第二章+集成电路材料、结构与理论
第2章微电子概论IC制造材料.
合肥工业大学计算机学院电子系
第2章 IC制造材料
2.1.5 金属材料
金属材料有三个功能：
①形成器件本身的接触线： ②形成器件间的互联线；纳米管+石墨烯 ③形成焊盘。
第2章 IC制造材料
合肥工业大学计算机学院电子系
2.1.5 金属材料
半导体表面制作了金属层后，根据金属的种类及半 导体掺杂浓度的不同，可形成欧姆接触或肖特基型接 触。
第2章 IC制造材料
2.1 集成电路材料 2.2 半导体基础知识
2.3 PN结与结型二极管
2.4 双极型晶体管基本结构与工作原理 2.5 MOS晶体管基本结构与工作原理
第2章 IC制造材料
合肥工业大学计算机学院电子系
2.1 集成电路材料
表2.1 集成电路制造所应用到的材料分类
第2章 IC制造材料
合肥工业大学计算机学院电子系
合肥工业大学计算机学院电子系
半导体材料系统
指不同质（异质）的几种半导体（GaAs
与AlGaAs，InP与InGaAs和Si与SiGe等） 组成的层结构。 应用 ： 制作异质结双极性晶体管HBT。 制作高电子迁移率晶体管HEMT。 制作高性能的LED及LD（激光二极管）。
第2章 IC制造材料 合肥工业大学计算机学院电子系
第2章 IC制造材料
合肥工业大学计算机学院电子系
多晶硅的制造技术
多层硅层可用溅射法，蒸发或CVD法（一种外延生长技术 ）沉淀。 多晶硅可用扩散法、注入法掺杂，也可在沉淀多晶硅的同 时通入杂质气体（In-Situ法）来掺杂。
– 扩散法形成的杂质浓度很高（>=1021cm-3），故电阻率很小。 – 注入法的电阻率约是它的10倍。杂质浓度为 1020cm-3。 – 而In-Situ法的浓度为1020---1021cm-3。三种掺杂工艺中，后两种 由于可在较低的工艺温度下进行而在VLSI工艺中被优先采用。
集成电路材料
集成电路材料集成电路是现代电子技术的核心，而集成电路材料作为其重要组成部分，对集成电路的性能和稳定性起着至关重要的作用。
在集成电路制造过程中，需要使用各种材料来实现电子器件的功能和性能。
本文将对集成电路材料进行介绍，包括其种类、特性和应用领域。
首先，集成电路材料主要包括半导体材料、绝缘材料和金属材料。
半导体材料是集成电路中最重要的材料之一，常见的半导体材料有硅、砷化镓、磷化铟等。
这些材料具有导电性能，同时又能在一定条件下表现出绝缘性能，适合用于制造晶体管、二极管等电子器件。
绝缘材料主要用于隔离和保护电子器件，常见的绝缘材料有二氧化硅、氮化硅等。
金属材料则主要用于连接和导电，常见的金属材料有铝、铜等。
其次，集成电路材料的特性对电路的性能有着直接影响。
首先是材料的导电性能，这直接关系到电子器件的工作效率和速度。
其次是材料的绝缘性能，良好的绝缘材料可以有效地隔离电子器件，防止电路中的干扰和泄漏。
此外，集成电路材料还需要具有稳定的化学性能和热稳定性，以保证电子器件在不同环境条件下的可靠性和稳定性。
最后，集成电路材料在各种领域都有着广泛的应用。
在通信领域，集成电路材料被用于制造射频芯片、光通信器件等；在计算机领域，集成电路材料被用于制造处理器、存储器等核心器件；在消费电子领域，集成电路材料被用于制造手机芯片、摄像头传感器等。
可以说，集成电路材料已经成为现代科技发展的重要支撑，其在各个领域的应用也在不断拓展和深化。
综上所述，集成电路材料作为集成电路的重要组成部分，对电路的性能和稳定性有着至关重要的作用。
在不断发展的科技领域，集成电路材料的研究和应用也在不断深化和拓展，相信在未来的发展中，集成电路材料将会发挥更加重要的作用。
集成电路的基本原理和工作原理
集成电路的基本原理和工作原理集成电路是指通过将多个电子元件（如晶体管、电容器、电阻器等）和互连结构（如金属导线、逻辑门等）集成到单个芯片上，形成一个完整的电路系统。
它是现代电子技术的重要组成部分，广泛应用于计算机、通信、嵌入式系统和各种电子设备中。
本文将介绍集成电路的基本原理和工作原理。
一、集成电路的基本原理集成电路的基本原理是将多个电子元件集成到单个芯片上，并通过金属导线将这些元件互连起来，形成一个完整的电路系统。
通过集成电路的制造工艺，可以将电子元件和互连结构制造到芯片的表面上，从而实现芯片的压缩和轻量化。
常见的集成电路包括数字集成电路（Digital Integrated Circuit，简称DIC）、模拟集成电路（Analog Integrated Circuit，简称AIC）和混合集成电路（Mixed Integrated Circuit，简称MIC）等。
