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2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础1n网络下载的地址：n【PPT】集成电路设计基础文件格式:PPT/Microsoft Powerpoint-HTML版集成电路设计理论基础 集成电路基本工艺 集成电路设计相关器件工艺 集成电路版图设计 集成器件模型 集成电路电路级模拟工具 模拟与数字集成电路基本电路 集成电路硬件描述语言 集成电路器件封装与测试 集成电路设计工具 第1章 集成电路设计导论.202.194.14.235/dpdzxl/PPT2/1.ppt 5078K 2006-4-8 202.194.14.235上的更多结果【PPT】模拟集成电路设计基础文件格式:PPT/Microsoft Powerpoint-HTML版集成电路设计导论 1.1 集成电路的发展 1.2 集成电路的分类 1.3 集成电路设计步骤 1.4 集成电路设计方法.集成电路设计者的知识要求 集成电路是当今人类智慧结晶的最好载体 集成电路设计是一系列理论和技术的综合.要实现这个.202.194.14.194/dpdzxl/PPT2/2.ppt 937K 2006-4-8 2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础2上次上次 第第1 1章章 集成电路设计导论集成电路设计导论1.1 1.1 集成电路的发展集成电路的发展1.2 1.2 集成电路的分类集成电路的分类1.3 1.3 集成电路设计步骤集成电路设计步骤1.4 1.4 集成电路设计方法集成电路设计方法1.5 1.5 电子设计自动化技术概论电子设计自动化技术概论1.6 1.6 九天系统综述九天系统综述2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础3第第2章章 集成电路材料、结构与理论集成电路材料、结构与理论2.1 引言2.2 集成电路材料2.3 半导体基础知识2.4 PN结与结型二极管2.5 双极型晶体管2.6 金属半导体场效应晶体管MESFET2.7 MOS晶体管的基本结构与工作原理2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础42.1 引言 集成电路设计者的知识要求n集成电路是当今人类智慧结晶的最好载体n集成电路设计是一系列理论和技术的综合。n要实现这个集成，首先要对这些材料、理论、结构、技术与工艺进行全面而深入的理解。2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础5理论和技术的“集大成”者。n集成电路具有强大无比的功能是由于n重要的 材料特性材料特性n重大的 理论发现理论发现n奇特的 结构构思结构构思n巧妙的 技术发明技术发明n不倦的 工艺实验工艺实验。2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础62.2 集成电路材料 导体、半导体和绝缘体n电气系统 主要应用n导体n绝缘体n集成电路 制造应用n导体n半导体n绝缘体2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础7集成电路制造所应用到的材料分类分类材料电导率（Scm-1）导体铝、金、钨、铜等金属，镍铬等合金105半导体硅、锗、砷化镓、磷化铟、碳化镓等10221014绝缘体SiO2(二氧化硅)、SiON(氮氧化硅)、Si3N4(氮化硅)等1091022024/3/24 周日模拟集成电路设计基础8铝、金、钨、铜等金属和镍铬等合金在集成电路工艺中的功能（1）构成低值电阻；（2）构成电容元件的极板；（3）构成电感元件的绕线；（4）构成传输线（微带线和共面波导）的导体结构；（5）与轻掺杂半导体构成肖特基结接触；（6）与重掺杂半导体构成半导体器件的电极的欧姆接触；（7）构成元器件之间的互连；（8）构成与外界焊接用的焊盘。2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础9绝缘体SiO2、SiON、Si3N4等硅的氧化物和氮化物在集成电路工艺中的功能（1）构成电容的介质；（2）构成MOS（金属-氧化物-半导体）器件的栅绝缘层；（3）构成元件和互连线之间的横向隔离；（4）构成工艺层面之间的垂直向隔离；（5）构成防止表面机械损伤和化学污染的钝化层。2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础10制作集成电路的硅、锗等都是晶体晶体。胶等都是非晶。晶体中原子按一定的距离在空间有规律的排列。硅、锗均是四四价价元元素素，原子的最外层轨道上具有四四个价电子个价电子。价电子不局限于单个原子，可以转移到相邻的原子上去，这种价电子共共有有化化运运动动就形成了晶体中的共共价键结构价键结构。2.3 半导体基础知识半导体基础知识 半导体的半导体的晶体结构晶体结构 2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础11n本征半导体本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。