微电子与集成电路设计引言
合集下载
《微电子与集成电路设计导论》第五章 集成电路基础
图5.2.10 与非门电路
图5.2.11-5.2.14 电路图
图5.2.15 与非门输出响应
当A、B取不同组合的 逻辑电平时，与非门 电路的输出响应如图 5.2.15所示。
2. 或非门电路
A=0,B=0
A=0,B=1
A=1,B=0
A=1,B=1
图5.2.16 或非门电路
图5.2.17-5.2.20 A=0，B=0时的电路图
性能指标：除增益和速度外，功耗、电源电压、线性度、噪声和最大 电压摆幅等也是放大器的重要指标。此外，放大器的输入输出阻抗将 决定其应如何与前级和后级电路进行相互配合。在实际中，这些参数 几乎都会相互牵制，一般称为“八边形法则”，茹右下图所示。
➢ 增益：输出量Xout与输入量Xin的比值
➢ 带宽：指放大器的小信号带宽。
特性参数相同，当电压翻转上升时，漏极电流
ID
Kn
W L
Vin
VTN
2
0
I
Imax
即一周期的平均电流
Imean
1 6
Kn
W L
1 VDD
VDD VTN
3
Tclk
综上，短路功耗最终为
Psc VDDImean
CMOS逻辑门电路
1.与非门电路
A=0,B=0
A=0,B=1
A=1,B=0
A=1,B=1
许的临界电平和理想逻辑电平之间的范围为 CMOS电路的直流噪声容限，定义为
VNH VOH VIH
VNL VIL VOL
图5.2.6 极限输出电平定义的噪声容限
（2）极限输出电平定义的噪声容限 根据实际工作确定所允许的最低的输出
高电平VOHmin，它所对应的输入电平定义为 关门电平VOFF；给定允许的最高的输出低电 平VOLmax，它所对应的输入电平定义为开门 电平VON。开门电平和关门电平与CMOS电 路的理想输入逻辑电平之间的范围就是 CMOS电路的噪声容限。如左图所示是反相 器的噪声容限 输入高电平噪声容限：
集成电路设计-引言分解
电路应用的重要领域。 日用电子技术和产品 军事和航天技术的发展对集成电路提出了更为苛刻和
更为迫切的要求 在为提高人们健康水平的医疗保健技术领域内，也愈
来愈多地使用了各种医用电子设备和集成电路产品。 娱乐消费类产品。
产业格局与产业结构
集成电路的生命力在于它可以大批量、低 成本和高可靠地生产出来。
50年代 晶体管得到大发展（材料由GeSi）
1952年 英国科学家杜默(J.W.Dummer)首次提出了集成电路 (Integrated Circuit——IC)思想。
——“随着晶体管的出现和对半导体的全面研究，现在似乎可以想象，未 来电子设备是一种没有连接线的固体组件．”
1958年 发明第一块简单IC 美国TI公司 Jack S.Kilby 基尔比
每片含100至 5，0O0个等效门或含有1，000至 100，000个元件的集成电路称为大规模集成电 路(LSI)；
每片有5，O00个门或100，000个元件以上的集 成电路则称为超大规模集成电路(VLSI)。
如按集成度高低分类，则半导体IC可分为：
IC按集成度的分类
分类
SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI
集成电路芯片价格：101 ~ 102美元 生产线的投资： 109美元 （8”、0.25微米） 要想赢利：年产量~108
集成电路芯片是整机高附加值的倍增器， 但不是最终产品，如果不能在整机和系统 中应用，那它就没有价值和高附加值
决定集成电路产业的建设必须首先考虑整 机和系统应用的发展，即市场的需求
❖ 薄膜电路
——主要用以制作电阻器和电容器。可通过激光修条精确调整 阻值，性能和温度特性优良。主要工艺涂敷、淀积、光刻、腐 蚀等。所需设备复杂，费用较高。典型膜厚1000500Å。