集成电路的基本原理包括以下几个关键要素：1. 材料选择：集成电路芯片的制造材料通常选择硅材料，因为硅材料具有良好的电子特性和热特性，并且易于形成晶体结构。
2. 晶圆制备：集成电路芯片的制造过程通常从硅晶圆开始。
首先，将硅材料熔化，然后通过拉伸和旋转等方法制备成硅晶圆。
3. 掩膜制备：将硅晶圆表面涂覆上光感光阻，并通过光刻机在光感光阻表面形成图案。
然后使用化学溶液将未曝光的部分去除，得到掩膜图案。
4. 传输掩膜：将掩膜图案转移到硅晶圆上，通过掩膜上沉积或蚀刻等方法，在硅晶圆表面形成金属或电子元件。
5. 互连结构制备：通过金属导线、硅氧化物和金属隔离层等材料，形成元件之间的互连结构，实现元件之间的电连接。
6. 封装测试：将芯片放置在封装材料中，通过引脚等结构与外部电路连接，然后进行测试和封装。
集成电路的基本原理通过以上几个关键步骤实现电子元件和互连结构的制备和组装，最终形成一个完整的电路系统。
二、集成电路的工作原理集成电路的工作原理是指通过控制电流和电压在电路系统中的分布和变化，从而实现电子元件的工作和电路系统的功能。
《集成电路》课件
xx年xx月xx日
• 集成电路概述 • 集成电路的制造工艺 • 集成电路的种类与特点 • 集成电路的发展趋势与挑战 • 集成电路的实际应用案例
目录
01
集成电路概述
集成电路的定义
集成电路是将多个电子元件集成在一块衬底上，完成一定的电路或系统功能的微型电子部件。
它采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在 一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结 构。
超大规模集成电路（VLSI）
包含10万-100万个逻辑门或元件。
按结构分类的集成电路
单片集成电路
所有元件都在一个芯片上 。
多片集成电路
由多个芯片集成在一个封 装内。
模块化集成电路
由多个独立芯片通过线路 板连接而成。
按应用领域分类的集成电路
01
通信集成电路
用于通信设备中的信号处理和传输 。
消费电子集成电路
射频识别（RFID）技术的集成电路应用
总结词
射频识别技术是利用无线电波进行通信的一种非接触式识别技术，其集成电路应用主要涉及标签芯片和读写器芯 片。
详细描述
RFID标签芯片通常包含存储器、无线通信电路和天线等部分，用于存储和传输信息。而RFID读写器芯片则负责 与标签芯片进行通信，实现信息的读取和写入。RFID技术广泛应用于物流、供应链管理、身份识别等领域。
用于家电、数码产品等消费电子产 品中。
03
02
计算机集成电路
用于计算机硬件中的逻辑运算和数 据处理。
汽车电子集成电路
用于汽车控制系统和安全系统中。
04
2019年-第二章 集成电路材料与器件物理基础-PPT精选文档
Fundamentals of IC Analysis and Design(2)
双极型晶体管
N
P 发射结
N
工作状态：
• 发射结正偏，集电结反偏时，为放大工作状态。
F IC/IB
• 发射结正偏，集电结也正偏时，为饱和工作状态。 • 发射结反偏，集电结也反偏时，为载断工作状态。 • 发射结反偏，集电结正偏时，为反向工作状态。
Fundamentals of IC Analysis and Design(2)
pn 结的结构
p
n
通过控制施主与受主浓度的办法，形成分别以电子和空 穴为主的两种导电区域，其交界处即被称为p-n结。
根据杂质浓度的分布，可以划分为： 突变结 线形缓变结
根据结两边的材料不同，可划分为： 同质pn结 异质pn结
平衡态的pn结
• 扩散电 流 • 空间电荷区
• 内建电场 E
• 漂移电 流 • 接触电势差 Vbi
p
n
E
漂移 扩散
扩散 eVbi EC EF
Ei
EV 漂移
（b）接触后的能带图
材料与能源学院微电子材料与工程系
Fundamentals of IC Analysis and Design(2)
反向偏压下的PN结
Fundamentals of IC Analysis and Design(2)
第二章 集成电路材料与器件物理基础 §2.1-2.3 略 §2.4 PN结及结型二极管 §2.5 双极型晶体管 §2.6 MOS晶体管 §2.7 MESFET
材料与能源学院微电子材料与工程系
Fundamentals of IC Analysis and Design(2)
集成电路内部构造-概念解析以及定义
集成电路内部构造-概述说明以及解释1.引言1.1 概述集成电路是一种能够将多个电子元件和电路功能集成到一个单一芯片上的技术。
与传统电路相比，集成电路具有体积小、功耗低、速度快等显著优势。
