微电子学概论复习提要

期末考试必备神极复习资料

1、基本概念

微电子：微电子技术是随着集成电路，尤其是超大型规模集成电路而发展起来的一门新的技术。微电子技术包括系统电路设计、器件物理、工艺技术、材料制备、自动测试以及封装、组装等一系列专门的技术，微电子技术是微电子学中的各项工艺技术的总和微电子学是研究在固体（主要是半导体）材料上构成的微小型化电路、电路及微电子系统的电子学分支。P13

集成电路：通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能

集成度：集成电路的集成度是指单块芯片上所容纳的元件数目。集成度越高，所容纳的元件数目越多。

2、微电子的战略地位（对人类社会的巨大作用）（P2画红线）

集成电路（IC）产值的增长率（R

IC ）高于电子工业产值的增长率（R

EI

），电子工业

产值的增长率又高于GDP的增长率（R

GDP

）。一般有一个近似的关系：

R

IC ≈1.5~2R

EI

R

EI

≈3R

GDP

微电子对信息社会的重要性：

INTERNET基础设施

各种各样的网络：电缆、光纤(光电子)、无线...…

路由和交换技术：路由器、交换机、防火墙、网关...…

终端设备：PC、NetPC、WebTV ...…

网络基础软件：TCP/IP、DNS、LDAP、DCE ...…

INTERNET服务

信息服务: 极其大量的各种信息

交易服务: 高可靠、高保密...…

计算服务: “网络就是计算机!”, “计算机成了网络的外部设备!”

当前，微电子产业的发展规模和科学技术水平已成为衡量一个国家综合实力的重要标志。

3、集成电路的几种主要分类方法

（1）按器件类型：

双极集成电路：主要由双极晶体管构成（NPN型双极集成电路、PNP型双极集成电路）金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管(单极晶体管)构成（NMOS、PMOS、CMOS(互补MOS)）

双极-MOS(BiMOS)集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂

（2）按规模：

小规模集成电路(Small Scale IC，SSI)、中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI)、大规模集成电路(Large Scale IC，LSI)、超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI)、特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI)、巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）

（3）按结构形式的分类：单片集成电路、混合集成电路：厚膜集成电路、薄膜集成电路

（4）按电路功能分类：

数字集成电路(Digital IC)：它是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路

模拟集成电路(Analog IC)：它是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路

线性集成电路：又叫做放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等

非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路

数模混合集成电路(Digital - Analog IC) ：例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等

4、一些英文缩写词：IC、VLSI、ULSI等

微电子的特点：P13

1、半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体

半导体：材料的电阻率界于金属与绝缘材料之间的材料。这种材料在某个温度范围内随温度升高而增加电荷载流子的浓度，电阻率下降。

固体材料：超导体: 大于106(Wcm)-1

导体: 106~104(Wcm)-1

半导体: 104~10-10(Wcm)-1

绝缘体: 小于10-10(Wcm)-1

N型半导体：当硅中掺有施主杂质时，主要靠施主提供的电子导电，依靠空穴导电的半导体

形成机理：在纯净的硅晶体中掺入Ⅴ族元素（如磷、砷、锑等），使之取代晶格中硅原子的位置，由于它们的最外层只有5个价电子，其中4个与周围硅原子形成共价键，多余的一个价电子便成了可以导电的自由电子，这样一个Ⅴ族杂志原子可以向半导体硅提供一个自由电子而本身成为带正电的离子，通常把这种杂质称为施主杂质

P型半导体：当硅中掺有受主杂质时，主要靠受主提供的空穴导电，依靠空穴导电的半导体

形成机理：在纯净的硅晶体中掺入Ⅲ族元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位子，由于它们的最外层只有3个价电子，在与周围硅原子形成共价键时产生一个空穴，这样一个Ⅲ族杂志原子可以向半导体硅提供一个空穴，而本身接受一个电子成为带负电的离子，通常把这种杂质称为受主杂质

本征半导体:完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体

非本征半导体：当向半导体中添加受主或施主物质(称为掺杂物)，通过施主型杂质解离向导带注入电子或受主型杂质俘获价带电子产生了自由载流子，使本征半导体产生额外的电导，成为非本征半导体。

