己公司开发，除此以外的标准性IP从外部（从半导体供应商或IP专业供应商）调配的体制非常有必要。而且，为了将从不同供应商获得的IP进行组合，从而开发效率良好的系统LSI，需要公开的标准界面，现在除了 VSI（Virtual Socket Interface）联盟以外，还有几个标准化团体正在不断推进该进程。
   
    使用IP的有效性
   
    随着LSI的高集成化的同时，集成在1块芯片上的功能的种类也不断多样化。例如，在多媒体相关系统中，图像处理、通信控制、数据控制、数据存储等多种功能组合在一起。为了将这些功能集成在1块芯片上，必须混合集成数字逻辑电路、模拟、存储器等不同的器件及电路技术。另一方面，对系统产品投入市场的交货期短的要求越来越强。
   
    虽然LSI不断大规模化、多功能复杂化、高性能化，但目前尚处于不允许包括电路设计验证在内的LSI开发时间增大的情况。为了解决这些问题，使用已经得到验证的设计资产（IP）是极为有效的，可以大幅度削减设计时间。

    将IP进行组合后的系统LSI
   
   
   
    主要的IP应用领域
   
    可编程器件（CPLD/FPGA）
   
    可编程器件是指使用RAM或ROM，在可以实现程序的范围，使用者可以实现任意电路的器件。代表性的器件有CPLD、FPGA。
   
    ★CPLD（Complex Programmable Logic Device：复杂可编程逻辑器件）
   
    拥有多个逻辑块（PLD块），可利用内部布线网连接任意块之间的结构。EEPROM、FLASH方式为主流方式。
   
   
    CPLD的结构
   
    ★FPGA（Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列）
   
    是一种同时包括用户可以自由设定、更改功能的正反器等存储器件在内的集成电路，拥有整体可以相互连接的逻辑单元阵列，有2种类型。与CPLD相比，容量较大，适合于大规模的电路
   
    （基于SRAM）可重复编程（reprogrammable）
   
    指SRAM决定相互连接或是以检查表格（LUT）决定逻辑功能的器件，所以可以多次重写覆盖。但是，一旦电源断开，写入的内容不能保存下来，因此采取安装到线路板时，附上电池或准备好非挥发性存储器，将布线信息保存到内部，在接入电源时装载该内容的方法。
   
    可一次编程（OTP）
   
    以保险丝互相连接，一旦写入后，不可以重写覆盖。
   
    优点
   
    ·较短的开发TAT（周转时间）
   
    ·低廉的开发费
   
    用途
   
    ·个人计算机、工程工作站（EWS）、计算机相关设备
   
    ·备通信设备
   
    ·数字AV设备
   
    ·一般产业用电子设备
   
    ·家庭用电子设备、游戏机等通信机器
   
   
   
    FPGA的结构
   
    复合器件技术和混载技术
   
    没有明确的定义，但作为复合器件技术，拥有将双极型和CMOS逻辑或功率器件等集成在单片电路的制造技术。混载技术是指将向系统LSI、ASIC等逻辑LSI中混合安装存储器的技术。
   
    复合器件技术
   
    电子设备中有数字信号处理、模拟信号处理、大功率控制，甚至还有高频信号处理等很多信号处理，使用符合各自用途的半导体。例如，复合器件技术是将数字和模拟信号处理集成在一块芯片上、或同样将数字信号处理和功率控制电路集成在一块芯片上所必须的半导体技术。
   
    另外还开发了逻辑IC中混合安装模拟电路、功率器件（双极功率晶体管、功率MOSFET、IGBT等）的工艺，这些也可以叫做混载技术，一般情况下也可以将该技术叫做混合器件技术。这些代表性器件有BiCMOS、IPD（Intelligent Power Device）等。
   
    这是将模拟信号处理电路、数字信号处理电路、功率器年、存储器等集成在一块芯片上的技术，根据混合安装的电路、器件不同，有很多种类。
   
    目前，正在开发系统LSI内混合安装存储器、显示用专用LSI的器件、马达、螺线管等制动器的驱动器、逻辑LSI内混合安装一部分模拟电路等多种混合LSI、复合器件装置。
   
