微电子学概论 3
微电子学概论 ppt课件
自1968年开始，硅技术为代表的信息技术领域的学术 论文超过了以钢铁技术为代表的机械领域的学术论文
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11个国家集成电路人才 培养基地
一. 微电子技术与半导体集成电路
微电子学- 信息科学的基础 研究在固体（半导体）材料上构成的微小型化电路、子系统及系统 的电子学分支，研究芯片级微电路系统的科学。研究电子或离子在 固体材料中的运动规律及其应用，并实现信号处理。
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课程内容及学时安排 2学分 32学时
第一章 概论 （多媒体）
3 学时
第二章 集成器件物理基础（部分多媒体）
12学时
第三章 集成电路制造工艺 （多媒体）
7 学时
第四章 集成电路设计（多媒体）
4 学时
第五章 微电子系统设计 （多媒体）
2 学时
第六章 集成电路C A D技术（计算机辅助设计) 4 学时
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除了自身对国民经济的巨大贡献之外
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采用交流传动改造后，电力机车可节电20%-30% 内燃机车可节油12%-14%
全国一半以上中等城市的自来水公司，在管网自动 检测和生产调度中使用计算机控制，可使自来水流 失率降低50%
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人类社会的材料(主要) 宽禁带半导体材料(GaAs)
微电子学概论
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教学目的
了解微电子学发展历史及在科学技术、国民经济、国家安全
的重要战略作用。
对微电子技术发展过程中的一些基本规律、发展前景的展望
和进行预测；对充分反映微电子技术领域的最新成果、体现前 沿性和时代性等进行了解。
在半导体物理基础上，对半导体器件基础、大规模集成电路
微电子学概论第三节设计技术资料精
Introduction to Microelectronics第三章设计技术§3.1 集成电路的分类§3.2 集成电路设计基础§3.3 集成电路设计方法33§3.4 集成电路设计验证技术§3.5 GaAs电路设计技术§3.6 集成电路设计技术的挑战36第三章设计技术Æ通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件，电阻、电容等无源器件，“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，Æ随着集成电路集成度的不断提高以及工艺技术不断进步，设计方法面临着很大的挑战特别是技术的出现设计技术已经从“电路集成”发展到“系统集执行特定的电路或系统功能，称为集成电路（IC ）。
的挑战，特别是SoC 技术的出现，设计技术已经从电路集成发展到系统集成”。
传统的手工绘图、原理图输入等设计方法已经被替代，设计方法学和EDA 工具已经在集成电路设计中发挥着越来越大的作用，以保障设计成本和提高设计效率。
¦1952年5月，英国科学家G. W. Dummer第一次提出了集成电路的设想。
¦1958年德克萨斯仪器公司（TI）的Clair Kilby发明了集成电路，该电路在锗衬底上集成了12个器件，该发明获得了2000年诺贝尔物理学奖。
¦1965年Intel公司的创始人Gorden E. Moore提出了著名的摩尔定律：集成电路的集成度，即芯片上晶体管数目每隔18个月增加一倍或每3年翻两倍。
Æ40多年来，以动态存储器（DRAM）和Intel公司的微处理器为代表的两大类集成电路的规模几乎是准确按照摩尔定律发展。
ÆIC技术成为近50多年来发展最快的技术，以Intel公司的微处理器为例，1971年推出第一代四位微处理器产品4004，集成了2300只晶体管，采用10μm工艺实现，时钟频率为108kHz；2000年推出的Pentium 4微处理器，集成了4200万只晶体管，采用Pentium4微处理器集成了万只晶体管采用0.18 μm工艺，时钟频率为1.5GHz。