2、载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子

载流子：能够导电的自由粒子

电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子

空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位

平衡载流子：半导体中的导电电子浓度n

0和空穴浓度p

都保持一个稳定的数值,这种

处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流子。

非平衡载流子：处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是n

0和p

，可以比他

们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。

过剩载流子：由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子

3、能带、导带、价带、禁带

（P18）图示出了共有化量子态的能级图及其与原子能级之间的关系。由图可见可见，晶体中量子态的能级分成由低到高的许多组，分别和各原子能级相对应，每一组内包含大量的、能量很接近的能级。这样密集的能级在能级图中看上去就像一条带子，因此通常称它为能带

能带：半导体的能带 (价带、导带和带隙：导带底与价带顶之间的能量差)

导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带

价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带

禁带：导带底与价带顶之间能带

4、掺杂、施主、受主

掺杂：杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态。为了防止或控制烧结体在烧结或使用时的再结晶或晶粒长大而加入金属粉末中的少量物质。将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻、欧姆接触（磷(P)、砷(As) -- N型硅、硼(B) -- P型硅）

施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中掺的P 和As

受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中掺的B

施主和受主浓度：N

D 、N

A

5、输运、漂移、扩散、产生、复合

输运：载流子的漂移运动，载流子的扩散运动

漂移：载流子的漂移运动：载流子在电场作用下而产生的沿电场方向的运动

影响迁移率的因素：有效质量，平均弛豫时间（散射〕体现在：温度和掺杂浓度半导体中载流子的散射机制：晶格散射（热运动引起）电离杂质散射

扩散：载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动

产生：电子从价带跃迁到导带的结果是形成一对电子和空穴，因此电子从价带到导

带的热跃迁被称为电子-空穴对的产生过程。

载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程

电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合

复合：以n型半导体为例：当导带中的电子和价带中的空穴相遇时，电子可以从导带落入价带的这个空能级（多余的能量施放出来称为晶格振动），这个过程称为复合。

过剩载流子的复合机制：直接复合、间接复合、表面复合、俄歇复合

复合是与长生相对立的变化过程，复合将使一对电子和空穴消失。

6、PN结、双极晶体管、MOS场效应管、CMOS管

PN结（P33）：在一块半导体材料中，如果一部分是n型区，一部分是p型区，在n型区和p型区的交界面处就形成了pn结。

PN结的特性：单向导电性，正向偏置，反向偏置。

反偏电压增加耗尽层宽度变宽，反偏电压减小耗尽层宽度变窄；

正偏电压增加耗尽层宽度变窄，正偏电压减小耗尽层宽度变宽。

正向导通电压Vbi~0.7V(Si)，反向击穿电压Vrb

正向导通：多数载流子扩散电流，反向截止：少数载流子漂移电流

由于PN结中空间电荷区的存在，PN结两端有电位差V，那么，用导线将二极管两端短路，回路中会有电流吗？无

因为金属和半导体之间存在着接触电位差，二极管短路时，二极管两端的接触电位差抵消了PN结上的电位差。在热平衡状态下，PN结两侧载流子的扩散力与由V。形成的PN结内电场力平衡，故V。不能驱使载流子流通而形成电流，所以回路中无电流。双极晶体管：双极晶体管的结构：由两个相距很近的PN结组成：基区宽度远远小于少子扩散长度

分为：NPN和PNP两种形式

MOS场效应管：场效应晶体管（Field Effect Transistor，简写为FET）是只有一种载流子（电子或者空穴）参与导电的半导体器件，因此也被称为单极型晶体管

一种用输入电压控制输出电流的半导体器件。

具有噪声小、功耗低、输入电阻高（108～109Ω）、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。

CMOS管：CMOS集成电路(互补型MOS集成电路)

CMOS集成电路的优点：功耗小、设计灵活、抗干扰能力强、输入阻抗高、适合大规模集成、集成电路工业的主流技术

CMOS集成电路分为几种？

（1）CMOS开关：研究导通和截止作用。

（2）CMOS反相器：研究高低电平。

（3）静态CMOS逻辑门：研究与非、或非门及各种逻辑。

（4）CMOS电路的自锁效应：防止和限制电流作用。

1、半导体集成电路的基本概念：集成度、优值、特征尺寸等等，以及术语（芯片、硅片）

集成度：集成电路的集成度是指单块芯片上所容纳的元件数目。集成度越高，所容纳的元件数目越多。

优值：集成电路的功耗延迟积，顾名思义，就是把电路的延迟时间与功耗相乘，该参数是衡量集成电路性能的重要参数。功耗延迟积越小，即集成电路的速度越快或功耗越低，性能便更好。