更为迫切的要求 在为提高人们健康水平的医疗保健技术领域内，也愈
来愈多地使用了各种医用电子设备和集成电路产品。 娱乐消费类产品。
产业格局与产业结构
集成电路的生命力在于它可以大批量、低 成本和高可靠地生产出来。
50年代 晶体管得到大发展（材料由GeSi）
1952年 英国科学家杜默(J.W.Dummer)首次提出了集成电路 (Integrated Circuit——IC)思想。
——“随着晶体管的出现和对半导体的全面研究，现在似乎可以想象，未 来电子设备是一种没有连接线的固体组件．”
1958年 发明第一块简单IC 美国TI公司 Jack S.Kilby 基尔比
每片含100至 5，0O0个等效门或含有1，000至 100，000个元件的集成电路称为大规模集成电 路(LSI)；
每片有5，O00个门或100，000个元件以上的集 成电路则称为超大规模集成电路(VLSI)。
如按集成度高低分类，则半导体IC可分为：
IC按集成度的分类
分类
SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI
集成电路芯片价格：101 ~ 102美元 生产线的投资： 109美元 （8”、0.25微米） 要想赢利：年产量~108
集成电路芯片是整机高附加值的倍增器， 但不是最终产品，如果不能在整机和系统 中应用，那它就没有价值和高附加值
决定集成电路产业的建设必须首先考虑整 机和系统应用的发展，即市场的需求
❖ 薄膜电路
——主要用以制作电阻器和电容器。可通过激光修条精确调整 阻值，性能和温度特性优良。主要工艺涂敷、淀积、光刻、腐 蚀等。所需设备复杂，费用较高。典型膜厚1000500Å。
《微电子与集成电路设计导论》第四章 半导体集成电路制造工艺
4.4.2 离子注入
图4.4.6 离子注入系统的原理示意图
图4.4.7 离子注入的高斯分布示意图
4.5 制技术 4.5.1 氧化
1. 二氧化硅的结构、性质和用途
图4.5.1 二氧化硅原子结构示意图
氧化物的主要作用： ➢ 器件介质层 ➢ 电学隔离层 ➢ 器件和栅氧的保护层 ➢ 表面钝化层 ➢ 掺杂阻挡层
F D C x
C为单位体积掺杂浓度，
C x
为x方向上的浓度梯度。
比例常数D为扩散系数，它是描述杂质在半导体中运动快慢的物理量， 它与扩散温度、杂质类型、衬底材料等有关；x为深度。
左下图所示如果硅片表面的杂质浓 度CS在整个扩散过程中始终不变， 这种方式称为恒定表面源扩散。
图4.4.1 扩散的方式
自然界中硅的含量 极为丰富，但不能 直接拿来用。因为 硅在自然界中都是 以化合物的形式存 在的。
图4.1.2 拉晶仪结构示意图
左图为在一个可抽真空的腔室内 置放一个由熔融石英制成的坩埚 ，调节好坩埚的位置，腔室回充 保护性气氛，将坩埚加热至 1500°C左右。化学方法蚀刻的籽 晶置于熔硅上方，然后降下来与 多晶熔料相接触。籽晶必须是严 格定向生长形成硅锭。
涂胶工艺的目的就是在晶圆表面建立薄的、均匀的、并且没有缺陷的光刻胶膜。
图4.2.4 动态旋转喷洒光刻胶示意图
3. 前烘
前烘是将光刻胶中的一部分溶剂蒸发掉。使光刻胶中溶剂缓慢、充分地挥发掉， 保持光刻胶干燥。
4. 对准和曝光
对准和曝光是把掩膜版上的图形转移到光刻胶上的关键步骤。
图4.2.5 光刻技术的示意图
图4.2.7 制版工艺流程
4.3 刻蚀
（1）湿法腐蚀
（2）干法腐蚀 ➢ 等离子体腐蚀 ➢ 溅射刻蚀 ➢ 反应离子刻蚀
微电子论文
微电子学与医学的结合造福社会刘畅自动化专业093班学号：090919摘要: 微电子技术是现代电子信息技术的直接基础。