微电子学概论复习题及答案(详细版)
微电子学概论复习题及答案（详细版）第一章绪论1．画出集成电路设计与制造的主要流程框架。
2．集成电路分类情况如何？双极型PMOSMOS型单片集成电NMOS路CMOS按结构分类BiMOSBiMOS型BiCMOS厚膜混合集成电路混合集成电路薄膜混合集成电路SSIMSI集成电路LSI按规模分类VLSIULSIGSI组合逻辑电路数字电路时序逻辑电路线性电路按功能分类模拟电路非线性电路数字模拟混合电路按应用领域分类第二章集成电路设计1．层次化、结构化设计概念，集成电路设计域和设计层次分层分级设计和模块化设计．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。
从层次和域表示分层分级设计思想域：行为域：集成电路的功能结构域：集成电路的逻辑和电路组成物理域：集成电路掩膜版的几何特性和物理特性的具体实现层次：系统级、算法级、寄存器传输级(也称RTL级)、逻辑级与电路级2．什么是集成电路设计？根据电路功能和性能的要求，在正确选择系统配置、电路形式、器件结构、工艺方案和设计规则的情况下，尽量减小芯片面积，降低设计成本，缩短设计周期，以保证全局优化，设计出满足要求的集成电路。
3．集成电路设计流程，三个设计步骤系统功能设计逻辑和电路设计版图设计4．模拟电路和数字电路设计各自的特点和流程A.数字电路：RTL级描述逻辑综合(Synopy,Ambit)逻辑网表逻辑模拟与验证，时序分析和优化难以综合的：人工设计后进行原理图输入，再进行逻辑模拟电路实现(包括满足电路性能要求的电路结构和元件参数)：调用单元库完成；没有单元库支持：对各单元进行电路设计，通过电路模拟与分析，预测电路的直流、交流、瞬态等特性，之后再根据模拟结果反复修改器件参数，直到获得满意的结果。
由此可形成用户自己的单元库；单元库：一组单元电路的集合；经过优化设计、并通过设计规则检查和反复工艺验证，能正确反映所需的逻辑和电路功能以及性能，适合于工艺制备，可达到最大的成品率。
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集成电路的作用
§小型化 §价格急剧下降 §功耗降低 §故障率降低
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§其次，统计数据表明，发达国家在发 展过程中都有一条规律
Ø 集成电路（IC）产值的增长率（RIC）高于电子 工业产值的增长率（REI）
Ø 电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率 （RGDP）
Ø 一般有一个近似的关系
▪ 杂质处于两种状态：中性态和离化态。 当处于离化态时，施主杂质向导带提供 电子成为正电中心；受主杂质向价带提 供空穴成为负电中心。
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按结构形式的分类
§单片集成电路：
Ø它是指电路中所有的元器件都制作 在同一块半导体基片上的集成电路
Ø在半导体集成电路中最常用的半导 体材料是硅，除此之外还有GaAs等
§混合集成电路：
Ø厚膜集成电路 Ø薄膜集成电路
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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
（ b）单胞无需是基本的
晶体结构
§ 三维立方单胞
Ø 简立方、
体心立方、
面立方
固体材料的能带图
固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体
半导体的能带
▪ 本征激发
有效质量的意义
▪ 自由电子只受外力作用；半导体中的电子 不仅受到外力的作用，同时还受半导体内 部势场的作用
▪ 意义：有效质量概括了半导体内部势场的 作用，使得研究半导体中电子的运动规律 时更为简便（有效质量可由试验测定）
W. Schokley J. Bardeen W. Brattain
获得1956年 Nobel物理 奖
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微电子学概论复习文档