n在热力学温度零度和没有外界能量激发时，由于价电子受到共共价价键键的束缚，晶体中不存在自由运动的电子，半导体是不导电的。n当温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键中的价价电电子子获得了足够的能量，跃迁到导带，成为自自由由电电子子。同时，在共价键中留下相同数量的空穴空穴。n空穴是半导体中特有的一种粒子（带正电），与电子的电荷量相同。n半导体中存在两两种种载载流流子子：带q电荷的空穴和带q电荷的自由电子。本征半导体本征半导体2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础12v在本征半导体中掺入微量的杂质原子将会得到 杂质半导体杂质半导体v杂质半导体的导电性能相对于本征半导体发生显著改变，由此制造出人们所期望的各种性能的 半导体器件半导体器件v根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体可以分为 P P型半导体型半导体 NN型半导体型半导体杂质半导体杂质半导体2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础13v本征半导体硅中掺入少量的3 3价价元元素素，如硼、铝或铟等，就可以构成 P P型半导体型半导体。v3价杂质的原子很容易接受价电子，所以称它为 “受主杂质受主杂质”。v在P型半导体中，空穴为多数载流子空穴为多数载流子，电子为少数载流子电子为少数载流子。P型半导体型半导体2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础14v本征半导体硅中掺入少量的5 5价价元元素素，如磷、砷和锑等，就可以构成NN型半导体型半导体。v5价杂质的原子很容易释放出价电子，所以称它为“施施主杂质主杂质”。v在N型半导体中，电子为多数载流子电子为多数载流子，空穴为少数载流子空穴为少数载流子。N型半导体型半导体2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础15半导体的特性（半导体的特性（1 1）（1）掺杂特性掺杂特性 掺杂可明显改变半导体的电导率。如室温30时，在纯净锗中掺入亿分之一的杂质，电导率会增加几百倍。掺杂可控制半导体的电导率，制造出各种不同的半导体器件。（2）热敏特性热敏特性 半导体受热时，其导电能力发生显著的变化。利用这种效应可制成热敏器件热敏器件。另一方面热敏效应会使半导体的热稳定性下降，所以由半导体构成的电路中常采用温度补偿等措施。（3）光敏特性光敏特性 光照也可改变半导体的电导率，通常称之为半导体的光电效应光电效应。利用光电效应可以制成光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器 等。2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础16半导体的特性（半导体的特性（2 2）（4）利用金属与掺杂的半导体材料接触，可以形成肖特肖特基二极管和基二极管和MESFETMESFET（金属（金属-半导体场效应晶体管）与半导体场效应晶体管）与HEMTHEMT（高电子迁移率晶体管）（高电子迁移率晶体管）等器件。（5）对不同区域的半导体材料进行不同类型和浓度掺杂，可以形成PNPN结二极管、结二极管、PINPIN型二极管型二极管（这里I表示本征半导体）和PNPPNP、NPNNPN等各类结型晶体管结型晶体管。（6）利用金属金属-氧化物氧化物-半导体结构半导体结构，可以形成PMOSPMOS、NMOSNMOS和和CMOSCMOS场效应晶体管场效应晶体管。2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础172.4 PN结与结型二极管 PNPN结的形成结的形成 n在完整的晶体上，利用掺杂方法使晶体内部形成相邻的P P型半导体型半导体 区和 NN型半导体型半导体 区，在这两个区的交界面处就形成了下图所示的 PNPN结结 2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础18平衡状态下的PN结 nP P区中的空穴向区中的空穴向NN区扩散区扩散，在P区中留下带负电荷的受带负电荷的受主杂质离子主杂质离子；而N区中的电子向P区扩散，在N区中留下带正电荷的施主杂质离子带正电荷的施主杂质离子。由P区扩散到N区的空穴与N区的自由电子复合。同样，由N区扩散到P区的自自由由电电子子与与P P区区内的空穴复合内的空穴复合。于是在紧靠接触面两边形成了数值相等、符号相反的一层很薄的空空间间电电荷荷区区，称为耗耗尽尽层层，这就是PNPN结结。2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础19漂移运动和扩散运动（1）n在耗尽区中正负离子形成了一个内建电场内建电场，方向从带正电的N区指向带负电的P区。这个电场阻止扩散运动继续进行，另方面将产生漂移运动漂移运动，即进入空间电荷区的空穴在内建电场作用下向P区漂移，自由电子向N区漂移。2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础20漂移运动和扩散运动（2）n漂移运动和扩散运动方向相反漂移运动和扩散运动方向相反。在开始扩散时，内建电场较小，阻止扩散的作用较小，扩散运动大于漂移运动。