现代微电子技术就是建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术。
微电子技术的发展大大方便了人们的生活。
它主要应用于生活中的各类电子产品，微电子技术的发展对电子产品的消费市场也产生了深远的影响。
微电子技术过去在医学中的主要是应用于各类医疗器械的集成电路，在未来主要是生物芯片。
生物芯片技术在医学、生命科学、药业、农业、环境科学等凡与生命活动有关的领域中均具有重大的应用前景。
一、引言：我所了解的微电子技术1.定义微电子技术，顾名思义就是微型的电子电路。
它是随着集成电路,尤其是超大规模集成电路而发展起来的一门新的技术。
微电子技术是在电子电路和系统的超小型化和微型化过程中逐渐形成和发展起来的,其核心是集成电路,即通过一定的加工工艺,将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件,按照一定的电路互联,采用微细加工工艺,集成在一块半导体单晶片上,并封装在一个外壳内,执行特定电路或系统功能。
与传统电子技术相比,其主要特征是器件和电路的微小型化。
它把电路系统设计和制造工艺精密结合起来,适合进行大规模的批量生产,因而成本低,可靠性高。
它的特点是体积小、重量轻、可靠性高、工作速度快，微电子技术对信息时代具有巨大的影响。
它包括系统电路设计、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,是微电子学中的各项工艺技术的总和。
2.发展历史：微电子技术是十九世纪末,二十世纪初开始发展起来的新兴技术,它在二十世纪迅速发展,成为近代科技的一门重要学科。
它的发展史其实就是集成电路的发展史。
1904 年,英国科学家弗莱明发明了第一个电子管——二极管，不就美国科学家发明了三极管。
电子管的发明,使得电子技术高速发展起来。
它被广泛应用于各个领域。
1947 年贝尔实验室制成了世界上第一个晶体管。
《集成电路引言》课件
03
集成电路的设计与制造
集成电路的设计流程
需求分析
根据产品需求，分析性能指标和规格要求。
电路设计
根据需求分析结果，进行电路设计，包括模拟电路、数字电路等。
版图绘制
将电路设计结果转化为版图，便于制造。
仿真验证
通过仿真工具验证设计的正确性和性能指标。
集成电路的制造工艺
薄膜制备
通过物理或化学方法在衬底上制备薄膜材料 。
1960年代
以硅为材料的集成电路技术迅速发展，硅平面工艺成为 集成电路的主导工艺。
1970年代
硅双极集成电路工艺进入成熟阶段，随后出现了可商业 化的超大规模集成电路（VLSI）。
1980年代
微处理器和微型计算机的广泛应用，标志着超大规模集 成电路时代的到来。
1990年代至今
进入到了特大规模集成电路（ULSI）和甚大规模集成 电路（VLSI）的发展时期。
电容器
电容器用于存储电荷， 过滤噪声和调节信号。
集成电路的基本工艺
薄膜沉积
通过物理或化学方法在衬底上 沉积薄膜，用于制造电子元件
和互连导线。
光刻
通过光刻技术将电路图案转移 到衬底上，以便进行刻蚀和腐 蚀。
刻蚀和不需要的材料，形成电子 元件和互连导线。
掺杂和注入
通过掺杂和注入技术改变半导 体的导电性质，以实现电子元
异构集成成为主流
未来集成电路将更加注重异构集成， 将不同工艺、不同材料、不同功能的 芯片集成在一起，实现更强大的性能 。
集成电路的技术挑战
制程技术瓶颈
随着集成电路制程的不断缩小， 制程技术面临物理极限的挑战， 如何突破瓶颈成为关键问题。
热管理挑战
随着芯片性能的提升，芯片的发 热量也急剧增加，如何有效管理 芯片温度成为技术难题。