微电子学概论复习文档一、微电子学概述1.定义：微电子学是研究微米尺寸电子元器件（如晶体管、集成电路等）的科学。
2.特点：尺寸小、功能集成、速度快、功耗低。
3.应用领域：计算机、通信、医疗、汽车、工业控制等。
二、基本概念1.晶体管：是微电子学的基本元件，分为NPN型和PNP型。
2.集成电路：是晶体管和其他电子元件的组合，包括集成电路芯片和集成电路模块。
3.可编程逻辑器件（PLD）：是一种可以编程的数字逻辑电路，如可编程门阵列（PAL）和可编程逻辑阵列（PLA）等。
三、微电子器件1.MOSFET晶体管：结构简单，使用广泛，适用于各种应用场合。
2.双极型晶体管：用于放大和开关电路。
3.发光二极管（LED）：将电能转化为光能的器件。
4.激光二极管：用于激光器、光纤通信等领域。
5.硅基混合集成电路：将硅MOSFET和双极型晶体管结合使用，提高集成度和性能。
四、半导体材料与器件1.硅材料：常用的半导体材料，具有良好的电子和热导性能。
2.砷化镓材料：适用于高频器件，具有较好的导电性能。
3.砷化铝材料：适用于光电子器件，具有良好的光电转换性能。
五、集成电路制造工艺1.可重复制造技术：使用模版制造集成电路。
2.硅工艺：将器件制作在硅基底上。
3.制作流程：薄膜沉积、光刻、蚀刻、扩散等。
六、集成电路设计与布局1.电路设计：根据电路功能和性能要求设计电路。
2.电路布局：将电路元件放置在集成电路芯片上的过程。
3.电路布线：将芯片内的电路元件连接起来的过程。
七、集成电路测试与封装1.电气测试：测试集成电路的功能和性能。
2.封装：将芯片封装在注塑封装或球栅阵列封装中，提供对外连接。
八、微电子器件的未来发展1.器件尺寸的进一步缩小。
2.功耗的进一步减少。
3.通信和计算速度的进一步提高。
4.新材料的应用和新器件的研发。
以上是关于微电子学概论的复习笔记，希望对你的复习有所帮助。
通过对这些知识点的复习，你可以对微电子学的基本原理和应用有一个全面的了解，为进一步深入学习微电子学打下坚实的基础。
《微电子学概论》大规模集成电路基础-PPT精品文档
与非门：Y=A1A2
河南工业大学 电气工程学院
3.3 影响集成电路性能的因素和发展趋势
• • • • • 有源器件 无源器件 隔离区 互连线 钝化保护层
• 寄生效应：电容、有源器件、 电阻、电感
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3.4 影响集成电路性能的因素和发展趋势
器件的门延迟： 迁移率 沟道长度 电路的互连延迟： 线电阻（线尺寸、电阻率） 线电容（介电常数、面积） 途径： 提高迁移率，如GeSi材料 减小沟道长度 互连的类别： 芯片内互连、芯片间互连 长线互连(Global)
漏极
n+
n+
P型硅基板
半 导
河南工业大学 电气工程学院
基
体
MOSFET的工作原理
源极(S) 栅极(G)
MOS晶体管的基本结构
漏极(D) 源极
栅极（金属）
绝缘层（SiO2）
漏极
n+
n+
P型硅基板
半
导 体 基
MOS晶体管的动作
板 MOS晶体管实质上是一种使
河南工业大学 电气工程学院 电流时而流过，时而切断的 开关
中等线互连
短线互连(Local)
河南工业大学 电气工程学院
减小互连的途径：
增加互连层数
增大互连线截面
Cu互连、Low K介质 多芯片模块（MCM） 系统芯片（System on a chip）
减小特征尺寸、提高集成度、Cu互连、系统优化设计、SOC
河南工业大学 电气工程学院
源极(S) 栅极(G)
源极
栅极
漏极
漏极(D)
源极 漏极
VG=0 VS=0 VD=0
栅极电压为零时，存储在 源漏极中的电子互相隔离
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的特点
集成电路的分类
导论
晶体管的 发明
集成电路 发展历史
集成电路 的分类
微电子学 的特点
集成电路的分类
器件结构类型 集成电路规模 使用的基片材料 电路形式 应用领域
器件结构类型分类
导论
晶体管的 发明
集成电路 发展历史
集成电路 的分类
微电子学 的特点
集成电路（IC）产值的增长率（RIC）高于电子 工业产值的增长率（REI）
电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率 （RGDP）
一般有一个近似的关系