    混载技术
   
    电子设备很少有只采用一种半导体的应用，一般情况下使用很多半导体。例如，如图所示的PDA（便携式信息末端）中，只是信号处理电路中就使用了专用LSI、微控制器、存储器、驱动器IC等很多半导体。
   
    将这些器件集成在一块芯片上，可以节省空间、减小体积、提高可靠性、降低成本等，但必须解决各种半导体制程工艺上的不同而引起的各种问题。
   
    过去，曾经在高集成化的存储器工艺中混合安装了追求高速化的逻辑，而目前是在同一制程中将存储器和逻辑集成在一块芯片上，也就是混合化。
   
   
   
    PDA的系统结构
   
    系统LSI和混载技术
   
    在图形等图像处理所必需的系统中混合安装了存储器，旨在提高信号处理速度。
   
    当然在系统LSI中也采用了混载技术。但是，采用了和一些目的不同的其他小规模逻辑IC使用。也就是除系统LSI以外，都是集成在一块芯片上，这样可以提高可靠性、减小体积重量等，但很少是以提高信号处理上的特性为目的的。
   
    系统LSI为了增加提高信号处理上的机能、缩短开发时间的目的，积极采用混合工艺。例如，将存储哭混合在一起后，将原来连接在外部的存储器不能灵活决定存储器总线长度变为可能，并可以通过并列处理实现高速化。也解决了外部连接存储器时因布线而产生的信号延迟问题。
   
    另外，混合安装闪存，实现了程序的重复写入，从而提高了开发的灵活性，结果可以实现缩短从开发到大规模生产的时间。
   
    微控制器一般为了储存程序等，搭载ROM或RAM等存储器，但这个不叫做存储器混载技术。
   
   
    针对ITS(高度交通系统)的图像识别LSI
   
    存储器混载技术
   
    使用混合安装DRAM的系统LSI时，可以削减封装的总引脚数，除了实际安装时节省空间、高速化以外，还有很多优点。而且，混合安装闪存后，可以提高IC设计的灵活性，实现QTAT化。
   
    相对于半导体的内部布线而言，外部布线较长，且延迟及与布线有很深关系的漂移电容较为严重，而且少了与布线的电阻较大的外部存储器的连接，即可减少延迟。甚至内部总线可以在半导体内部进行自由设定，因此可以通过灵活的并列处理实现高速化，特别是在信号处理方面具有高速化的优点。
   
    而且，对EMI（Electro Magnetic Interference，电磁波干扰）采取对策方面也非常有效，还可以灵活设定存储器容量。像这样，混合安装存储器的LSI不是单纯的将外置存储器内置，而是积极用于图像处理或图形等超高速信号处理所必须的电路中。
   
    混合安装了可以重复写入的闪存后，写入的程序在设计后也可以修正，因此可以实现灵活的开发量产体制。
   
    以下照片中的LSI中安装了个人电视电话及多媒体浏览器所必需的多个信号处理部分及12M位DRAM的同时，内置用于连接CMOS型固体摄像器件及液晶面板的图像输入输出接口电路。
   
   
   
    内嵌针对手机用MPEG4混合安装DRAM的系统LSI
   
    SOI、IPD、BiCMOS技术
   
    作为器件之间的分离，从以往PN接合时到利用绝缘物氧化硅的制程技术就是SOI。作为混合功率器件、逻辑、模拟电路的制程技术，有IPD、BiCMOS技术。
   
    ★SOI
   
    SOI（Silicon On Insulator）是一种在氧化硅的绝缘体上形成单结晶硅的制程技术。IC可以将很多器件集成在一块芯片上是因为将分离各器件之间的P型及N型半导体区域反偏置，在各器件之间进行电气性绝缘。将PN接合反偏置后进行绝缘的方法会由于寄生器件产生故障、或由于泄漏电流引起各种问题，通过采用绝缘体—氧化硅改善问题的制程就是SOI技术。
   