《集成电路引言》PPT课件
第九章工艺模拟
– 工艺模拟的作用 – 工艺模拟的求解方法 – 工艺模拟程序中的工艺模型
第十章 计算机辅助版图设计与验证
– 版图的基本概念
– 版图的交互编辑
– 版图的验证
– IC版图设计软件平台—Tanner
编辑ppt
13
第七章 电路模拟
– 电路分析的作用 – SPICE的功能、结构和流程 – 建立电路方程
– 求解方法
• 线性电路的直流分析 • 非线性电路的直流分析 • 交流分析 、瞬态分析 、收敛问题
– OrCAD—Spice 软件
编辑ppt
12
第八章 器件模拟
– 器件模拟的作用 – 一维器件模拟 – 二维器件模拟
上千万
0.5-1 0.1-0.5 < 0.1 (0.8) (0.25) (0.09)
编辑ppt
3
设计方法论
– 手工设计（20世纪50-60年代）
• SSI；直接手工制版图
– 计算机辅助设计CAD （20世纪70-80年代）
• MSI 和LSI；电路图到版图设计
– 电子设计自动化EDA （20世纪90年代--）
编辑ppt
8
本课程内容：
第一章 设计过程概述
– 集成电路（IC）的发展 – IC的分类、制造工艺 – IC设计的要求 – 设计方法及其特点 – 典型的设计流程
• 自顶向下 • 由底向上
– 集成电路设计方法和工具的变革
• 设计系统的结构框架 • EDA设计工具
编辑ppt
9
第二章 各种设计方法
• 全定制设计方法 • 半定制设计方法
– 逻辑模拟的作用
– 逻辑模型
• 逻辑信号值、逻辑求值、基本逻辑元件、信号延迟
《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。
微电子技术和集成电路的研发和应用
微电子技术和集成电路的研发和应用近年来，微电子和集成电路技术的发展已经成为了全球科技领域的热门话题。
微电子是一种电子技术，它研究微小电子元器件的制造和应用，具有尺寸小、功耗低、性能优越等优点。
而集成电路则是将多种电路元件结合在一起，完成各种数字和模拟任务的电路系统。
随着智能化时代的到来，微电子和集成电路的应用范围在不断拓展，对于人们的日常生活、工业制造、医疗健康等领域都有着重要的作用。
如今，微电子技术和集成电路在智能手机、汽车电子、物联网等领域已经得到了广泛应用，其发展前景一片光明。
一、微电子技术的研发与应用微电子技术是指将电子元器件缩小到微型尺寸，常见的微电子元器件有微处理器、微控制器、微传感器及微电机等。
与传统电子技术相比，微电子技术更加便携、省电，具有更高的集成度和运算速度。
它适用于芯片、电路板、光电子等方面，成为现代电子工业的重要组成部分，并对社会经济发展产生了积极的影响。
例如，在可穿戴设备方面，微电子技术的应用已经成为了市场的主流。
扩展了虚拟现实的范畴，佩戴在人体上的微型电子产品将可以实现心率和血氧测量、环境感知、智能计步、通讯等多种功能。
同时，微电子也广泛应用在一些需要追求高效率、低功耗的领域，如工业自动化、医疗设备等。
二、集成电路技术的研发与应用集成电路是指将多种电子元件集成在一起，通过特定的设计、制造工艺制成的电路系统，使电路的复杂程度大大降低，并具有更高的性能和可靠性。
集成电路在发电机、计算机芯片、数字信号处理器等领域中应用广泛。
例如，近年来智能手机的崛起，成为了集成电路应用领域的代表。
这些手机中配备的半导体芯片，每个半导体芯片都具有极高的集成度，可以集成多种电路，比如中央处理器、射频电路、摄像头驱动器、音频和视频编解码器等一系列功能。
这些功能可以通过超高集成度极小的芯片来实现，而集成电路的应用也将随着技术的发展得到更广泛的应用。