随着扩散运动的继续进行，内建电场不断增加，漂移运动不断增强，扩散运动不断减弱，最后扩散运动和漂移运动达到动态平衡动态平衡，空间电荷区空间电荷区的宽度相对稳定下来，不再扩大，一般只有零点几微米至几微米零点几微米至几微米。n动态平衡时，扩散电流和漂移电流大小相等、方向相反，扩散电流和漂移电流大小相等、方向相反，流过流过PNPN结的总电流为零。结的总电流为零。2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础21PN结型二极管的伏安特性结型二极管的伏安特性 2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础22结型半导体二极管方程 nID 二极管的电流nIS 二极管的反向饱和电流,nQ 电子电荷,nVD 二极管外加电压,方向定义为P电极为正,N电极为负。nK 波尔兹曼常数，nT 绝对温度。2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础23PN结结与与二极管、双极型、二极管、双极型、MOS三极管的关系三极管的关系nPNPN结结 是半导体器件的基本结构基本结构nPN结存在于几乎所有种类的二极管、双二极管、双极型三极管极型三极管和 MOSMOS器件器件之中。2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础24肖特基结二极管肖特基结二极管 n金属与掺杂半导体接触形成的金属与掺杂半导体接触形成的肖特基结二极管肖特基结二极管n金属与半导体在交界处形成阻挡层阻挡层，处于平衡态的阻挡层对外电路呈中性 n肖特基结阻挡层具有类似肖特基结阻挡层具有类似PNPN结的伏结的伏-安特性安特性基于GaAs（砷化镓）和InP（磷 化 铟）的MESFET和HEMT器件中，其金属栅极与沟道材料之间形成的结就属于肖特基结肖特基结。2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础25欧姆型接触欧姆型接触 n半导体元器件引出电极与半导体材料的接触也是一种金属金属-半导体结半导体结n我们希望这些结具有双向低欧姆电阻值的导电特性双向低欧姆电阻值的导电特性，也就是说，这些结应当是欧姆型接触欧姆型接触 n欧姆接触通过对接触区半导体的重掺杂重掺杂来实现。理论根据是：通过对半导体材料重掺杂，使集中于半导体一侧的结（金属中有更大量的自由电子）变得如此之薄，以至于载流子可以容易地利用量子隧穿效应量子隧穿效应相对自由地传输。2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础262.5 双极型晶体管双极型晶体管 双极型晶体管的基本结构双极型晶体管的基本结构 n在半导体的晶体中形成两个靠得很近的PN结可构成双极型晶体管。双极型晶体管。n这两个PN结将半导体分成三个区域三个区域，它们的排列顺序可以是N-P-NN-P-N或者P-N-PP-N-P。前者我们称之为NPNNPN晶体管晶体管，后者称之为 PNPPNP晶体管晶体管。n三个区域分别称为发射区、基区发射区、基区和集电区集电区，对应引出的电极分别称为发射极发射极E E、基极、基极B B和集电和集电极极C C。E-B之间的PN结称为发射结发射结，C-B之间的PN结称为集电结集电结。2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础27双极型晶体管的使用特点双极型晶体管的使用特点n一般在制作时，发射区的掺杂浓度远远高于基区和集电区发射区的掺杂浓度远远高于基区和集电区；基区做的很薄（以微米甚至纳米计基区做的很薄（以微米甚至纳米计）；集电结的面积大于发射结的面积集电结的面积大于发射结的面积。因此，在使用时E E、C C两个电极是不能交换的两个电极是不能交换的。2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础28双极型晶体管原理图及符号 2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础29双极型晶体管的四种运用状态双极型晶体管的四种运用状态发射结发射结集电结集电结工作状态工作状态1正偏反偏放大2正偏正偏饱和3反偏反偏截止4反偏正偏反向2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础30放大工作状态放大工作状态下下双极型晶体管双极型晶体管的的电流分配电流分配 n高掺杂发射区高掺杂发射区的大量电子注入电子注入到基区，形成电子电流电子电流I IE E n注入到基区的电子，成为基区的非平衡非平衡少子少子，继续向集电结方向扩散 n在扩散的过程中，有少部分的电子与基区中的多子空穴复合复合、形成基极复合电基极复合电流流I IB B n大部分电子到达集电结边界，并在集电结电场吸引作用下，漂移到集电区形成集电极电子电流集电极电子电流I IC Cn 电流放大倍数：电流放大倍数：F F=I IC C/I IB B 2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础312.6 金属半导体场效应晶体管金属半导体场效应晶体管MESFETMESFET n在半绝缘 GaAs衬底上的N型GaAs 薄层为有源层n有源层上面两侧的金属层有源层形成源极和漏极的欧姆接触n沟道中间区域上的金属层与有源层形成栅极的肖特肖特基接触基接触 2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础32增强型和耗尽型MESFETn由于肖特基势垒的耗尽区延伸进入有源层，使得沟道的厚度变薄。