    该技术大致可以分为功率系列和信号系列。
   
    ★IPD（Intelligent Power Device）
   
    IPD是采用可以内置逻辑电路、模拟电路以及功率器件的数百个到数千个器件的较小规模复合器件技术的器件。
   
    应用领域有汽车用（ABS、气囊）、各种马达驱动器、灯驱动器、螺线管驱动器等。该制程可以将输出PW-MOS、Nch MOS、Pch MOS、PNP Tr、NPN Tr、电阻、电容器等所有器件都集成在一块芯片上，适合于多功能产品。还有采用简单的制程，在MOS FET中内置过电流及过热保护功能电路的复合MOS FET。
   
    ★BiCMOS
   
    这是一种将善于处理模拟信号的双极器件技术和善于处理逻辑信号的CMOS技术进行融合后的制程技术。
   
    有可以处理功率的高耐压系列、大功率系列BiCMOS技术和不能处理大功率的高频（以及高精度模拟系列）以及可以处理逻辑信号的高频BiCMOS技术。
   
    右图为发挥后者特征的TV用混合信号LSI方框图、芯片照片、结构图。TV用LSI中也不断发展引进模拟CMOS技术，以内置滤波电路。
   
   
   
    IPD的芯片照片
   
   
   
    复合MOSFET(混级驱动器)
   
   
   
    TV信号处理LSI的方框图
   
   
   
    LSI芯片
   
   
   
    LSI的结构图

半导体存储器
   
    半导体存储器是具备可以储存图像数据或文字数据、程序等信息，在必要时取出的功能的器件。
   
    半导体存储器大体分为可高速写入和读取的RAM（Random Access Memory）和主要进行读取用的ROM（Read Only Memory）.
   
   
    存储器的种类
   
   
    存储器的各种封装
   
   
    电脑系统的存储器分级结构
   
    █ RAM（Random Access Memory）
   
    RAM包括切断电源后数据就会消失的挥发性DRAM（Dynamic RAM）和SRAM（Static RAM），还有可以保存数据的非挥发性FeRAM(Ferroelectric RAM)、MRAM（Magnetic RAM）。
   
    ●DRAM（Dynamic RAM）
   
    DRAM的每一个记忆单元（存储单元）由1个晶体管和1个电容器构成，集成度比较好。因此比特单价也比较低，在需要大容量存储器的系统中被广泛使用。
   
    DRAM用电荷将信息存储在电容器内，因此长时间放置不用的话，微小的漏电电流会令信息丢失。因此，需要定期将同一信息再次写入。
   
    这个再次写入的动作叫做更新。此外，由于是一直工作的，因此称为动态RAM。DRAM中很多具有设为待机状态后自动进行更新操作的功能，这称为自更新动作。
   
    DRAM的单元结构基本不变，但单元以外的电路（外围电路）会有不同，可分成SDR、DDR（后面介绍）等产品。
   
    此外，还有用信息包方式读取数据的RDRAM、接口可以和SRAM同等处理的疑似静态SRAM等。
   
   
   
    DRAM的存储器单元电路图
   
   
   
    DRAM内部的存储范国和外国电路范围
   
    SDRAM（Synchronous DRAM：同步性DRAM）
   
    为了高速执行DRAM的突发大量存取，使数据的读写和时钟同步。
   
    DDR SDRAM（Double Date Rate SDRAM）
   
    为了使同步性DRAM进一步高速化，在时钟的上升和下降同步读取数据。现在，更高性能的DDR-H规格已经成为主流。
   
    RDRAM（Rambus DRAM）
   
    RDRAM是由美国的Rambus公司提出规格方案的具有高速传输数据特征的DRAM。以往的DRAM根据RAS（Row Address Strobe）、CAS（Column Address Strobe）等控制端子的输入时间来规定动作。
   