RIC≈1.5~2REI REI≈3RGDP
微电子学发展情况
导论
晶体管的 发明
集成电路 发展历史
集成电路 的分类
微电子学 的特点
世界GDP和一些主要产业的发展情况
晶体管的 发明
集成电路 发展历史
集成电路 的分类
微电子学 的特点
1947年12月13日 晶体管发明 1958年 的一块集成电路 1962年 CMOS技术 1967年 非挥发存储器 1968年 单晶体管DRAM 1971年 Intel公司微处理器
摩尔定律
导论 晶体管的
发明 集成电路
发展历史 集成电路
高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电 子学发展的方向
微电子学的渗透性极强
它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的 交叉学科，例如微机电系统(MEMS)、生物芯 片等
作业
微电子学？
导论 晶体管的
微电子学核心？
发明 微电子学主要研究领域？
集成电路 发展历史
微电子学特点？
集成电路 集成电路？
的分类
例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等
《微电子学概论》--B03
描述半导体中静电势的变化规律 静电势由本征费米 能级Ei的变化决定
Ei q
能带向下弯， 静电势增加
方程的形式1
x,t s 0
2
特例： 均匀Si中， 无外加偏 压时， 方程R
s 0
x dx
s
电荷 密度 (x)
可动的 －载流子（n,p)
固定的 －电离的施主、受主
qN
D
N
A
pn
电流连续方程
可动载流 子的守恒
电子：
n 1 jn G R t q
热平衡时：
产生率＝复合率
np=ni2
空穴
p 1 j p G R t q
原子结合形式：共价键
形成的晶体结构： 构 成 一 个正四
面体， 具 有 金 刚 石 晶 体 结 构
北京大学 微电子学研究所
半导体的结合和晶体结构
金刚石结构
半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS
北京大学 微电子学研究所
2. 半导体中的载流子：能够导电的自由粒子
dn qDn dx
dp qD p dx
爱因斯坦关系:
kT D q
北京大学 微电子学研究所
过剩载流子的扩散和复合
过剩载流子的扩散过程
扩散长度Ln和Lp: L=(D)1/2 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
北京大学 微电子学研究所
描述半导体器件工作的基本方程
n
p
kT n ln q ni
kT p ln q ni
波耳兹曼关系
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第二章 半导体物理和器件物理基础
2.3 pn结 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 平衡pn结 正向特性 反向特性 击穿 电容 制作
a wq
Pn结的制作
B
1200℃
p n型
（1）扩散
a wq
Pn结的制作
B
p
n型
高真空 高能量 直接打进去
（2）离子注入
I（mA） 画出PN结的理论伏安特 D 2 T=25℃ 性曲线。
1.5 1 0.5
U（mV） 曲线OD段表示PN
0
0.25 50 75 100 -I S
（V）
B
结正向偏置时的伏 安特性，称为正向 特性；
(uA)
图 PN结的理论伏安特性
曲线OB段表示PN 结反向偏置时的伏 安特性，称为反向 特性。
微电子学概论 第二章
第二章 半导体物理和器件物理基础
2.3 pn结 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 平衡pn结 正向特性 反向特性 击穿 电容
2.3.1 平衡pn结：无偏压下的pn结
空间电荷区也称作 扩散的结果形成自建电场。
“耗尽区” “势垒 区” 空间电荷区为高阻区，因为 缺少载流子
a wq
齐纳击穿
P型
强电场破坏共价健引起的。 齐纳击穿通常发生在掺杂浓度较高 的PN结中。
n型
第二章 半导体物理和器件物理基础
2.3 pn结 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 平衡pn结 正向特性 反向特性 击穿 电容