特征尺寸：通常是指集成电路中半导体器件的最小尺度，如MOSFET的最小沟道长度或双极晶体管中的最小基区宽度，这是衡量集成电路加工和设计水平的重要参数。特征尺寸越小，加工精度越高，可能达到的集成度也越大，性能越好。

术语（芯片、硅片）：芯片是指没有封装的单个集成电路，硅片是指包含成千上百个芯片的大园硅片。

2、双极集成电路基础

有源元件：双极晶体管

无源元件：电阻、电容、电感等

特点：速度快、稳定性好、负载能力强

新型器件：多晶硅发射极双极晶体管、GeSi/Si 异质结双极晶体管

器件相互间电绝缘、金属导电薄膜

反向pn结隔离、全介质沟槽隔离、等平面pn结－介质混合隔离、场氧隔离

放大晶体管工作电压大：20V

开关晶体管工作电压：5V

轻掺杂外延层：提高收集结的反向击穿电压

重掺杂埋层：提高收集极的导电性能，降低收集极串联电阻

放大晶体管外延层厚度和电阻率较大，芯片面积较大

双极数字集成电路：

基本单元：逻辑门电路、触发器电路（由门电路组成）

双极逻辑门电路类型：

饱和型逻辑集成电路：电阻-晶体管逻辑(RTL)、二极管-晶体管逻辑(DTL)、合并晶体管－集成注入逻辑(I2L)、晶体管-晶体管逻辑(TTL)

抗饱和型逻辑集成电路：肖特基二极管钳位TTL（STTL）、发射功能逻辑(EFL)、

非饱和型逻辑集成电路：发射极耦合逻辑(ECL)、互补晶体管逻辑(CTL)、非阈值逻辑(NTL)、多元逻辑(DYL)

双极模拟集成电路：

一般分为：

线性电路（输入与输出呈线性关系）

非线性电路：电压比较器、调制器、解调器、对数放大器

接口电路：如A/D、D/A、电平位移电路等

3、MOS集成电路基础

基本电路结构：MOS器件结构

特点：功耗低、速度快、噪声容限大、易集成

沟道导电类型：pMOS、nMOS、CMOS

栅材料：铝栅、硅栅

MOS集成电路：数字集成电路、模拟集成电路

MOS开关的几种典型用法：传输门、阈值损失

MOS反相器性能的主要指标：输出高电平、输出低电平、反相器阈值电压、直流噪声容限、直流功耗、瞬态特性、芯片面积、工艺难度和兼容性

4、CMOS集成电路，比如CMOS反相器

CMOS集成电路(互补型MOS集成电路)：

基本电路单元：CMOS开关、CMOS反相器（nMOS串与并或、pMOS串或并与）

W

IN OUT

W

CMOS开关

1、集成电路的制造过程

要制造一块集成电路，需要经过集成电路设计、掩模版制造、原始材料制造、芯片加工、封装、测试等工序。

2、各种工艺的概念、原理等

图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相底片)上的图形转移到半导体单晶片上

光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻

刻蚀：干法刻蚀、湿法刻蚀

湿法刻蚀：利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法

干法刻蚀：主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的

湿法腐蚀：

湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用：磨片、抛光、清洗、腐蚀

优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低

缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差

干法刻蚀：

溅射与离子束铣蚀：通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差

等离子刻蚀(Plasma Etching)：利用放电产生的游离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差

反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，简称为RIE)：通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前，RIE已成为VLSI工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体管、接触等

将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻、欧姆接触

离子注入退火

扩散

掺杂工艺：扩散、离子注入

退火：（P100）也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火

激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到杂质的作用

消除损伤

退火方式：炉退火

快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等)

制膜：制作各种材料的薄膜

氧化：干氧氧化、湿氧氧化等

CVD：APCVD、LPCVD、PECVD

PVD：蒸发、溅射

化学汽相淀积(CVD)