它广泛应用于计算机、通信、嵌入式系统以及各种电子设备中。
在集成电路内部构造方面，包含了多个基本元件和互连结构。
基本元件可以是传统的电阻、电容、电感等passiv元件，也可以是能够实现逻辑功能的转换器、门电路、触发器等active 元件。
互连结构则是将这些元件连接起来，形成一个完整的电路，实现特定的功能。
随着技术的不断进步，集成电路的内部构造也在不断演进。
从早期的小规模集成电路到现在的超大规模集成电路，集成度不断提高，功能更加强大。
同时，集成电路的制造工艺也在不断改进，如光刻技术、扩散技术等，使得更多的元件能够被集成到一个芯片上。
在今后的发展中，集成电路内部构造将更加注重实现更高的集成度和更复杂的功能。
同时，随着人工智能、物联网等技术的兴起，集成电路内部构造也将面临更多的挑战和机遇。
因此，研究和探索集成电路内部构造的意义和应用，以及展望未来的发展方向，对于推动整个电子产业的发展具有重要的意义。
1.2 文章结构文章结构部分的内容主要是对整篇文章的组织和安排进行介绍，目的是帮助读者更好地了解文章的结构和内容安排。
在本篇文章中，文章结构部分可以包括以下内容：文章的结构主要分为以下几个部分：1. 引言部分：在引言部分，我们将对集成电路内部构造的重要性进行概述，并介绍本文的目的和意义。
2. 正文部分：在正文部分，我们将详细介绍集成电路的定义、分类和组成，包括介绍各类集成电路的特点和应用领域等。
- 2.1 集成电路的定义：在这一部分，我们将阐述集成电路的概念和定义，包括对集成电路内部元器件关系的描述。
- 2.2 集成电路的分类：在这一部分，我们将介绍集成电路的不同分类方法，如按工艺、按功能等分类，并详细介绍每类集成电路的特点和应用。
集成电路材料 结构与理论
分类材料电导率导体铝、金、钨、铜等105S ·cm -1第二章IC 制造材料、结构与理论 2.1 集成电路材料1半导体硅、锗、砷化镓、磷化铟等10-9~102S ·cm -1绝缘体SiO 2、SiON 、Si 3N 4等10-22~10-14S ·cm -1IC 的衬底材料----构建复杂的材料系统、固态器件、集成电路IC 的基本元件是依据半导体特性构成的半导体特性：掺入杂质可改变电导率---制造不同的半导体材料热敏效应---热敏器件、热稳定性下降光电效应---光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器注入电流----发光，可制造发光二极管和激光二极管。
22.1.1 硅(Si)⏹基于硅的多种工艺技术：双极型晶体管（BJT ）结型场效应管（J-FET ）3P 型、N 型MOS 场效应管双极CMOS （BiCMOS ）⏹来源丰富、技术成熟、集成度高、晶圆尺寸大、芯片速度快、价格低廉⏹占领了90％的IC 市场2.1.2 砷化镓(GaAs)⏹具有更高的载流子迁移率，和近乎半绝缘的电阻率能工作在超高速超高频4⏹GaAs 的优点:电子迁移率高，f T 达150GHz ，毫米波、超高速电路导带价带位置—电子空穴直接复合--可制作发光器件LED\LD\OEIC—光纤数字传输禁带宽度—载流子密度低--更高的温度/更好的抗辐射性能兼顾速度与功耗，在微米毫米波范围内GaAs IC 处于主导地位⏹GaAs IC 的三种有源器件: MESFET, HEMT 和HBT2.1.3磷化铟(InP)⏹能工作在超高速超高频⏹三种有源器件: MESFET, HEMT和HBT⏹电子空穴直接复合—发光器件、OEIC⏹GaInAsP/InP系统发出激光波长0.92-1.65um覆盖了玻璃光纤的最小色散（1.3um）和最小衰减（1.55um）的两个窗口，广泛应用于光纤通信系统中。
⏹技术不够成熟52.1.4 绝缘材料⏹SiO 2、SiON 、Si 3N 4⏹功能包括：IC 器件之间、有源层与导线层之间------电隔离MOS 器件栅极与沟道之间的绝缘层6充当离子注入及热扩散的掩膜器件表面的钝化层，保护器件不受外界影响⏹低介电常数的层间绝缘介质，减小连线间的寄生电容和串扰。
《集成电路》 讲义
《集成电路》讲义一、什么是集成电路集成电路，这个听起来有些“高大上”的名词，其实已经深深地融入了我们的日常生活。
简单来说，集成电路就是把大量的电子元件，比如晶体管、电阻、电容等，集成在一个小小的芯片上。
想象一下，在一个极其微小的空间里，密密麻麻地排列着无数的电子元件，它们协同工作，实现各种各样的功能。
这就像是在一个小小的城市里，有着无数的居民和设施，共同维持着城市的运转。
集成电路的出现，彻底改变了电子技术的发展进程。