    RDRAM中，没有这些控制端子以及地址输入端子，被称为和时钟同步的要求信息包的数据（命令）传输到存储器内，根据该命令执行读取、写入动作。
   
    该动作叫做协议方式。在使用协议方面，RDRAM和以往的DRAM有很大的不同。现在已经开发出从RDRAM发展而来的XDRDRAM，并得到实际应用。
   
    SRAM（Static RAM）
   
    SRAM在存储器单元中使用正反器（flip-flop）电路，如图所示由6个晶体管或4个晶体管和2个电阻构成，因此和由1个晶体管和1个电容器构成的DRAM相比，在大容量化方面较差，但不必刷新，因此可以用于对抗外部干扰能力也需要非常强的大容量存储器的系统。
   
    SRAM根据其用途，分为低耗电量且存取时间较慢的产品（低耗电量SRAM）和要求高速性的产品（高速SRAM）。
   
    SRAM的用途
   
    低耗电量SRAM用于手机、便携式信息末端等主要由电池进行驱动的设备中。
   
    SRAM分为非同步型和同步型，前者用于内存测试器和工业用测量仪器等的缓冲器。同步型起初是作为计算机等的高速缓冲存储器而开发出脉冲突发式产品，后来电脑用的CPU开始可以内置2次高速缓冲存储器，因此其主要用途也转移到网络相关设备上。
   
    由于因特网的宽带化、LAN的高速化，通讯设备需要进行大量的数据通讯，因此需要高速、大容量的数据缓冲。此外，还开发出了适合通讯设备的同步型SRAM。
   
   
   
    SRAM单元的结构（6个晶体管）
   
   
    SRAM单元的结构（4个晶体管+电阻）
   
    FeRAM（Ferroelectric(强电介质)RAM）
   
    FeRAM的结构和DRAM相同，但电容部分是用强导电体材料制成的。DRAM是将电荷储存在电容器内来保存数据的，而FeRAM的强导电体材料的残留极性电压为+或-并保持，然后通过读取其状态来判断1还是0.残留极性电压在电源切断后也能保持，因此是非挥发性的。
   
    MRAM（Magnetic磁性体）
   
    RAM）MRAM在存储器件中适用磁性体。被磁化的元件上面的布线通电时，磁场方向会改变布线的电阻，利用这一原理来保存数据。
   
    █ ROM（Read Only Memory）
   
    ROM分为在制造工程中写入数据的掩模ROM和成为产品后仍可以写入的PROM（EPROM、EEPROM、闪存）。
   
    ●掩模ROM
   
    掩模ROM使用基于用户的数据制作而成的IC制造用掩模来写入数据。其比特成本最便宜，适合于大量生产。
   
    掩模ROM用于游戏机卡匣式、便携式信息末端内搭载的汉字等字节（汉字ROM）、电子辞典用等大量生产且不需要覆盖写入数据的用途。
   
    ●EPROM（Erasable Programmable ROM：可擦除可编程ROM）
   
    EPROM的用户使用写入装置来写入数据，照射紫外线能擦除数据。因此，封装上有石英玻璃的小窗。
   
    EPROM的封装比较贵，累此批量生产时使用将同样的芯片封入塑料封装，只能写入一次（无法消去）的OTP（One Time PROM）。
   
    EPROM可以用于产品开发时来调试程序和数据，但闪存实现量产后其使命也已告终。
   
    ●EEPROM（Electrical EPROM:可电力擦除可编程ROM）
   
    EEPROM是可以电气性擦除数据的PROM。写入/擦除以字节为单位，因此覆盖写入/擦除时间较长。而且，电路复杂，且难以大容量化，累此主要为数K到数百K位的产品。
   
    ●闪存（Flash Memory）
   
    可以电气性擦除数据，但擦除时以块为单位或芯片为单位。块的大小从数K字节到数百K字节，因为其可以将大量数据一次性擦除，因此比喻为照相的闪光灯，称为闪存。
   
    ●NOR闪存
   
    NOR型随机存取速度快，主要用于称为固件的程序储存用，被广泛应用于计算机、打印机等信息设备，以及手机、数字电视、游戏机等用途。写入单位和EEPROM一样，为字节或字节。
   