三、微电子技术与集成电路技术的未来随着技术的不断更新，微电子技术和集成电路技术在未来有望发挥更为重要的作用。
微电子技术与集成电路设计
现更高性能和更小体积。
生物微电子技术
结合生物技术和微电子技术，开发 用于医疗诊断、治疗以及人体内部 监测的生物微电子器件和系统。
光微电子技术
利用光子和电子的相互作用，开发 高速、低能耗的光微电子器件和集 成光路，推动光通信和光计算的发 展。
02
集成电路设计基础
集成电路的组成与分类
组成
集成电路是由晶体管、电阻、电容等元器件以及它们之间的连线所组成的整体， 通常被封装在一个芯片上。
版图设计
将电路设计转化为实际的 物理版图，包括元器件的 布局、连线的走向和宽度 等。
工艺制造
根据版图设计，通过一系 列的制造工艺步骤，制造 出实际的集成电路芯片。
集成电路设计的工具与流程
设计工具
集成电路设计需要使用专业的EDA（ Electronic Design Automation） 工具，如Cadence、Synopsys等， 进行电路仿真、版图编辑、 DRC/LVS检查等。
生物电子技术
生物电子技术将微电子技术与生物技术相结合，为医疗、生物工程等领域提供创新解决方 案。例如，生物传感器、可穿戴医疗设备等都是生物电子技术的应用实例。
光电子技术
光电子技术利用光子代替电子进行信息传输和处理，具有高速、低能耗等优势。光电子集 成电路将成为未来集成电路的重要发展方向。
微电子技术与集成电路的未来展望
3
卫星通信
微电子技术和集成电路在卫星通信系统中发挥重 要作用，如卫星电话、卫星导航等。
计算机领域的应用案例
中央处理器（CPU）
01
集成电路技术是制造CPU的关键，实现了高性能、低功耗的计
算能力。
图形处理器（GPU）
02
微电子技术和集成电路在GPU中广泛应用，实现了高速图形渲
生物微电子技术
结合生物技术和微电子技术，开发 用于医疗诊断、治疗以及人体内部 监测的生物微电子器件和系统。
光微电子技术
利用光子和电子的相互作用，开发 高速、低能耗的光微电子器件和集 成光路，推动光通信和光计算的发 展。
02
集成电路设计基础
集成电路的组成与分类
组成
集成电路是由晶体管、电阻、电容等元器件以及它们之间的连线所组成的整体， 通常被封装在一个芯片上。
版图设计
将电路设计转化为实际的 物理版图，包括元器件的 布局、连线的走向和宽度 等。
工艺制造
根据版图设计，通过一系 列的制造工艺步骤，制造 出实际的集成电路芯片。
集成电路设计的工具与流程
设计工具
集成电路设计需要使用专业的EDA（ Electronic Design Automation） 工具，如Cadence、Synopsys等， 进行电路仿真、版图编辑、 DRC/LVS检查等。
生物电子技术
生物电子技术将微电子技术与生物技术相结合，为医疗、生物工程等领域提供创新解决方 案。例如，生物传感器、可穿戴医疗设备等都是生物电子技术的应用实例。
光电子技术
光电子技术利用光子代替电子进行信息传输和处理，具有高速、低能耗等优势。光电子集 成电路将成为未来集成电路的重要发展方向。
微电子技术与集成电路的未来展望
3
卫星通信
微电子技术和集成电路在卫星通信系统中发挥重 要作用，如卫星电话、卫星导航等。
计算机领域的应用案例
中央处理器（CPU）
01
集成电路技术是制造CPU的关键，实现了高性能、低功耗的计
算能力。
图形处理器（GPU）
02
微电子技术和集成电路在GPU中广泛应用，实现了高速图形渲
《微电子学概论》第五章集成电路设计
算机的基本运算和控制功能。
数字信号处理器
数字信号处理器是专门用于数字信 号处理的集成电路，具有高速、高 精度、低功耗等特点，广泛应用于 通信、音频处理等领域。