在过去，电子设备往往体积庞大、功能单一，而有了集成电路，电子设备变得越来越小巧、功能越来越强大。
从我们日常使用的手机、电脑，到汽车里的控制系统、医疗设备中的检测仪器，集成电路无处不在。
二、集成电路的发展历程集成电路的发展可以追溯到上世纪 50 年代。
当时，科学家们开始尝试在一块半导体材料上制造多个电子元件。
1958 年，杰克·基尔比（Jack Kilby）发明了第一块集成电路，这是电子技术发展的一个重要里程碑。
在接下来的几十年里，集成电路的技术不断进步。
从最初的小规模集成电路（SSI），到中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI），再到超大规模集成电路（VLSI）和特大规模集成电路（ULSI），集成度越来越高，芯片上能够容纳的电子元件数量呈指数级增长。
同时，制造工艺也在不断改进。
从微米级到纳米级，芯片的制造精度越来越高，性能也越来越强。
如今，最先进的集成电路制造工艺已经达到了 5 纳米甚至更小的尺寸。
三、集成电路的制造过程集成电路的制造是一个极其复杂和精细的过程，就像是在微观世界里进行一场精密的“建筑工程”。
首先，需要准备一块纯净的半导体材料，通常是硅。
然后，通过一系列的工艺步骤，在硅片上形成一层又一层的薄膜，这些薄膜就像是建筑物的“墙壁”和“地板”。
接下来，使用光刻技术在硅片上刻画出电路图案。
这就像是在一张纸上绘制出一幅极其精细的蓝图。
光刻过程中，需要使用到光刻机，这是集成电路制造中最关键的设备之一。
《微电子与集成电路设计导论》第二章 半导体物理基础
导带
Eg
价带
2.5 半导体的掺杂
载流子：低温时，电子分别被束缚在四面体晶格中，因此无法作电的传导。但在 高温时，热振动可以打断共价键。当一些键被打断时，所产生的自由电子可以参 与电的传导。而一个自由电子产生时，会在原处产生一个空缺。此空缺可由邻近 的一个电子填满，从而产生空缺位置的移动，并可被看作与电子运动方向相反的 正电荷，称为空穴(hole)。半导体中可移动的电子与空穴统称为载流子。
F(E)
500K 0.5
300K
费米能级(Fermi level)：是电
100K
子占有率为1/2时的能量。
≈
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2
Ga 0.065 0.011
Si
1.12
Sb 0.039
0.045 B
P
As
0.045 0.054
0.067 0.072 Al Ga
Ti
C
0.21
0.25
0.34 0.35 D
0.16
In Pd
Pt 0.25
0.36 0.3 D
Au O
0.16 0.38 A 0.54 0.51 A 0.41
0.29 D
＋4
0, 1 , 0 2
＋4
＋4
＋4
＋4
半导体的共价键结合
砷化镓为四面体闪锌矿结构，其主要结合也是共价键，但在砷化镓中存在微 量离子键成分，即Ga＋离子与其四个邻近As－离子或As－离子与其四个邻近Ga＋ 离子间的静电吸引力。以电子观来看，这表示每对共价键电子存在于As原子的时 间比在Ga原子中稍长。
杂质半导体
非本征（杂质）半导体：当半导体被掺入杂质时，半导体变 成非本征的（extrinsic），而且引入杂质能级。
《集成电路原理与设计》重点内容总结
《集成电路原理与设计》重点内容总结引言集成电路（Integrated Circuit, IC）作为现代电子工程的核心，其设计和制造技术的发展极大地推动了信息技术的进步。
《集成电路原理与设计》课程涵盖了IC设计的基础理论、工艺技术、设计流程和应用实例，对于电子工程领域的学生和专业人士具有重要意义。
第一部分：集成电路基础1.1 集成电路概述集成电路是将大量电子元件（如晶体管、电阻、电容等）集成在一块半导体材料（通常是硅）上的微型电子器件。
IC的出现极大地减小了电子设备的体积，提高了性能，降低了成本。
1.2 半导体物理基础半导体物理是IC设计的基础。
重点内容包括：半导体材料的特性，如硅和锗的电子结构。
PN结的形成和特性。
载流子（电子和空穴）的行为。
半导体中的扩散和漂移现象。
1.3 晶体管原理晶体管是IC中最基本的放大和开关元件。
重点内容包括：双极型晶体管（BJT）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的工作原理。
晶体管的电流-电压特性。
晶体管的开关时间和速度。
第二部分：集成电路设计2.1 设计流程IC设计包括前端设计和后端设计两个主要阶段。
重点内容包括：系统规格定义和功能模块划分。
逻辑设计和电路设计。