    ●NAND闪存
   
    NAND闪存单元容量小，具有较好的集成度。因此，可以简单的进行大容量化，并且比特成本也便宜，所以适合存储卡等的文件存储用途。
   
    写入/读取以512字节到4K字节的页为单位进行。因此和NOR闪存相比，写入/读取更高速，适合大量数据的保存。
   
    NAND闪存被广泛应用于作为存储设备的SD存储卡、小型闪存（CF）等小型存储卡和USB闪存盘等桥梁媒体，以及数码相机、音乐播放器、音频录音机等需要大容量的用途。
   
   
   
    NAND Flash的应用产品
   
   
   
    NOR、NAND闪存单元的结构比较
   
   
   
    NOR、NAND闪存单元的尺寸比较
   

    SD存储卡
   
   
   
    miniS存储卡
   
   
   
    USB闪存盘
   
    MCP（Multi-Chip Package）
   
    MCP是在1个封装内集成了多个存储芯片的产品。手机伴随着其高性能化，需要在小型空间内搭载很多存储器。MCP因此应运而生。
   
    起初是将低耗电SRAM和NOR闪存组合起来，后来手机相机的像素超过了百万，并且开始处理音乐数据，因此开始搭载容量更大的DRAM和NAND闪存。
   
    图中的例子就是将3个NAND闪存和SDRAM、疑似SRAM、NOR闪存集成到了一个封装内的MCP。
   
   
   
   
   
    MCP的结构例
   
    █ 模拟IC、模拟数字混载IC
   
    将模拟信号处理和数字信号处理混载在一块芯片上的IC、LSI的开发在不断发展。
   
    电子设备的信号处理，正从以往的模拟电路迅速向数字化发展。但是，高频放大电路、振荡电路、传感器输入电路、电源电路、马达驱动电路等电力处理电路、或者模拟数字接口电路都是模拟电路。因此，也存在各类用于模拟电路的模拟IC、LSI。
   
    可以同时搭载模拟信号电路和数字信号电路的复合器件技术正在开发中。
   
    使用该技术，就可以将电子设备的输入部分和信号处理部分、输出部分等需要模拟、数字双信号处理的电路集成在一块芯片上。
   
    这种技术的代表性展开有可以混载双极线性技术和CMOS逻辑技术的BiCMOS技术，以及在模拟电路和数字电路的基础上可以进一步加载电源电路的IPD（Intelligent Power Device）技术等。
   
    下图就是利用混载技术实现了低耗电、简易快速控制功能的驱动IC。可以用于打印机、FAX等各类OA设备、FA设备的DC电刷马达驱动。
   
    高频电路（RF电路）中，原有的砷化镓（GaAs）等化合物半导体正逐渐被SiGeHBT和CMOS混载技术或者模拟CMOS技术所取代。利用这些技术，我们正在开发混载RF部分和基极带信号处理的单芯片IC。
   
   
   
    DC马达用全桥式驱动器IC的方框图
   
    通用模拟IC（线性IC）
   
    运算放大器、比较器、电源IC等一般被称为常用品的线性IC。
   
    专用模拟IC/LSI
   
    指开发为设备专用的模拟、或模拟数字混载的IC/LSI，被WSTS（World Semiconductor Trade Statistics）分为右述的4种。
   
   
   
    模拟IC、模拟数字混载IC的分类
   
    █ 运算放大器、比较器
   
    运算放大器（Operational Amplifier：运算放大器）是具有差动输入的高增益放大器，是典型的模拟IC。由于具有高增益，因此如果不加负反馈的话也可作为比较器（电压比较电路）来工作。
   
    运算放大器的动作、用途
   
    运算放大器的输入如图所示有IN（-）和IN（+）2种。将输入间电位差Vin(+)-Vin(-)放大并输出。因此，如果通过输出和负输入（IN（-））间外接的电阻、电容等加负反馈使用的话，负输入会出现和正输入电压基本相同的电压（叫做虚短路），和正输入信号同样动作。
   