化学汽相淀积(Chemical Vapor Deposition)：通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程

CVD技术特点：

具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点

CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO

、

2多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等

三种方法：常压化学汽相淀积(APCVD)、低压化学汽相淀积(LPCVD)、等离子增强化学汽相淀积(PECVD)

二氧化硅的化学汽相淀积：可以作为金属化时的介质层，而且还可以作为离子注入或扩散的掩蔽膜，甚至还可以将掺磷、硼或砷的氧化物用作扩散源

低温CVD氧化层：低于500℃

中等温度淀积：500～800℃

高温淀积：900℃左右

单晶硅的化学汽相淀积(外延)：一般地，将在单晶衬底上生长单晶材料的工艺叫做外延，生长有外延层的晶体片叫做外延片

多晶硅的化学汽相淀积：利用多晶硅替代金属铝作为MOS器件的栅极是MOS集成电路技术的重大突破之一，它比利用金属铝作为栅极的MOS器件性能得到很大提高，而且采用多晶硅栅技术可以实现源漏区自对准离子注入，使MOS集成电路的集成度得到很

大提高。

一般用LPCVD设备在600－650。C分解硅烷淀积多晶硅

均匀性好

淀积速率：10－20nm/min

多晶硅晶粒尺寸：0.03－0.3um

氮化硅的化学汽相淀积：中等温度(780～820℃)的LPCVD或低温(300℃) PECVD方法淀积

利用LPCVD方法淀积的氮化硅薄膜具有理想的化学配比，密度较高，氧化速率慢，局域氧化的掩蔽阻挡层

利用PECVD方法淀积的氮化硅薄膜不具有理想的化学配比，密度较低，具有阻挡水和钠离子扩散以及很强的抗划伤能力，用作集成电路的钝化层

LPCVD氮化硅（Si

3N

4

）的反应气体：二氯硅烷和氨气700～800℃

PECVD氮化硅（Si

3N

4

）的反应气体：硅烷和氨气或者氮气在等离子体中反应得到，淀

积温度低于300℃

PECVD制备的氮化硅薄膜不是严格化学配比的氮化硅，含有大量的氢。20％－25％的氢

物理气相淀积(PVD)：

蒸发：在真空系统中，金属原子获得足够的能量后便可以脱离金属表面的束缚成为蒸汽原子，淀积在晶片上。按照能量来源的不同，有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种

溅射：真空系统中充入惰性气体，在高压电场作用下，气体放电形成的离子被强电场加速，轰击靶材料，使靶原子逸出并被溅射到晶片上

3、光刻、氧化、扩散、离子注入

光刻：

光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机

光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体

光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变

正胶：光刻胶在曝光前不溶而曝光后变为可溶的（分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只采用正胶）

负胶：光刻胶在曝光前可溶于某种溶液而曝光后变为不可溶的（分辨率差，适于加工线宽≥3 m的线条）

一般流程：

几种常见的光刻方法

接触式光刻：分辨率较高，但是容易造成掩膜版和光刻胶膜的损伤。

接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙(10～25mm)，可以大大减小掩膜版的损伤，分辨率较低

投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上的曝光方法，目前

用的最多的曝光方式

超细线条光刻技术：甚远紫外线(EUV) 、电子束光刻、X射线、离子束光刻

EUV：

248nm、193nm的准分子激光：0.18um；进程校正、移相掩膜：0.13um；13nm的EUV：亚0.1um

问题：合适的掩膜版材料、光学系统

实现90nm节点的主流光刻机是193nm ArF Stepper（准分子激光器扫描分布投影光刻机）

实现65nm节点的光刻机是193nm ArF Stepper或193nm ArF浸没式光刻机

电子束光刻：

电子束直径小，效率低，难适用于大规模批量化生产

Lucent Scalpel

氧化工艺

氧化：制备SiO

2

层

SiO

2的性质及其作用：SiO

2

是一种十分理想的电绝缘材料，它的化学性质非常稳定，

室温下它只与氢氟酸发生化学反应

氧化硅层的主要作用：

在MOS电路中作为MOS器件的绝缘栅介质，器件的组成部分

扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时与光刻胶、Si

3N

4

层一起使用)阻挡层

作为集成电路的隔离介质材料

作为电容器的绝缘介质材料

作为多层金属互连层之间的介质材料

作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料

SiO

2

的制备方法：

热氧化法（干氧氧化、水蒸汽氧化、湿氧氧化、干氧－湿氧－干氧(简称干湿干)氧化法、氢氧合成氧化）、化学气相淀积法、热分解淀积法、溅射法

扩散：

替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位：Ⅲ、Ⅴ族元素；一般要在很高的温度(950～1280℃)下进行

磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数均远小于在硅中的扩散系数，可以利用氧化层作为杂质扩散的掩蔽层

间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙：Na、K、Fe、Cu、Au 等元素

扩散系数要比替位式扩散大6～7个数量级

离子注入：将具有很高能量的杂质离子射入半导体衬底中的掺杂技术，掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定

特点：（P98）

1.掺杂的均匀性好

2.温度低：小于600℃

3.可以精确控制杂质分布

4.可以注入各种各样的元素

5.横向扩展比扩散要小得多。

6.可以对化合物半导体进行掺杂

前工序：

图形转换技术：主要包括光刻、刻蚀等技术

薄膜制备技术：主要包括外延、氧化、化学气相淀积、物理气相淀积(如溅射、蒸发) 等

掺杂技术：主要包括扩散和离子注入等技术

后工序：划片、封装、测试、老化、筛选

辅助工序：超净厂房技术；超纯水、高纯气体制备技术；光刻掩膜版制备技术；材料准备技术

1、IC设计特点及设计信息描述

设计特点(与分立电路相比)：

对设计正确性提出更为严格的要求

测试问题

版图设计：布局布线

分层分级设计(Hierarchical design)和模块化设计

高度复杂电路系统的要求

什么是分层分级设计？

将一个复杂的集成电路系统的设计问题分解为复杂性较低的设计级别，这个级别可以再分解到复杂性更低的设计级别；这样的分解一直继续到使最终的设计级别的复杂性足够低，也就是说，能相当容易地由这一级设计出的单元逐级组织起复杂的系统。一般来说，级别越高，抽象程度越高；级别越低，细节越具体

设计信息描述：

Very high-speed integrated circuit hardware description language 超高速集成电路硬件描述语言

2、典型设计流程

理想的设计流程(自顶向下：TOP-DOWN）系统功能设计，逻辑和电路设计，版图设计

1、系统功能设计；

2、逻辑和电路设计；

3、版图设计

书P156

3、几种集成电路设计方法的基本概念以及相互比较（详见ppt chap05.3）P183 习题2

4、全定制、定制(标准单元等)、半定制(门阵列)、PLD、FPGA等主要设计方法的概念和特点是什么？

全定制设计方法：一般用于通用数字集成电路、模拟集成电路、数模混合集成电路（P166）

专用集成电路（ASIC：Application-Specific Integrated Circuit）（相对通用电路而言）

针对某一应用或某一客户的特殊要求设计的集成电路；批量小、单片功能强：降低设计开发费用

主要的ASIC设计方法：

门阵列设计方法：半定制

标准单元设计方法：定制掩膜版方法

积木块设计方法：定制

可编程逻辑器件设计方法

门阵列设计方法（GA方法）：P173

概念：形状和尺寸完全相同的单元排列成阵列，每个单元内部含有若干器件，单元之间留有布线通道，通道宽度和位置固定，并预先完成接触孔和连线以外的芯片加工步骤，形成母片

标准单元设计方法（SC方法）：P168

一种库单元设计方法，定制设计方法

概念：从标准单元库中调用事先经过精心设计的逻辑单元，并排列成行，行间留有可调整的布线通道，再按功能要求将各内部单元以及输入/输出单元连接起来，形成所需的专用电路

可编程逻辑器件设计方法（PLD方法）：P178

概念：用户通过生产商提供的通用器件自行进行现场编程和制造，或者通过对与或矩阵进行掩膜编程，得到所需的专用集成电路

通用阵列逻辑(GAL)：P180

现场可编程门阵列(FPGA)：P180

1、系统描述及模拟（习题25）P195

VHDL模拟环境的特点：

属性：获得特性信息，建立时域模型，解决对一些必要信息提取较困难的问题

预定义属性：在动态模拟过程中，提供设计实体的某些静态特性信息，也可以是动态特性信息

自定义属性：设计人员为某些实体指定的具有特殊含义的常量

2、综合

概念：从设计的高层次向低层次转换的过程，是一种自动设计的过程一种专家系统分类：系统级综合、高级综合、RTL级综合：行为综合（软件：Synopsys，Ambit）、逻辑综合、物理综合（逻辑图或电路图到版图，严格说应该是同级驱动