物理设计，包括布局、布线和验证。
2.2 设计工具和方法IC设计涉及多种计算机辅助设计（CAD）工具和方法。
重点内容包括：硬件描述语言（如VHDL和Verilog）的使用。
逻辑综合和优化技术。
时序分析和仿真。
2.3 工艺技术IC的制造工艺对设计有重要影响。
重点内容包括：CMOS工艺流程。
工艺参数对IC性能的影响。
新型工艺技术，如FinFET和SOI。
第三部分：集成电路应用3.1 数字集成电路数字IC是实现数字逻辑功能的核心。
重点内容包括：门电路和触发器的设计。
算术逻辑单元（ALU）和微处理器的设计。
存储器的设计，如SRAM、DRAM和Flash。
3.2 模拟集成电路模拟IC用于处理模拟信号。
重点内容包括：放大器、滤波器和振荡器的设计。
集成电路课件
设计方法学
集成电路设计的方法学主要包括基于硬件描述语言的设计方法、基于高层次综 合的设计方法等。同时，随着技术的发展，人工智能和机器学习等方法也逐渐 被应用于集成电路设计中。
理和传输。
在计算机领域，集成电路被用于CPU 、GPU、内存等计算机核心部件的设 计和制造。
在消费电子领域，集成电路被用于手 机、电视、数码相机等电子产品的设 计和制造。
在汽车电子领域，集成电路被用于发 动机控制、车身控制、自动驾驶等系 统的设计和制造。
在航空航天领域，集成电路被用于航 空航天设备的导航、控制、通信等系 统的设计和制造。
全球集成电路产业现状及特点
01
02
03
产业规模不断扩大
全球集成电路市场规模持 续增长，从2016年的 1690亿美元增长到2020 年的1960亿美元。
高技术含量
集成电路是信息技术产业 的核心，具有高技术含量 ，涉及微电子、计算机、 通信等多个领域。
全球化特征明显
全球集成电路产业分布广 泛，美国、欧洲、日本等 国家和地区都有强大的产 业集群。
总结词
高可靠性、低能耗、快速响应的 功率器件芯片。
详细描述
该案例探讨了某型功率器件芯片 的技术创新与产业升级，涉及先 进的材料技术、精细加工技术、 可靠性验证技术等，强调了集成 电路在节能减排、绿色环保等领 域的重要作用。
相关知识点
功率器件芯片的特点与用途，集 成电路在节能减排、绿色环保等 领域的应用价值。
集成电路的基本组成
集成电路主要由输入输出端口、逻辑功能模块、存储器、 时钟等组成，不同功能的芯片可能还包括其他特殊模块。
集成电路基本理论与分类概述
集成电路基本理论与分类概述集成电路（Integrated Circuit，简称IC）是指将大量电子元器件（如晶体管、电容器、电阻器等）以微型化的方式集成在一块均质或半同质衬底上，通过多个功能电路的相互连接，实现电子设备的基本功能。
集成电路的出现革命性地改变了电子技术的发展，并带动了现代电子产品的快速发展。
本文将对集成电路的基本理论进行概述，并介绍常见的集成电路分类。
一、集成电路的基本理论集成电路的基本理论包括硅材料基础、晶体管原理、逻辑门设计等方面。
1.硅材料基础硅是最常用的集成电路基底材料，因其晶体结构稳定，易于加工，具有良好的电学和热学性能，被广泛应用于集成电路制造。
硅材料具有导电性能，具备正、负载流特性，可以有效实现电子元器件的功能。
2.晶体管原理晶体管是集成电路的基本元件，其通过控制电流的流动来实现信号放大和开关控制。
常见的晶体管有三种类型：二极管、PNP型晶体管和NPN型晶体管。
其中，PNP型和NPN型晶体管常用于集成电路中，通过控制电流的注入和截断，可以实现各种逻辑门和存储器等功能。
3.逻辑门设计逻辑门是集成电路的关键组成部分，根据不同的输入信号产生相应的输出信号。
常见的逻辑门有与门（AND）、或门（OR）、非门（NOT）等。
通过逻辑门的组合和级联，可以实现复杂的逻辑运算和数字电路功能。
二、集成电路的分类根据集成度的不同，集成电路可分为多种分类。
以下将介绍常见的几种分类方式。
1.按集成度分类根据集成度的不同，集成电路可分为多种类型，包括小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）等。
其中，小规模集成电路包含的元件较少，功能相对简单，而超大规模集成电路则可以集成数十亿个晶体管，具有强大的处理能力。
2.按应用领域分类集成电路根据应用领域的不同，可以分为通用集成电路和专用集成电路。
通用集成电路广泛应用于各种通信设备、计算机等电子产品中，而专用集成电路则针对特定的应用领域进行设计，如汽车电子、医疗电子等。
《集成电路概述》 讲义
《集成电路概述》讲义一、什么是集成电路集成电路，这个听起来有些高深莫测的名词，其实在我们的日常生活中无处不在。