除了单向导电性之外，PN结还存在电容效应。 势垒电容CB 多子的充放电引起的。是指外加电压的 变化导致空间电荷区存储电荷的变化，从而 显示出电容效应。几皮法~几百皮法。 PN结的电容很小，是针对高频交流小信号而 考虑。
a wq
小结 （1）什么叫pn结，如何结电流电压关系
正向反向
（3）什么叫耗尽层
形成：孤零零的电离杂质中心
（4） pn结的击穿
隧道，雪崩，软
（5） pn结的电容
势垒电容
（6） pn结的制作
扩散，离子注入
平衡：扩散流＝漂移流， n,p区域的费米能级一致 能带的弯曲， 形成势垒
耗尽层的特点 (1)只剩下杂质中心没有自由载流子 因此电阻很大 (2)它的宽度与杂质浓度有关,越浓,越薄 (3)电场强度:边缘为零,线形变化中间最强,
N型 + + + +
P型
-
-
-
-
耗尽层
第二章 半导体物理和器件物理基础
2.3 pn结 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 平衡pn结 正向特性 反向特性 击穿 电容
第二章 半导体物理和器件物理基础
2.3 pn结 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 平衡pn结 正向特性 反向特性 击穿 电容
流过PN结的电流主要是少子的漂移决定 的，称为PN结的反向电流。
PN结的反向电流很小，而且与反向电压的大小 基本无关。PN结表现为很大的电阻，称之截止。
外加电压
流过PN结 绝对温度(K) 的电流 反向饱和电流 电子电荷量 q =1.6×10-19C 玻耳兹曼常数
自然对数的底
k =1.38×10-23J/K
令
kT q
qU
UT 则
I I S (e kT 1)
U
当U大于UT数倍
I I S (e
UT
1)
U
在常温下，T = 300K，
雪崩击穿
由倍增效应引起的击穿。当PN结外加的反 向电压增加到一定数值时，空间电荷数目 较多，自建电场很强，使流过PN结的少子 漂移速度加快，可获得足够大的动能，它 们与PN结中的中性原子碰撞时，能把价电 子从共价建中碰撞出来，产生新的电子空 穴对。 雪崩击穿通常发生在掺杂浓度较低的PN结 中。
结论：
PN结的单向导电性： PN结加正向电压产生大的正向电流， PN结导电。 PN结加反向电压产生很小的反向饱和 电流，近似为零， PN结不导电。
PN结的伏安特性
定量描绘PN结两端电压和流过结的电流的关 系的曲线——PN结的伏安特性。 根据理论分析，PN结的伏安特性方程为
qU
I I S (e kT 1)
I（mA）
UBR 0 U（V）
加大PN结的反向 电压到某一值时， 反向电流突然剧增， 这种现象称为PN 结击穿，发生击穿 所需的电压称为击 穿电压，如图所示。
图 PN结反向击穿
反向击穿的特点： 反向电压增加很小， 反向电流却急剧增 加。
第二章 半导体物理和器件物理基础
2.3 pn结 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 平衡pn结 正向特性 反向特性 击穿 电容
PN结外加正向电压时（P正、N负），空间
电荷区变窄。
不大的正向电压，产生相当大的正向电流。
外加电压的微小变化，扩散电流变化较大。
a wq
Pn结的IV特性
n型
P型
（１）正偏:p正，n负 势垒降低，电流增大
a wq
回忆： 电子的跃迁禁带的概率比例于 EXP(-Eg/kT) 所以可知，随偏置电压的变化，电流呈指数变 化。
a wq
反偏增加：耗尽层加厚 如果两侧浓度不同，向低浓度一侧扩展
a wq
Pn结的IV特性
P型
n型
（１）反偏:p负，n正 势垒加高，电流很小 I=Is
PN结加反向电压时，空间电荷区变宽，自
建电场增强，多子的扩散电流近似为零。 反向电流很小，它由少数载流子形成，与少 子浓度成正比。 少子的值与外加电压无关，因此反向电流的 大小与反向电压大小基本无关，故称为反向 饱和电流。 温度升高时，少子值迅速增大，所以PN结 的反向电流受温度影响很大。
e
UT
1
U UT
I ISe 23 kT 1.38 10 300 即正向电流随正向电压的增加以指数 UT 26mV 19 规律迅速增大。 1.6 10 q
U
I I S (e
UT
1)
U
e
UT
1
I≈IS 即加反向电压时，PN结只流过很小的反向饱和 电流。