可编程逻辑器件
可编程逻辑器件是一种可以通过编 程实现各种逻辑功能的集成电路， 如FPGA和CPLD等，广泛应用于数 字系统的设计和实现。
模拟集成电路设计实例
《微电子学概论》第五章集成电路 设计
目 录
• 集成电路设计概述 • 集成电路设计原理 • 集成电路设计实例 • 集成电路设计的挑战与未来发展
01 集成电路设计概述
集成电路设计的定义与重要性
集成电路设计的定义
集成电路设计是指将系统、电路、电 子元器件、工艺等集成在一个芯片上 ，实现特定功能的过程。
可靠性设计原则
分析可靠性设计的基本原则和策 略，如冗余设计、降额设计等。
环境适应性设计
介绍如何提高集成电路在不同环 境下的适应性和可靠性，如温度
适应性设计、抗辐射设计等。
03 集成电路设计实例
数字集成电路设计实例
微处理器
微处理器是数字集成电路设计的 经典实例，它集成了运算器、控 制器和存储器等功能，实现了计
集成电路物理设计
电路模拟与优化
介绍电路模拟的基本原理 和方法，以及电路优化的 策略和技术。
布局与布线
分析布局和布线对集成电 路性能的影响，以及布局 布线的基本原则和技巧。
时序分析
介绍时序分析的基本概念 和方法，以及如何确保集 成电路的时序正确性靠性评估的基本方法和技 术，如寿命预测、失效分析等。
混合信号集成电路设计实例
数字模拟转换器
数字模拟转换器是混合信号集成电路设计的实例之一，用于将数 字信号转换为模拟信号，广泛应用于音频、图像等领域。
数字信号处理器
数字信号处理器是专门用于数字信 号处理的集成电路，具有高速、高 精度、低功耗等特点，广泛应用于 通信、音频处理等领域。
可编程逻辑器件
可编程逻辑器件是一种可以通过编 程实现各种逻辑功能的集成电路， 如FPGA和CPLD等，广泛应用于数 字系统的设计和实现。
模拟集成电路设计实例
《微电子学概论》第五章集成电路 设计
目 录
• 集成电路设计概述 • 集成电路设计原理 • 集成电路设计实例 • 集成电路设计的挑战与未来发展
01 集成电路设计概述
集成电路设计的定义与重要性
集成电路设计的定义
集成电路设计是指将系统、电路、电 子元器件、工艺等集成在一个芯片上 ，实现特定功能的过程。
可靠性设计原则
分析可靠性设计的基本原则和策 略，如冗余设计、降额设计等。
环境适应性设计
介绍如何提高集成电路在不同环 境下的适应性和可靠性，如温度
适应性设计、抗辐射设计等。
03 集成电路设计实例
数字集成电路设计实例
微处理器
微处理器是数字集成电路设计的 经典实例，它集成了运算器、控 制器和存储器等功能，实现了计
集成电路物理设计
电路模拟与优化
介绍电路模拟的基本原理 和方法，以及电路优化的 策略和技术。
布局与布线
分析布局和布线对集成电 路性能的影响，以及布局 布线的基本原则和技巧。
时序分析
介绍时序分析的基本概念 和方法，以及如何确保集 成电路的时序正确性靠性评估的基本方法和技 术，如寿命预测、失效分析等。
混合信号集成电路设计实例
数字模拟转换器
数字模拟转换器是混合信号集成电路设计的实例之一，用于将数 字信号转换为模拟信号，广泛应用于音频、图像等领域。
《微电子与集成电路设计导论》第六章 新型微电子技术
纳电子器件——Memristor忆阻器 ➢ 全称记忆电阻（Memristor），是表示磁通与电荷关系的电路器件。
特点
➢ 电阻取决于多少电荷经过了器件。 ➢ 若电荷以一个方向流过，电阻会增加；
如果让电荷以反向流动，电阻就会减小。 ➢ 具有记忆能力，断电后电阻值保持不变。
纳电子器件——石墨烯
➢ 它是已知材料中最薄的一种，且牢固坚硬； ➢ 优良的导电特性：它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。