从我们手中的智能手机，到家里的电视、电脑，再到汽车里的各种控制系统，都离不开集成电路的身影。
简单来说，集成电路就是把许多电子元件，比如晶体管、电阻、电容等等，集成在一块小小的半导体晶片上。
这些电子元件按照特定的电路设计连接在一起，能够实现各种各样的功能。
它就像是一个微型的电子城市，里面有无数的“居民”（电子元件），它们各司其职，共同协作，完成各种复杂的任务。
比如说，有的负责处理信号，有的负责存储数据，有的负责控制电流等等。
二、集成电路的发展历程集成电路的发展可以追溯到上世纪中叶。
在早期，电子设备使用的是分立元件，就是一个个单独的电子元件通过电线连接在一起。
这样的方式不仅占用空间大，而且可靠性低，生产成本高。
1958 年，杰克·基尔比发明了世界上第一块集成电路，这是电子技术发展史上的一个重要里程碑。
从此，集成电路的发展进入了快车道。
在随后的几十年里，集成电路的集成度越来越高，性能越来越强，尺寸却越来越小。
从最初的几个元件集成在一块晶片上，到现在可以集成数十亿个晶体管。
这个发展过程就像是在一个有限的空间里不断地塞进更多的东西，而且还要让它们都能高效地工作。
这背后依靠的是不断进步的制造工艺和设计技术。
三、集成电路的制造工艺制造集成电路可不是一件简单的事情，它需要一系列复杂而精细的工艺。
首先是设计阶段，工程师们要根据需要实现的功能，设计出集成电路的电路图。
这就像是规划一个城市的布局，哪里是商业区，哪里是住宅区，都要考虑得清清楚楚。
然后是制造阶段。
制造集成电路的主要材料是硅，要把硅制成纯净的硅片，就像制作一张平整光滑的白纸。
接下来，通过光刻技术，在硅片上刻出电路的图案。
这就像是在白纸上用精细的刻刀刻出图案一样。
之后，通过掺杂等工艺，改变硅片不同区域的电学性质，形成晶体管等元件。
再经过一系列的加工和处理，最终制成集成电路。
第二章 - 双极型逻辑集成电路
王向展
2018年11月2日1时22分
23
集成电路原理与设计
2、STTL电路 电路构成： 凡可能工作在饱和区或 反向工作区的晶体管 （即除T4以外的所有管 子）均加SBD箝位。 • T5基极接Rb、Rc、T6组 成有源泄放网络。
王向展
2018年11月2日1时22分
12
集成电路原理与设计
二、集成npn管的无源寄生效应
图2.2 标有寄生元件的集成npn管的剖面图
王向展 2018年11月2日1时22分
13
集成电路原理与设计
三、抑制无源寄生效应的措施
图2.3 采用集电极接触孔磷穿透工艺的集成晶体管剖面图
王向展 2018年11月2日1时22分
王向展
2018年11月2日1时22分
25
集成电路原理与设计
缺点： • 电路抗干扰能力下降。 一方面，SBD使VCES1提高0.1~0.2V，门坎电平VILmax降低了 0.1~ 0.2V。 另一方面，T5加SBD后，VBC5由0.6V0.3 ~ 0.4V，则， 输 出低电平： VOL=VCE5+rcs5IC5=(VBE5-VBC5) +rcs5IC5 将提高0.2 ~ 0.3V. 由低电平噪容 VNL=VILmax-VOLmax 将有所降低。
VCS (npn)>0 VBC(pnp)>0
pnp处于放大区
pnp处于放大区
王向展
2018年11月2日1时22分
11
集成电路原理与设计
抑制寄生效应的措施： （1）在npn集电区下加设n+埋层，以增加寄生pnp管的基区宽 度，使少子在基区的复合电流增加，降低基区电流放大系数 ；同时埋层的n+扩散区形成的自建减速场也有一定的降 低的作用。 （2）可采用外延层掺金工艺，引入深能级杂质，降低少子寿 命，从而降低 。 （3）还应注意，npn管基区侧壁到P+隔离环之间也会形成横向 pnp管，必须使npn管基区外侧和隔离框保持足够距离。
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主要内容：2.1 了解集成电路材料2.2 半导体基础知识2.3 PN结与结型二极管2.4 双极型晶体管基本结构与工作原理2.5 MOS晶体管基本结构与工作原理2.1 了解集成电路材料集成电路中应用到的三种材料：导体(conductor)、半导体(semi-conductor)、绝缘体(isolator).表2.1 集成电路制造所应用到的材料分类半导体材料的特性：◆掺杂特性：通过掺入杂志可以改变半导体的电导率例子：在室温300C时，在纯净锗中掺入亿分之一的杂质，电导率会增加几百倍。
◆热特性：当半导体受到外界热的刺激时，其导电能力将发生显著变化。
例子：半导体热敏器件，温度传感器◆光敏特性：光照可以改变半导体的电导率，通常成为半导体的光电效应。