    利用该特性，除了电压放大器、缓冲器、反转放大器以外，还能进行微分、积分等模拟信号的运算处理。
   
    运算放大器的特性
   
    理想的运算放大器的条件如下所示：
   
    1） 电压放大幅度：Gv为无限大
   
    2） 输入阻抗：Zin为无限大
   
    3） 输出阻抗为零
   
    4） 频率带宽从零（直流）到无限大
   
    5） 内部杂音为零
   
    运算放大器的代表性使用方法
   
    如右图所示可以方便地设计非反转、反转放大电路。各放大电路的电压放大幅度分别为：
   
    比较器
   
    放大器具有高增益，因此如果不加负反馈的话还能作为比较器（电压比较电路）工作。也有比较器专用的产品。比较器的符号和放大器相同。
   
    运算放大器、比较器的种类
   
    从制造程序看，一般有双极结构和CMOS结构的器件。如图所示，各有优缺点，现在LSI的电源电压降低了，因此输入输出可以从0到VDD的CMOS放大器（就是所谓的Rail to Rail）越来越多了。
   
    注释：输入端偏移电压为输出电压为零时的输入端子间电压。理想的运算放大器为零。
   
   
    运算放大器、比较器的图形记录
   
   
   
    运算放大器的等效电路（4558的例子）
   
   
    理想的运算放大器
   
   
   
    非反转、反转放大电路的基本
   
   
    双级结构和CMOS结构的比较
   
   
    芯片型运算放大器、比较器
   
    █ AD、DA转换器
   
    AD转换器是将模拟信号转换为数字信号，DA器是将数字信号转换为模拟信号。是为了连接进行放大器等的模拟输入输出和数字处理的微型控制器等数字输入输出的功能电路。
   
   
    AD、DA转换器的基本
   
    温度、温度、磁场等和我们生活相关的自然界变化是模拟量，用微控制器等对这些模拟量进行数字信号处理时，必须将这些模拟量转换为数字量。反过来，我们还必须将微控制器等处理好的数字信号输出转换为我们容易使用的模拟量。
   
    AD转换器
   
    将模拟量转换为数字量有几种方法。一种是将模拟量用电压取出，用基准电压和AD转换器内部的多个电阻，或者数字处理方法，和产生的比特对应电压进行比较（并联比较型、逐次比较型），还可以产生和时钟数成比例的倾斜状电压，将其和输入电压进行比较，根据一致时的时钟数来读取的方法（积分型）等。
   
    DA转换器
   
    将数字量转换为模拟量的方法也有几种，一般是梯状电阻型。利用基准电压和电阻网，在各个比特上形成重叠的定电流源。将该电流用数字代码相加，并转换电压，从而输出模拟信号。
   
    最近的AD、DA（△∑或∑△）转换器
   
    通过重复采样技术、噪声整形技术，使用简单的1比特DAC，就能作出高精度、高比特的AD、DA转换器。这种方法和原有电阻分割等的AD转换器相比，其特点是需要高速进行复杂运算的数字处理，但对于模拟电路参数的参差不齐和经时变化的容许度比较高。
   
    LSI进程的微细化使得我们能方便、低价地实现这样复杂、高速的系统。
   
    △∑调制如名字所示是进行微分、积分运算的比特压缩/伸展技术，就是通过在输入端以高频将1比特出现的大
   
    量量子化误差反复进行负反馈，从而缩小其输出平均误差的方法。
   
    （1）基于△调制的信号生成原理（△调制符号化方式）如图所示。
   
    （2）基于△∑调制的信号生成原理
   
    △调制得到的比特信号显示了输入波形的微分值，因此如果事先将模拟输入信号进行积分的话就能生成原信号的“对应振幅的符号列”。
   
   
   
    1次△调制信号波形
   
   
   
