集成与新型器件

大功 率低 频三 极管
中功 率低 频三 极管
小功 率高 频三 极管
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3)MOS晶体管
MOS场效应晶体管
(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transnsator)
场效应晶体管 （FET）
结型场效 应晶体管 （JFET）
金属－半导体 场效应晶体管 （MESFET）
1)双极数字集成电路
基本单元：逻辑门电路
双极逻辑门电路类型： 电阻-晶体管逻辑 (RTL) 二极管-晶体管逻辑 (DTL) 晶体管-晶体管逻辑 (TTL) 集成注入逻辑 (I2L) 发射极耦合逻辑 (ECL)
图1 RTL电路基本结构图
图2.4 集电结各种偏置情况下少子分布示意图 （a）集电结反偏；（b）集电结零偏；（c）集电结正偏
亚0.1mm：一系列的挑战， 亚50nm：关键问题尚未解决
集成电路的制造过程： 设计 工艺加工 测试 封装
定义电路的输入输出（电路指标、性能） 原理电路设计
电路模拟(SPICE) 不符合 布局(Layout)
考虑寄生因素后的再模拟
不符合
原型电路制备
测试、评测
工艺问题
产品
定义问题
集成电路产业的发展趋势： 独立的设计公司（Design House） 独立的制造厂家（标准的Foundary）
▪
Baidu Nhomakorabea
由晶体管和串接在晶体管基极上的电阻组成以实现
“或非”逻辑操作的单元门电路，简称RTL电路。RTL电
路的每一个逻辑输入端各有一个晶体管，每一输入级晶体
管基极串接一个等值电阻，全部晶体管共发射极并联接地，
集电极直接耦合，有一个公共负载电阻为输出端，实现
“或非”逻辑操作。
▪
RTL电路结构简单，元件少。RTL电路的严重缺点是
功耗
特征尺寸 可靠性
延迟积
集成电路发展的原动力：不断提高的性能/价格比
集成电路发展的特点：性能提高、价格降低
主要途径：缩小器件的特征尺寸 增大硅片面积
缩小尺寸：0.25~0.18mm 增大硅片：8英寸~12英寸
集成电路的关键技术：光刻技术(DUV) 新的光刻技术：
EUV SCAPEL(Bell Lab.的E-Beam) X-ray
▪ 同金属-氧化物-半导体集成电路相比，双极型集成电路速 度快，广泛地应用于模拟集成电路和数字集成电路。
▪ 在半导体内，多数载流子和少数载流子两种极性的载流子 （空穴和电子）都参与有源元件的导电，如通常的NPN 或PNP双极型晶体管。以这类晶体管为基础的单片集成 电路，称为双极型集成电路。
▪ 双极型集成电路是最早制成集成化的电路，出现于1958 年。双极型集成电路主要以硅材料为衬底，在平面工艺基 础上采用埋层工艺和隔离技术，以双极型晶体管为基础元 件。它包括数字集成电路和线性集成电路两类。
2)双极晶体管 正偏 Vbe>0 Vbc<0 反偏 Vbe<0 Vbc<0 饱和 Vbe>0 Vbc>0
引言双极型半导体三极管（亦称为晶体管）一般有三
个电极（即三个引出脚），按工作性质亦分为高、低 频晶体三极管；大功率、中功率和小功率晶体三极管； 用作信号放大用的三极管和用做开关的三极管。按材 料分有锗半导体三极管和硅半导体三极管，由于硅三 极管工作稳定性较好，所以现在大部分三极管都是用 硅材料做的。下面是一些三极管的外型。
MOS 场效应 晶体管
（MOSFET）
场效应
▪ 通过加在半导体表面上的垂直电场来调制 半导体的电导率的现象。
MOSFET结构
MOSFET: MOS field-effect transistor 也叫：绝缘栅场效应晶体管（Insulated Gate, IGFET）
金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(MISFET) 电压控制电流—>场效应晶体管
阻，从而减小电路功耗。但是，大数值电阻和电容在集成 电路制造工艺上要占去较大的芯片面积，而且取得同样容 差值的设计也比较困难。因此，RCTL电路实际上也没有 得到发展
大规模集成电路基础
集成器件
1半导体集成电路概述
集成电路（Integrated Circuit，IC）
芯片（Chip, Die） 硅片（Wafer）
集成电路的成品率：
硅片上好的芯片数
Y=
硅片上总的芯片数
100%
成品率的检测，决定工艺的稳定性，成 品率对集成电路厂家很重要
集成电路的性能指标：
集成度 速度、功耗
基极回路有电阻存在，从而限制了电路的开关速度，抗干
扰性能也差,使用时负载又不能过多。RTL电路是一种饱
和型电路，只适用于低速线路，实际上已被淘汰。为了改
善RTL逻辑电路的开关速度,在基极电阻上再并接一个电
容，就构成了电阻-电容-晶体管逻辑电路（RCTL）。有
了电容，不仅可以加快开关速度，而且还可以加大基极电
P区为正、N区为 负时，PN结为正 向偏置
P区为负、N区为 正时，PN结为反 向偏置
8 PN结特性总结
•单向导电性： 正向偏置 正向导通，注入效应，少数载流子扩散电流 反向偏置 反向截止，抽取效应，少数载流子扩散电流
正向导通电压Vbi~0.7V(Si) 反向击穿电压Vrb
PN结应用
在集成电路中，PN结不仅作为有元器件使用（整流、稳压等 ），也可以作为元件之间的电绝缘（称为PN结隔离）。
集成电路类型：数字集成电路、模拟集成电路
数字集成电路基本单元：开关管、反相器、组合逻辑门 模拟集成电路基本单元：放大器、电流源、电流镜、转换器等
微电子集成器件
一分立器件1) PN结
1. PN结的结构
PN结
IC中的PN结
2. PN结的单向导电性能
PN结最显著的特点是具有整流特性，它只允许电 流沿一个方向流动，不允许反向流动。
二,晶体管组成逻辑电路
▪ 双极型集成电路（bipolar integrated circuit）：以通常 的NPN或PNP型双极型晶体管为基础的单片集成电路。 它是1958年世界上最早制成的集成电路。
▪ 双极型集成电路主要以硅材料为衬底，在平面工艺基础上 采用埋层工艺和隔离技术，以双极型晶体管为基础元件。 按功能可分为数字集成电路和模拟集成电路两类。在数字 集成电路的发展过程中，曾出现了多种不同类型的电路形 式，典型的双极型数字集成电路主要有晶体管-晶体管逻 辑电路(TTL)，发射极耦合逻辑电路(ECL)，集成注入逻 辑电路(I2L)。TTL电路形式发展较早，工艺比较成熟。 ECL电路速度快，但功耗大。I2L电路速度较慢，但集成 密度高。