时基集成电路的工作原理及典型应用电路

时基集成电路也叫时基芯片，是一种可以产生时间基准和能完成各种定时控制功能的模拟集成电路。目前常用的时基芯片是555单时基芯片和556双时基芯片。下面以555单时基芯片为例进行介绍。

555单时基芯片(型号主要有EN555、HA17555、CA555、LM555)有DIP-8双列直插8脚和双列贴面8脚SOP-8(SMP)两种封装形式。它的内部由电阻分压器、比较器、RS触发器、放电开关、输出电路5个部分构成，如图2-49所示。它的引脚功能如表2-23所示。555单时基芯片是由于它内部的3个5kΩ分压电阻而得名的。

首先，电源电压 V CC 通过R1、R2、R3取样后，产生(1/3) V CC 和(2/3) V CC 两个取样电压。其中，(1/3) V CC 作为基准电压加到比较器 A2 的反相输入端，(2/3) V CC 作为基准电压加到比较器A1的同相输入端。

当555单时基芯片的②脚电位低于(1/3) V CC 时，比较器A2输出低电平控制电压，该电压加到RS触发器的S端，使RS触发器翻转为1态。它的Q端输出高电平信号， 杠Q端输出低电平信号。Q端输出的高电平电压通过输出电路放大后从③脚输出，而杠Q端输出的低电平使放电管VT截止。

图2-49 555单时基芯片实物和内部构成方框图

表2-23 555单时基芯片的引脚功能

表2-23

当555单时基芯片的⑥脚输入的电压超过(2/3) V CC 后，比较器A1输出低电平电压，该电压加到RS触发器的R端使它翻转为0态，Q端输出的低电平电压通过输出电路放大后使输出变为低电平，同时从Q端输出高电平电压使VT导通。

另外，触发器能否工作受④脚电位的控制。若④脚为低电平，触发器不工作;只有④脚为高电平后，触发器才能工作。

(3)典型应用电路

555 单时基芯片和少量的阻容元件就可以构成单稳态触发器、无稳态触发器(多谐振荡器)、双稳态触发器和施密特触发器。下面介绍555单时基芯片构成的单稳态触发器、无稳态触发器、施密特触发器的基本原理。

1)单稳态触发器。图2-50所示是555单时基芯片构成的一种典型单稳态触发器。该电路的核心是555单时基芯片、电阻R和电容C， U i 是输入信号， U o 是输出信号， V CC 是供电电压。

当输入信号 U i 为低电平，使555的②脚电位低于(1/3) V CC 时，555的③脚输出高电平电压，而且它内部的放电管截止，此时， V CC 通过 R对 C充电。当 C两端的充电电压超过(2/3) V CC 后，555内的 RS触发器翻转，③脚输出低电平电压，同时它内部的放电管导通，通过⑦脚使C快速放电。C充电到(2/3) V CC 的时间就是波形的高电平宽度，即 t W =1.1 RC 。

由于555只有②脚输入低电平信号后，③脚才能输出一个高电平脉冲，所以该电路属于单稳态触发器。

图2-50 555单时基芯片构成的单稳态触发器

2)无稳态触发器。图2-51所示是555单时基芯片构成的一种典型无稳态触发器。该电路的核心是555单时基芯片、电阻R1/R2和电容C。 U C 是输入信号， U o 是输出信号， V CC 是供电电压。

图2-51 555单时基芯片构成的无稳态触发器

通电瞬间，电源电压 V CC 通过R1、R2对C充电，充电电压使 U C 不足(1/3) V CC 时，555的③脚不仅输出高电平电压，而且它内部的放电管截止。随着C充电的不断进行，当C两端的充电电压超过(2/3) V CC 后，555内的RS触发器翻转，使③脚输出低电平，同时它内部的放电管导通，通过R2使C快速放电。当C两端电压低于(1/3) V CC 后，555的③脚再次输出高电平，重复以上过程，从而形成了多谐振荡脉冲。