n根据零偏压情况下沟道夹断的状况,可形成两种类两种类型型的MESFET：增强型和耗尽型增强型和耗尽型。n对于增强型MESFET，由于内在电势形成的耗尽区延伸到有源区的下边界，沟道在零偏压情况下是断开的。n而耗尽型MESFET的耗尽区只延伸到有源区的某一深度，沟道为在零偏压情况下是开启的。2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础332.7 MOS晶体管的基本结构晶体管的基本结构nMOSMOS（金属（金属-氧化物氧化物-半导体）场效应晶体管半导体）场效应晶体管，简称为MOSMOS管管，其核心结构是由导体、绝缘体与构成管子衬底的掺杂半导体这三层材料三层材料叠在一起形成的三明治结构三明治结构 n这一结构的基本作用基本作用是：在半导体的表面感应出与原掺杂类型相反的载流子，形成一条导电沟道。n根据形成导电沟道的载流子的类型，MOS管被分为NMOS和和PMOS。2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础34NMOS晶体管基本结构与电路符号晶体管基本结构与电路符号2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础35PMOS晶体管基本结构与电路符号晶体管基本结构与电路符号2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础36CMOS工艺工艺n所谓的CMOS则表示这样一种工艺和电路，其中NMOSNMOS和和PMOSPMOS两种类型的两种类型的MOSMOS管制管制作在同一芯片上形成的电路结构。作在同一芯片上形成的电路结构。2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础37如果没没有有任任何何外外加加偏偏置置电电压压，这时，从漏到源是两个背对背的二极管。它们之间所能流过的电流就是二极管的反向漏电流。在栅电极下没有导电沟道形成。如果把把源源漏漏和和衬衬底底接接地地，在在栅栅上上加加一一足足够够高高的的正正电电压压，从静电学的观点看，这一正的栅电压将要排斥栅下的P型衬底中的可动的空穴电荷而吸引电子。电子在表面聚集到一定浓度时，栅下的P型层将变成N型层，即呈现反反型型层层。N反型层与源漏两端的N型扩散层连通，就形成以电子为载流子的导电沟道。如果漏源之间有电位差，将有电流流过。外加在栅电极上的正电压越高，沟道区的电子浓度也越高，导电情况也越好。引起沟道区产生强表面反型的最小栅电压，称为阈值电压阈值电压V VT T。NMOS晶体管的基本工作原理晶体管的基本工作原理2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础38增强型和耗尽型MOS器件n根据阈值电压不同，常把阈值电压不同，常把MOSMOS器件分成增强型和耗器件分成增强型和耗尽型两种器件。尽型两种器件。n对于N沟MOS器件而言，将阈值电压阈值电压V VT T0 0 的器件称为增强型器件，阈值电压阈值电压V VT T0 0 的器件，称为耗尽耗尽型器件型器件。nPMOS器件和NMOS器件在结构上是一样的，只是源漏衬底的材料类型和材料类型和NMOSNMOS相反相反，工作电压的极性工作电压的极性也正好相反。也正好相反。n在在CMOSCMOS电路里，全部采用增强型的电路里，全部采用增强型的NMOSNMOS和和PMOSPMOS。2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础39影响漏极电流Ids大小的因素（1）源、漏之间的距离；（2）沟道宽度；（3）开启电压VT；（4）栅绝缘氧化层的厚度；（5）栅绝缘层的介电常数；（6）载流子（电子或空穴）的迁移率。2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础40MOS管的正常导电的三个区域(1)“夹断夹断”区区：这时的电流是源漏间的泄漏电流；(2)“线性线性”区区：弱反型区，这时漏极电流随栅压线性增加；(3)“饱和饱和”区区：沟道强反型，漏极电流与漏极电压无关。2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础41截止区截止区：Ids0，VgsVT0线性区线性区：Ids，饱和区饱和区：Ids，0VgsVT VdsMOS晶体管性能分析晶体管性能分析2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础42MOS器件电压器件电压-电流特性电流特性2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础43下次预习：下次预习：n第第3章章 集成电路工艺简介集成电路工艺简介2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础44本节结束（142）n谢谢！2024/3/24 周日模拟集成电路设计基础45