    1次△∑调制的方框图
   
    █ 电源用IC
   
    电源用IC是针对输入电压的变动，输出负荷电流的变动，始终供给一定电压输出的单芯片IC。有线性电源（串联稳压器、并联稳压器）和开关电源、充电泵型电源3种。
   
    线性电源
   
    串联稳压器
   
    由基准电压源、负反馈电压放大器、输出段、反馈电阻等构成。在输入电源和负荷之间插入的功率晶体管作为可变电阻器使用，通过负反馈动作，控制输出电压保持在一定值。
   
    LDO（低饱和型蝐联稳压器）的输出晶体管使用PNP电源晶体管甚至PMOSFET，是降低了输入输出间电压的串联稳压器。
   
    可以降低耗电量
   
    并联稳压器
   
    和串联稳压器不同，1次电源和负荷之间使用外部的固定电阻，将并列插入负荷的功率器件作为可变电阻器使用，通过负反馈动作将输出电压控制在一定值。主要用做AC-DC电源系统的一部分。
   
    开关电源
   
    调整功率晶体管的开关周期，从输入电压源将电能积蓄在电感器中，提供给输出电容器。通过负反馈动作将输出电压控制在一定值。通过开关和电容器和二极管的组合，基本上可以分为3种开关稳压器（降压型、升压型、升降压型）。
   
    POL（Point Of Local）：
   
    是一种为了对应MPUL等 LSI的低压化、大电流化，靠近各LSI配置大电流输出、高速应答的DC-DC转换器，不通过输出电容器，可以DC-DC转换器本身的高速应答特性来对应负载变化的DC转换器。这种用途的DC-DC转换器就叫做POL。多同步整流、相位/交错方式是主流。开关稳压器和线性稳压器不同，特点是电力损失少，但缺点是开关噪声易进入，外部电路比较复杂。此外，串联稳压器的效率比较低，但输出比较平滑。
   
    充电泵型DC-DC转换器
   
    MOSFET和多个电容器构成的充电泵型DC-DC转换器不使用电感线圏，因此外部电路比较简单，可以实现小型化。此外还能减少移动无线设备中容易出现的EMI（电磁辐射干扰）。
   
    主要用于电流相对较小的行业、输出电流5-500mA的行业。
   
   
   
    线性电流的基本结构
   
   
   
    低饱和型稳压压器（LDO）的方框图
   
   
    开关稳压器的基本结构
   
   
   
    多同步整流、位向/交错DC-DC转换器
   
   
    同步整流降压DC-DC转换器
   
    晶体管阵列
   
    晶体管阵列是指一般情况下1个封装内搭载多个相同的晶体管的情况。
   
    使用目的
   
    通过使用1个封装内搭载多个相同器件的晶体管阵列，可以将机器内的搭载空间最小化，实现小型化。驱动7段LED等情况时，又很多相同电路，必须有多个控制晶体管。像这样时，可以采用晶体管阵列，减少零部件个数。
   
    种 类
   
    晶体管阵列中根据搭载的器件数和连接方式不同，可以分为以下几种。
   
    1） 搭载器件数
   
    3个器件、4个器件、6个器件
   
    2） 连接方式
   
    全器件分离型
   
    集电极共通连接型
   
    发射极共通连接型
   
    2个器件、3个器件连接型
   
    用 途
   
    晶体管阵列作为螺线管驱动器，用于点阵式打印机或自动售货机等继电器驱动的驱动器电路、LED驱动器电路、步进马达驱动器电路等。
   
   
   
    晶体管陈列的种类
   
    马达驱动器IC
   
    用于民生机器、工业机器、OA机器等的小型马达驱动使用马达驱动器IC。用于马达的正转、反转、制动以及速度控制。
   
    马达的分类/特征
   
    小型马达主要分为以下几类，各自有专用的马达驱动器IC正在开发中。小型马达中有DC马达（带有电刷的马达）、霍汞马达（无DC电刷马达）、步进马达等，各自专用的驱动器IC、控制用IC正在开发中。
   