3)施密特触发器。图2-52所示是555单时基芯片构成的一种典型灯光自动控制电路。该电路的核心是由555单时基芯片、光敏电阻RG等元器件构成的施密特触发器。

无光照时，光敏电阻RG的阻值较大，电源 V CC 通过R分压后提供电压为(1/2) V CC ，而555的⑤脚电位在C的作用下低于(1/2) V CC ，所以555的③脚电位为低电平，不能为继电器K的线圈供电，K的触点闭合，接通EL的供电回路，EL发光。有光照时，RG的阻值迅速变小，使555 的②、⑥脚电位低于(1/3) V CC 后，555的③脚输出高电平电压，该电压使K的线圈产生磁场，致使K内的触点释放，EL熄灭，实现灯光的自动控制。

图2-52 灯光自动控制电路

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FIB常见应用明细及原理分析

FIB常见应用明细及原理分析

系统及原理

双束聚焦离子束系统可以简单理解为单束聚焦离子束系统与普通SEM的耦合。单束聚焦离子束系统由离子源、离子光学柱、束描画系统、信号采集系统和样品台5部分构成。离子束镜筒的顶端是离子源，在离子源上加较强的电场来抽取出带正电荷的离子，这些离子通过静电透镜及偏转装置的聚焦和偏转来实现对样品的可控扫描。样品加工是通过将加速的离子轰击样品使其表面原子发生溅射来实现，同时产生的二次电子和二次离子被相应的探测器收集并用于成像。

常见的双束设备是电子束垂直安装，离子束与电子束成一定夹角安装，如图所示。通常称电子束和离子束焦平面的交点为共心高度位置。在使用过程中样品处于共心高度的位置即可同时实现电子束成像和离子束加工，并可以通过样品台的倾转使样品表面与电子束或离子束垂直。

典型的离子束显微镜包括液态金属离子源及离子引出极、预聚焦极、聚焦极所用的高压电源、电对中、消像散电子透镜、扫描线圈、二次粒子检测器、可移动的样品基座、真空系统、抗振动和磁场的装置、电路控制板和电脑等硬件设备，如图所示：

外加电场于液态金属离子源，可使液态镓形成细小尖端，再加上负电场牵引尖端的镓，而导出镓离子束。在一般工作电压下，尖端电流密度约为10-4A/cm2，以电透镜聚焦，经过可变孔径光阑，决定离子束的大小，再经过二次聚焦以很小的束斑轰击样品表面，利用物理碰撞来达到切割的目的，离子束到达样品表面的束斑直径可达到7纳米。

设备部分应用

1 TEM制样

2 截面分析

3 芯片修补与线路修改

4 微纳结构制备

5 三维重构分析

6 原子探针样品制备

7 离子注入

8 光刻掩膜版修复

常用的TEM制样

1、半导体薄膜材料

此类样品多为在平整的衬底上生长的薄膜材料，多数为多层膜（每层为不同材料），极少数为单层材料。多数的厚度范围是几纳米-几百纳米。制备样品是选用的位置较多，无固定局限。

2、半导体器件材料

此类样品多为在平整的衬底上生长的有各种形状材料，表面有图形，制样范围有局限。

3、金属材料

金属材料，多为表面平整样品，也有断口等不规则样品，减薄的区域多为大面积。

4、电池材料

电池材料多为粉末，每个大颗粒会有许多小颗粒组成，形状多为球形，由于电池材料元素的原子序数较小，pt原子进入在TEM下会较为明显，建议保护层采用C保护。

5、二维材料

此类样品为单层或多层结构，如石墨烯等，电子束产生的热效应会对其造成损伤，在制备样品前需要在表面进行蒸镀碳的处理，或者提前在表面镀上保护膜。

6、地质、陶瓷材料

此类样品导电性能差、有些会出现空洞，制备样品前需要进行喷金处理，材料较硬，制备时间长。

7、原位芯片

用原位芯片代替铜网，将提取出来的样品固定在芯片上，进行减薄。

截面分析

利用FIB的溅射刻蚀功能可以对样品进行定点切割，观察其横截面（cross-section）表征截面形貌尺寸，同时可以配备结合元素分析（EDS）系统等，对截面成分进行分析。一般用于芯片、LED等失效分析领域，一般IC芯片加工过程中出现问题，通过FIB可以快速定点的进行分析缺陷原因，改善工艺流程，FIB系统已经成为现代集成电路工艺线上不可缺少的设备。

