刘岩：基于单片机的多功能时钟设计
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附录A 外文文献译文
这篇文章引自汉斯．卡门恩德编著的《模拟芯片设计》。 引言
让假设一下你的集成芯片需要一个运算放大器，你将会选择什么？当你检索有关IC供应厂商的数据图书时，你会发现那将是成百上千种，一些虽然有低电流损耗，但是工作速率太慢，其他一些也是相当复杂，或多或少有着一些输入输出特性的偏差。为实现高电流输出，生产厂家在设计时已经减去了输入失调电压的影响，设计成单电源电压供电的快速器件。
然而模拟设计模块有一些其固有的问题.没有理想的模拟设计，设计成的仅仅是在一个特殊应用场合下的最优化。如果你期待一个这么库，它能够包含所有的模拟设计模块，并把它们插入任何你所需的电路设计中，那么你无疑将接受到一个很大的打击。虽仅仅包含运算放大器（包括所有其他线形函数），但这个库还是将会是非常大。各种数据将会在手册上被列出，如果没有列出，那么你在进行IC设计时注定要降低你个人的ICs了。
简言之，模拟单元设计没有标准。如果你的电子产品要求比较苛刻，那么你发现你只能用框图去调整精确或者重新设计一个了。在以上无论哪种情况下，都需要使电路工作于器件级，把晶体管，电阻和其他小电容连在一起。
要做到这一点，你就需要知道哪种器件是可行的，它们的极限状态是多少等等，最重要的是你需要对器件知识理解得更详细一点。最简单的方法就是去学习一些复杂的技术去了解它，多向这方面先驱者学习，他们也遇到过相同的问题，这样会给你带来一些启示的。 半导体
早在1874年，费迪南德布劳恩还是德国莱比锡一个24岁的老师时，他发表一篇无外乎是一个革命性的论文。他发现有些材料不符合欧姆定律，例如用天然方铅矿晶体（铅亚硫酸盐，铅中主要的矿石矿物）和其他亚硫酸盐，在它们表面加一个弹簧加载金属片并观察到通过设备的电流，发现电流依赖于所加的电压极性。甚至更让人费解的是，在有很好导通时，电阻呈现出随电流增加而反而降低。布莱恩（他后来发明了CRT）发现，现在所知道的例如二极管，整流器。它不是一个很理想的器件，正向和反向电流有30%的偏差。当时实际中也没有一个这样的电子应用产品。布莱恩不能解释这一现象，其他人也不能。
1879年乔治霍普金斯大学的埃德温霍尔发现了霍尔效应理论：这就是，当金属片通以磁场时将会发现金属上有电流并发生偏转。而且他发现他所实验的金属都偏向同一方向。
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他很兴奋的公布他证实了电子中存在负电荷。
不久他发现，在一些材料中这种偏转却朝另一个地方，或许还存在正电荷？直到1904年，无线电的发明和“检测器”的需求。信号需要放大调制和保证音乐和语音可视化，无线电频率需要整流。因此，在布莱恩发现奇怪现象后，经过30年，这种导线接触方铅矿（和现在的许多其他材料，如硅碳化物，碲和硅）被发明为一种可以使用的电子产品。这种器件被称为“猫晶须”，事实上它并不能很好工作，不得不在晶体中试多个点来保证它能产生大信号。不久就迅速被真空管取代，因为真空管不仅能整流，还能放大信号。这种半导体（或二极管）在当时很流行。
1927年，另一种实用产品出现了，用氧化铜（后来用硒）精巧设计的大面积整流器产生线形直流电压，这种产品主要用于汽车电池。但是这些器件如何工作尚不清楚。尽管当时没有半导体产业，大多数大学和大公司实验室和一些研究所依然坚持半导体方面的研究探索，就是在这么一种环境下。1931年，威尔逊提出完整能带模型，他认为：电子仅存在离散能级，同一个能级最多只能容纳两个自旋相反的电子。能级从高到低依次排列为：最里能级（最高能级）是价带，中间一个禁带，再是导带。一旦电子到达最里能级，在电场中电子受到激发使半导体导通。这理论很好，但人们将它应用于二极管中，却花费了15年之久。现实中，半导体效应依然有两个疑惑。第一，到目前为止人们主要的只是其表面行为。猫晶须只是适用于金属线氧化铜，硒整流器金属片。今天被认识的仅仅存在于肖特莱二极管，第二，半导体材料必须是纯净的，而杂志元素和化合物存在抵消了想要的行为。二战期间，雷达的出现，改变这种状况。为获得足够性能，它需要工作于高频。真空管太慢因此猫晶须再一次成为人们焦点（用于天线后对电波整流以使它能和本地振荡器混合产生低频信号，这能用真空管处理）。很多研究团体获得大量资金，这时人们争相开始研究，他们着手于猫晶须研究，试着去寻找决定它不可靠性和反复变化性的因素。为得到二极管效果，一些不纯材料是必须的。这些杂质处于元素周期表中具体位置，硅和锗有四个价键，简单的说价键是位于最外层电子轨道上由四个电子，以硅为例来说明，硅元素周期为14，表明共有14个电子，第一轨道（或能级）有两个电子，第二轨道8个，第三轨道4个。对于原子接触的最外层轨道，其轨道上电子不被一个原子所特有，它从一能级到另一能级运动，正是这个共享的原子将原子联系在一起，组成导体电子导电的基础，电子在电场中很容易受到激发漫游，然而在绝缘体中，电子紧靠原子核，电学上，硅是一个奇怪的材料，它是绝缘体，但他又不是一个很好的绝缘体，当掺有合适杂质时这个奇怪情况发生了。
正是在周期表中处于元素数15的磷，和硅一样，第一轨道有2个电子，在第二轨道8