例子：光敏电阻、光电二极管、光电耦合器◆发光特性：多种由半导体材料形成的结构中，当注入电流时，会发射出光，，从而可以制造出发光二极管和激光二极管。
硅(Si)◆原材料丰富：占地球元素总量的25％，仅次于氧◆纯化制作容易，成本较低◆市场上90％的IC产品都是基于Si工艺的砷化镓(GaAs)◆能工作在超高速超高频，其原因在于这些材料具有更高的载流子迁移率，和近乎半绝缘的电阻率◆主要有三种有源器件：MESFET、HEMT、HBT磷化铟(InP)◆广泛应用于光纤通信系统中绝缘材料◆SiO2 、SiON和Si3N4是IC 系统中常用的几种绝缘材料◆作用：a：实现器件、导线之间的电隔离b：充当离子注入及热扩散的阻挡层c：作为器件表面的钝化层，保护器件不受外界影响金属材料(重点)◆金属材料有三个功能：a：形成器件本身的接触线b：形成器件间的互连线c：形成焊盘◆半导体表面制作了金属层后，根据金属的种类及半导体掺杂浓度的不同，可形成肖特基型接触或欧姆接触a：如果掺杂浓度较低，金属和半导体结合面形成肖特基型接触，构成肖特基二极管。
b：如果掺杂浓度足够高，使隧道效应可以抵消势垒影响，那么就形成了欧姆接触。
◆器件互连材料包括金属，合金，多晶硅，金属硅化物a：在Si基VLSI技术中，由于Al几乎可满足金属连接所有要求，被广泛用于制作欧姆接触及导线b：铜的电阻率为1.7 ⋅Ωμcm,比铝3.1 ⋅Ωμcm的电阻率低, 后,以铜代铝将成为半导体技术发展的趋势c：硅铝、铝铜、铝硅铜等合金已用于减小峰值、增大电子迁移率、增强扩散屏蔽，改进附着特性等。
d：非掺杂的多晶硅薄层实质上是半绝缘的，电阻率为300 Ω·cm 。
通过不同杂质的组合，多晶硅的电阻率可被控制在500—0.005 Ω·cm，主要用于FET管的栅极、高精度电阻。
◆IC工艺的多层布线工艺VLSI至少采用两层金属布线。
第一层金属主要用于器件各个极的接触点及器件间的部分连线，这层金属通常较薄，较窄，间距较小。
第二层主要用于器件间及器件与焊盘间的互联，并形成传输线。
寄生电容大部分由两层金属及其间的隔离层形成。
2.2 半导体基础知识2.2.1 半导体晶体结构晶体：是原子、离子或分子按照一定的周期性，结晶过程中，在空间排列形成具有一定规则的几何外形的固体。
硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的电子称为价电子。
它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。
共价键中的电子为这些原子所共有，并被它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。
硅晶体平面结构图硅晶体立体结构图2.2.2 本征半导体与杂质半导体本征半导体：完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。
制造半导体器件的材料的纯度必须达到99.9999999%。
本振半导体的特性:1. 热力学绝对零度和没有外界能量激发时，价电子受共价健束缚，晶体中不存在自由移动的电子，半导体不能导电。
2.当受到光照或温度升高的影响，某些共价健中的价电子获得了足够的能量，足以摆脱共价健的束缚，越升到导带，成为自由电子。
3.空穴：自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等。
人们常称这种呈现正电性的空位为空穴。
4.本征激发：由热激发产生的跃迁过程，也叫热激发。
5.由本征激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。
游离的自由电子也可以回到空穴中去，称为复合。
本征激发和复合在一定温度下达到平衡。
6.空穴的移动：自由电子的定向移动形成电子电流。
空穴的定向运动也可以形成空穴电流，不过方向相反。
空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子一次填充空穴来实现的，因此空穴的导电能力不如自由电子。
杂质半导体：在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性能发生显著变化。
掺入的杂质主要是3价或5价元素，掺入杂质后的本征半导体叫杂质半导体。
1)N型半导体在本征半导体中掺入5价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体，N型半导体的载流子为电子。
解析：因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。