芯片修补与线路编辑

在IC设计中，需要对成型的集成电路的设计更改进行验证、优化和调试。当发现问题后，需要将这些缺陷部位进行修复。目前的集成电路制程不断缩小。线路层数也在不断增加。运用FIB的溅射功能，可将某一处的连线断开，或利用其沉积功能，可将某处原来不相连的部分连接起来，从而改变电路连线走向，可查找、诊断电路的错误，且可直接在芯片上修正这些错误，降低研发成本，加速研发进程，因为其省去了原形制备和掩模变更的时间和费用。

微纳结构制备

FIB系统无需掩膜版，可以直接刻出或者在GIS系统下沉积出所需图形，利用FIB系统已经可以制备微纳米尺度的复杂的功能性结构，包括纳米量子电子器件，亚波长光学结构，表面等离激元器件，光子晶体结构等。通过合理的方法不仅可以实现二维平面图形结构，甚至可以实现复杂三维结构图形的制备。

三维重构分析

使用FIB对材料进行三维重构的3D成像分析也是近年来增长速度飞快的领域。此方法多用于材料科学、地质学、生命科学等学科。三维重构分析目的主要是依靠软件控制FIB逐层切割和SEM成像交替进行，最后通过软件进行三维重构。FIB三维重构技术与EDS有效结合使得研究人员能够在三维空间对材料的结构形貌以及成分等信息进行表征；和EBSD结合可对多晶体材料进行空间状态下的结构、取向、晶粒形貌、大小、分布等信息进行表征

原子探针样品制备

原子探针( AP) 可以用来做三维成像( Atom Probe Tomography，APT) ，也可以定量分析样品在纳米尺度下的化学成分。要实现这一应用的一个重要条件就是要制备一个大高宽比、锐利的探针，针尖的尺寸要控制在100 nm 左右。对原子探针样品的制备要求与TEM 薄片样品很接近方法也类似。首先选取感兴趣的取样位置，在两边挖V 型槽，将底部切开后，再用纳米机械手将样品取出。转移到固定样品支座上，用Pt 焊接并从大块样品切断。连续从外到内切除外围部分形成尖锐的针尖。最后将样品用离子束低电压进行最终抛光，消除非晶层，和离子注入较多的区域。

离子注入

离子束注入改性研究也是FIB加工的一个基础性研究课题。例如采用高能离子束轰击单晶硅表面，当注入量充分的时候，离子轰击将在样品表层引入空位、非晶化等离子轰击损伤。在此过程中注入离子与材料内部有序排列的Si 原子发生碰撞并产生能量传递，使得原本呈有序排列的Si 原子无序化，在表面下形成一层非晶层。注入的离子在碰撞过程中失去能量，最终停留在距离表面一定深度的区域。

光刻掩膜版修复

在普通光学光刻中，掩膜版是图形的起源，但是经过长时间使用，掩膜版上的图形会出现损伤，造成光刻后的图形缺陷，掩膜版造价高，如果因为掩膜版上一个小的图形缺陷造成整个掩膜版的失效，重新制备掩膜版，成本高。利用FIB系统可以定点修复掩膜版的缺陷，方法简单，操作简单迅速。在透光区域的缺陷修复可以使用离子沉积，选择沉积C作为掩膜版的修复材料；在遮光区域的缺陷修复使用离子溅射，刻蚀掉遮光缺陷。不过使用FIB修复掩膜版最大的问题是会造成Ga离子污染，改变玻璃透光率造成残余缺陷，这点可以用RIE结合清洗的方法将有Ga离子注入的表层玻璃刻蚀去除，恢复玻璃透光率。

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