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个，但第三轨道5个，现在用磷原子去代替硅晶体中的硅原子，有一新原子的4电子价带将和硅电子循环流动，但五价原子不符，过剩电子产生一负电荷，此时硅成为n型硅。这种过剩电子不同于静电荷，当刷你的头发，头发会直立，但这移动是暂时的。但掺杂硅，电荷永久，固定的位于晶格中（它不会成为电池）。相似的，周期表中位于硅左边上一个周期的硼，元素数为5，第一轨道2电子，第二轨道3电子，价带上3电子，用硼原子取代硅原子，将会丢失一个电子，产生一个正电荷，或称p型材料。就像n型硅中过剩电子一样，它也能提供电场产生电流，但导通机制不是电子，而是空穴。霍尔效应正与这相违背，对掺杂半导体，理解空穴和电子移动机制是很重要的，在n型材料，磷原子过剩电子在邻近硅电子徘徊并取代它，被取代电子占据另一个轨道，类似依次进行，直到最里层电子到达开始点-磷原子。音乐椅—近乎光速—这无休止的游戏很大程度上取决于温度，在绝对零度不运动，对硅，约-60度就足够可以使其运动，200度，硅运动很强烈以致变成像导体一样。
只在相对很窄的范围内，大约-55度到150度，硅才表现出适用的半导体特性，p型材相邻位置有一个硼原子，它填满价带，取代另一个电子依次进行直到第一个电子再次移到硼原子位置，这种运动由电子引起，却等效为空穴运动。
当电场代表着移动方向，电子电流将朝向阳极方向，被从阴极电子所取代。那是令人吃惊的事，这么少的杂质掺杂却能使材料呈现n型或p型，硅每立方厘米含5?1022g个原子，杂质能级很容易掺入每立方厘米5?1015个硼或磷原子，例每百万硅原子中掺入一个杂质。花费如此长时间去发现自然界中半导体效应，而杂质数远多于一百万种也不足为怪了。 二极管
尽管硅中掺有杂质是一件令人不悦的事，它既不是一个很好的导体，作为电阻，他甚至还不如一个金属片或碳。但如将n型和p型原子同时掺入一硅晶格中，情况就会突然变化。异性电荷互相吸引，n型材料边界的过剩电子载流子移向p区并停留在P区。一个电子填入空穴处，电荷互相抵消，这一区域成为空间电荷区或耗尽区。现在假设在二极管两端通以电压，p区接负电压，n区接正电压，这仅仅是把电荷向相反方向推进，扩大了空间电荷区，然而，如p区接正电压，n区接负电压。随着电压增加，电荷将向靠近方向移动，更近邻将使更多电子和空穴移向耗尽区，这种关系呈现指数关系： 0.3伏（室温下）有很小电流流过，0.6伏电流比较符合实际，0.9伏时电流很大。这种关系用二极管电压表表示为
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I?IS(eVq/KT?1)
这儿VD为流过二极管两端电压，K为波尔兹曼常数值为（1.38?10?23焦耳每开尔文）T为绝对温度单位为开尔文，q为电子电荷值为1.6?10?19库仑，I为流过二极管的实际电流，
IS为扩散电流。注意到1.38E-23经常被记为1.38?10?23，扩散电流决定于掺杂类型，二极管面积和（很大程度）温度。对一个合理的小尺寸IC二极管，其扩散电流为1.0?10?16
其实这个等式忽略了一些东西，事实上，二极管方向运用时有一个极限电压有点类似于一些绝缘体，存在这么一点，当反向电场变得很大时，反向电荷将发生击穿，击穿电压由掺杂浓度决定，掺杂浓度越大，击穿电压越小。为避免击穿，需要付出代价，，需要降低掺杂浓度，那么耗尽层将变大，耗尽层电压越大，这一点在设计时必须要涉及到。存在于半导体结中的相反电荷和平行板电容中电荷并无两样，因此每个结包含一个电容，又正电荷和负电荷的距离依赖于所加电压，所以电容依赖于电压。电压越低，电容越大，为正相关性。最后，在半导体同样存在电阻（不含耗尽区），对一个典型浓度5?1015（个/每立方厘米）,给出一个实际击穿电压大约25伏，电阻对磷（n型）大约1欧姆每厘米，对硼（p型）大约3欧姆每厘米。相比较而言，铝电阻为2.8微欧姆每厘米，铜1.7微欧姆每厘米，电阻率（电阻率或电阻）通过测量边长为1厘米的材料立方体的相反表面得到。 三极管
当世上第一个半导体二极管用于工作时，位于新泽西的贝尔实验室一下世界闻名了，吸引了无数豪杰。正是在他们中，有杰出的比尔肖特莱，他于1938年和沃尔特布拉顿组成团队对半导体进行调查研究，耗尽层给了肖特莱灵感，他发现这和真空管很相似，肖特莱冒出这么一个想法：如果在这个区域增加一个电极，它将可以控制在氧化铜整流器上的大电流，产生一个相当于三端真空管的固态器件，它将这一想法告诉布拉顿，布拉顿很吃惊，因为这个问题也困扰他很长时间。他甚至已经计算过如此一个电极。结果被证明太小不切实际，肖特莱不管怎么调试也不起作用，布拉顿是对的。
肖特莱不是一个轻易被打败的人。他不断完善他的想法，提出了一个不同的操作理论，他觉察到，既然在半导体中，一个少量的电子和空穴对应，并且都带有一个电荷。他将一金属电极放于表面。通以电压，要么将他拉向表面或将它推离表面，他就想靠近表面的耗尽区可以人为的改变。他试了一下，不过令他失望的是，这仍然不工作。这一想法和今天的MOS管很相似。
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