在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
提供自由电子的五价杂质原子因自由电子脱离而带正电荷成为正离子，因此，五价杂质原子也被称为施主杂质。
2)P型半导体本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成P型半导体，也称为空穴型半导体。
因三价杂质原子与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。
空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。
三价杂质因而也称为受主杂质。
P型半导体的结构示意图2.3 PN结与结型二极管PN结定义：在一块完整的晶体上，利用掺杂的方法使晶体内部形成相邻的P型半导体区和N型半导体区，在这两个区的交接面处就形成了PN结。
物理过程：扩散前：P型半导体――多子空穴、不能移动的负离子、本征激发产生的电子孔穴对N型半导体――多子电子、不能移动的正离子、本征激发产生的电子空穴对整个半导体呈电中性扩散：载流子浓度差形成扩散，P区中的空穴向N区扩散，在P区中留下带负电荷的受主杂质；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．复合：由P区扩散到N区中的空穴将逐渐与N区中的自由电子复合，；同样，由N区扩散到P区中的自由电子将逐渐与P区中的空穴复合。
形成耗尽层：由漂移和复合过程在紧靠接触面的两边形成了数值相等、符号相反的一层很薄的空间电荷区，成为耗尽层。
PN结的平衡：在耗尽区中正负离子产生一个电场，这个电场一方面阻止了扩散运动的继续进行，另一方面将产生漂移在作用，最后达到动态平衡。
PN结型二极管在半导体PN结的左右两面加上欧姆接触的电极，就得到由PN结构成的半导体二极管。
PN结二极管原理性结构符号PN结二极管I-V特性曲线1)PN结加正向电压下的导电情况外加的正向电压有一部分降落在PN 结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。
内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。
扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响, PN 结呈现低阻性。
2) PN结加反向电压下的导电情况外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。
内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。
此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，由于漂移电流本身就很小，PN结呈现高阻性。
在一定温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。
(1)D D S qV I I e kT =- PN 结外加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN 结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。
由此可以得出结论：PN 结具有单向导电性。
2.4 双极型晶体管结构在半导体的晶体中形成两个靠得很近得PN 结即可构成双极型晶体管。
特点：1) 发射区的掺杂浓度远远高于基区和集电区2)基区很薄，集电结的面积大于发射结的面积◆工作原理1)四中工作状态发射结正偏，集电结反偏时，为放大工作状态；发射结正偏，集电结也正偏时，为饱和工作状态；发射结反偏，集电结也反偏时，为截止工作状态；发射结反偏，集电结正偏时，为反向工作状态。
2) NPN晶体管放大工作状态分析发射结通过V BE正偏，集电结通过V BC反偏，三个电极的电势从高到低依次为：集电结－基极－发射结。
发射极电子注入：发射结正偏，发射结宽度变窄，扩散运动占优势，高掺杂发射区的大量电子注入到基区，形成电子电流I E。
基区复合：电子成为少子，继续向集电结方向扩散。
同时与基区的多子空穴复合，形成基极复合电流I B.集电极漂移：大部分电子到达集电结边界，在电场作用下，漂移到集电极形成集电极电流I C。
双极晶体管的放大作用就用正向电流放大倍数βF来描述,βF定义为：β F =I C/I B。