3、逻辑模拟P201

逻辑模拟的基本概念：将逻辑设计输入到计算机，用软件方法形成硬件的模型，给定输入波形，利用模型算出各节点和输出端的波形，判断正确否

主要作用：验证逻辑功能和时序的正确性

4、电路模拟P203

电路模拟：根据电路的拓扑结构和元件参数将电路问题转换成适当的数学方程并求解，根据计算结果检验电路设计的正确性

模拟对象：元件

优点：不需实际元件、可作各种模拟甚至破坏性模拟

在集成电路设计中起的作用：版图设计前的电路设计，保证电路正确(包括电路结构和元件参数)

有单元库支持：单元事先经过电路模拟

无单元库支持的全定制设计：由底向上，首先对单元门电路进行电路设计、电路模拟，依此进行版图设计，直至整个电路

后仿真：考虑了寄生参数，由电路模拟预测电路性能

5、时序分析（P207）

逻辑模拟的基本单元是门或功能块，一定程度上反映竞争、冒险等现象，模拟速度比SPICE快三个量级，但精度不够，各节点电流、电压不知

电路模拟的基本单元是晶体管、电阻、电容等元器件，可以较精确地获得电路中各节点的电压或电流，但对于较大的电路，很多的迭代求解需要很大的存储空间和很长的计算时间

时序分析介于两者之间，可提供详细的波形和时序关系，比SPICE快二个量级，精度低10%，但比带延迟的逻辑模拟要高得多

一般在功能仿真通过后，进行时序性能的分析

6、版图设计的CAD工具P209

按工作方式可以分为三类：自动设计、半自动设计和人工设计

7、计算机辅助测试技术P222

8、器件模拟和工艺模拟

器件模拟：就是在给定器件结构和掺杂分布的情况下，采用数值方法直接求解器件的基本方程，只能进行模拟分析，通过调试参数来实现性能要求。

工艺模拟：在深入探讨各工艺过程物理机制的基础上，对各工艺过程建立数学模型，给出数学表达式，在已知某些工艺参数的情况下，对给定工艺过程进行数值求解，计算出经过该工序后的杂质浓度分布。结构特性变化或期间中的应变能力。

VHDL语言的基本结构、结构描述（例子）

电路描述（SPICE为例，输入文件）

器件模拟的输入文件（MEDICI为例）

工艺模拟的输入文件（SUPEREM－IV为例）

能够读懂

1、薄膜晶体管TFT

通常是指利用半导体薄膜材料制成的绝缘栅场效应晶体管：非晶硅薄膜晶体管(a-Si TFT)、多晶硅薄膜晶体管(poly-Si TFT)、碳化硅薄膜晶体管(SiC TFT)

TFT的应用领域：大面积平板显示──有源矩阵液晶显示(Active Matrix Liquid Crystal Display, 缩写为AMLCD)；电可擦除只读存储器(ROM)；静态随机存储器(SRAM)；线阵或面阵型图像传感器驱动电路；液晶显示器

液晶显示器：驱动电压和功耗低、体积小、重量轻、无X射线辐射等一系列优点，为了降低串扰，提高扫描线数，在每个像素上配置一个开关器件，形成有源矩阵液晶显示，消除了像素间的交叉串扰

2、光电器件（习题30）

光电子器件：光子担任主要角色的电子器件

发光器件：将电能转换为光能

发光二极管(Light Emitting Diode，缩写为LED)

半导体激光器

太阳能电池：将光能转换为电能

光电探测器：利用电子学方法检测光信号的

3、电荷耦合器件

电荷耦合器件(Charge Coupled Device，简称CCD)：70年代初由美国贝尔实验室研制成功的一种新型半导体器件

CCD器件不同于其他器件的突出特点：以电荷作为信号，即信息用电荷量(称为电荷包)代表，而其他器件则都是以电压或电流作为信号的

CCD器件的应用：广泛用于影像传感、数字存储和信息处理等三个领域，其中最重要的应用是作为固态摄像器件，其次是作为存储器件

4、原理以及应用

1、MEMS的基本概念

从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电

路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统。

MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等

2、MEMS的加工工艺（P295）

1、大机械制造小机械，小机械制造微机械：日本为代表

2、LIGA工艺：Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(电铸) Abformung(塑铸)：德国为代表