    和为驱动用IC，大多采用输入马达正转、反旋转以及制动动作的逻辑信号进行控制的方式，还有通过驱动电源电压控制旋转速度（DC马达）、通过输入的时钟信号的频率进行控制（步进马达）等方法。
   
    目前还在开发PLL（Phase Locked Loop）用IC，作为高精度旋转控制用。
   
   
   
    马达驱动器IC的外观
   
   
   
    步进马达驱动电器
   
    高频用BiCMOS IC
   
    指在一块硅结晶基板上集成了高频动作、低噪音的双极集成电路和适合于低耗电量的CMOS集成电路的一种IC。主要和于移支体通信设备等高频部分。
   
    特 征
   
    BiCMOS IC中搭载着构成模拟电路的双极晶体管、电容器、电阻和逻辑电路的CMOS。为了在同一硅基板上做成双极电路和CMOS电路，制造法是比较复杂的，但可以将双极晶体管高速性的模拟电路和低耗电量的控制逻辑电路集成在一块芯片上。
   
   
    IC照片
   
   
    芯片照片
   
   
   
    BiCMOS IC的结构图
   
    显示器用驱动器IC
   
    在平面显示器中分为非发光型有LCD（液晶显示器）、发光型有LED（发光二极管显示器）、PDP（等离子显示器）等，采用各自适合的专用驱动器。
   
    非发光型中有低温多硅型LCD、发光型中有有机EL面板型
   
   
   
    平面显示器驱动器IC的分类
   
   
    LCD面板的驱动方式
   
   
   
    何谓TFT（Thin Film Transister）
   
    液晶显示器方式的一中，采用薄膜状的晶体管。在玻璃基板上通过非晶硅等构筑的晶体管驱动液晶。
   
    TFT驱动器IC
   
    由源极驱动器和栅极驱动器构成，适合大画面、高画质、动画显示的TFT面板驱动IC。
   
   
   
    TFT面板的方框图
   
   
   
    TCP封装的LCD驱动器IC
   
    何谓STN（Super Twisted Nematic）
   
    液晶显示器方式的一种。由于使用单纯矩阵方式，因此制造成本较便宜，但显示质量没有TFT好。
   
    STN驱动器IC
   
    驱动STN面板的IC，由段驱动器和共通驱动器构成，特点是低价、低耗电。
   
   
   
    恒定电流输出（共阴极）型LED驱动器
   
    1）8-16位的移位寄存器结构
   
    由闩锁、控制部分、输出部分构成，主要使用BiCMOS制程。
   
    2） 恒定电流输出型的特征
   
    现在的主流为恒定电流输出型。可以用1个外置电阻设定所有输出电流，因此可以削减零部件个数。因为是恒定输出电流，因此难以受到电源电压的影响，可抑制亮度的不均。
   
    3） 恒定电压输出型的特征
   
    恒定电压输出型用于想在每次输出时改变输出电流时，或在输出端外加高电压时。
   
    PDP驱动器和特征
   
    何谓PDP（Plasma Display Panel）
   
    2指在2块玻璃之间封入氦、氖等高压气体，通过外加一百几十V的电压使其发光的显示装置。
   
    PDP驱动器IC
   
    PDP为了向面板内像素里的气体放电，从而使荧光体发光，由用于发光显示的高压脉冲驱动驱动器及用于显示数据控制的数据驱动器、扫描驱动器等构成，有时也被模块化。
   
    特 征
   
    和其他方式比较，特点是对比度高，视角广。因为其容易大型化，因此一般用于挂壁式电视机等用途。
   
   
   
    PDP的结构
   
   
    PDP驱动的方框图

占楼~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

不错的资料，多谢楼主分享了

祥子老师辛苦了，这资料太好了

越来越厉害了。呵呵

叶子小妹妹，我直接黏贴过来的。

本来说要转存图片的，太多了， 好累，偷懒了。

图文并茂，当小人书看也行。

spain兄啊spain兄，你吃鸡肉，我连鸡屁股都没得吃。