3、硅微机械加工工艺：体硅工艺和表面牺牲层工艺：美国为代表

硅MEMS工艺：化学腐蚀、高深宽比深槽刻蚀、键合

3、MEMS的器件

惯性MEMS器件：加速度计（压阻式加速度计、电容式加速度计、压电式加速度计）、陀螺、压力传感器

光学MEMS器件：微光开关、微光学平台

微执行器：微喷、微马达

生物MEMS器件

光学MEMS器件（Optical Transducers，MOEMS, Optical MEMS）

分类：传统的光传感器、转换器：光传感、成像、发光器件（光电子）

利用光进行传感的器件：位置传感器、光谱仪、DNA芯片

利用微机械加工方法形成的器件：传统器件的新生命、新型器件

传统的光传感器：光传感方式；成像系统(Imager)：CCD、CMOS；发光系统：LED、半导体激光器、等离子、生物发光；光调节器

发光器件：场发射（FEDs）、未来的显示设备(FPD)

微加速度计、微陀螺、MEMS光开关、射频MEMS器件、生物MEMS、微马达

1、基本规律

恒定电压等比例缩小规律(简称CV律)：

保持电源电压V

ds 和阈值电压V

th

不变，对其它参数进行等比例缩小

按CV律缩小后对电路性能的提高远不如CE律，而且采用CV律会使沟道内的电场大大

增强

CV律一般只适用于沟道长度大于1mm的器件，它不适用于沟道长度较短的器件。

准恒定电场等比例缩小规则，缩写为QCE律：

CE律和CV律的折中，世纪采用的最多

随着器件尺寸的进一步缩小，强电场、高功耗以及功耗密度等引起的各种问题限制了按CV律进一步缩小的规则，电源电压必须降低。同时又为了不使阈值电压太低而影响电路的性能，实际上电源电压降低的比例通常小于器件尺寸的缩小比例

器件尺寸将缩小k倍，而电源电压则只变为原来的l/k倍

2、摩尔定律：1965年Intel公司的创始人之一Gordon E. Moore预言集成电路产业的

发展规律：即集成电路的集成度每三年增长四倍，特征尺寸每三年缩小2倍

3、按比例缩小定律：等比例缩小(Scaling-down)定律是1974年由Dennard提出的，他的基本指导思想是：在MOS器件内部电场不变的条件下，通过等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，以增加跨导和减少负载电容，由此提高集成电路的性能。同时电源电压也要与器件尺寸缩小相同的倍数，这种维持器件内部电场不变的等比例缩小定律叫做恒定电场规律，简称CE律

4、微电子技术的三个发展方向

硅微电子技术的三个主要发展方向：

1、特征尺寸继续等比例缩小，

2、集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC)。

3、微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等

第一个关键技术层次：微细加工

第二个关键技术：互连技术

第三个关键技术：新型器件结构、新型材料体系、高K介质、金属栅电极、低K介质、SOI材料

5、SOC的一些基本概念P226（习题28、29）

SOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个芯片上完成整个系统的功能

SOC必须采用从系统行为级开始自顶向下(Top-Down)地设计

SOC的优势：嵌入式模拟电路的Core可以抑制噪声问题；嵌入式CPU Core可以使设计者有更大的自由度；降低功耗，不需要大量的输出缓冲器；使DRAM和CPU之间的速度接近

SOC与IC组成的系统相比，由于SOC能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，可以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标

若采用IS方法和0.35mm工艺设计系统芯片，在相同的系统复杂度和处理速率下，能够相当于采用0.25 ~ 0.18mm工艺制作的IC所实现的同样系统的性能

与采用常规IC方法设计的芯片相比，采用SOC完成同样功能所需要的晶体管数目可以有数量级的降低

SOC的三大支持技术：软硬件协同设计：Co-Design；IP技术；界面综合(Interface Synthesis)技术