优势
➢ 碳纳米管FET沟道为一维结构，载流子 迁移率大大提高。
➢ 碳纳米管FET参与碳纳米管导电的是表 面。
➢ 碳纳米管FET通过选择源漏材料，可完 全消除源漏结势垒
图6.4.2 CNT-FET典型结构示意图
纳电子器件——有机分子场效应晶体管
该技术利用了分子之间可自由组合的化学特性，晶体管电极之间的距离仅为1纳米到2 个纳米，是目前世界最小的晶体管。同时具有制造简单，造价低廉的优点。
2006年3月， 佐治亚理工学院 （Georgia Institute of Technology） 的研究 员宣布，成功地制造了石墨烯平面场效应 晶体管并观测到了量子干涉效应。并基于 此研究出根据石墨烯为基础的电路。
6.4.2 纳电子材料
纳米材料一诞生，即以其异乎寻常的特性引起了材料界的广泛关注。这 是因为纳米材料具有与传统材料明显不同的一些特征。
人类社会是在不断征服自然和不断攀登科技顶 峰而前进的，纳米技术也是如此。
现在世纪纳米技术和纳米材料，正向新材料、 微电子、计算机、医学、航天、航空、环境、 能源、生物技术和农业等诸多领域渗透。
纳米打假
纳米技术并非高不可攀，但也决非人人都能“纳”一把， 因此，我们要提前做好纳米技术的打假工作，建立一套十分 严格的评审和考核制度，为纳米技术的发展创造良好的空间， 防止样样都要“纳”一把现象的发生，尽量避免恶意炒作 “伪纳米”，不能等到造成极其严重的恶果后，再去打与堵。
集成电路设计-引言分解
• 混合IC（Hybrid IC）
——指将两个或更多的不同类型集成电路芯片、有时也包括 一些分立元件，组合成一个整体，密封在一个管壳内，构成所 谓HIC。 HIC一般体积较大，但性能得以提高。
本课程的研究对象为半导体或单片集成电路
集成电路制造工艺
单晶硅棒
硅片
前工序完成后的大圆片（Wafer）
封装后的集成电路
IC 的涵义也将有新的诠释。
集成电路的分类
按电路功能和所处理信号分类 数字或逻辑集成电路—— Digital/Logic IC 模拟集成电路——Analog IC 数模混合集成电路——Digital-Analog Mixed IC
按所处理信号分类--数字集成电路
数字集成电路是用来专门处理数字信号的，各 种逻辑门、触发器、存储器等电路都是数字集 成电路。
按所处理信号分类--模拟集成电路
模拟集成电路是对随时间连续变化的模拟 量（电压或电流等）进行处理（放大或变 换）的一类集成电路，它通常又可分为线 性集成电路和非线性集成电路。
更广义些，人们把数字集成电路以外的各 种集成电路统称为模拟集成电路。
按所处理信号分类--模拟集成电路
模拟集成电路中的各种集成化的高、低、 中频放大器、差分放大器和运算放大器 等属于线性集成电路。
❖ 薄膜电路
——主要用以制作电阻器和电容器。可通过激光修条精确调整 阻值，性能和温度特性优良。主要工艺涂敷、淀积、光刻、腐 蚀等。所需设备复杂，费用较高。典型膜厚1000500Å。
• 半导体IC或称单片（Monolithic）IC
——集成度高、体积小、生产效率高，适合规模生产。难以 制作高精度、高阻值的电阻和大容量电容以及电感。
数字信号是二进制信号
数字电路的工作特点是：电路输出的二进制信 号与输入二进制信号有一定的逻辑关系，这个 逻辑关系就称为电路的逻辑函数。
——指将两个或更多的不同类型集成电路芯片、有时也包括 一些分立元件，组合成一个整体，密封在一个管壳内，构成所 谓HIC。 HIC一般体积较大，但性能得以提高。
本课程的研究对象为半导体或单片集成电路
集成电路制造工艺
单晶硅棒
硅片
前工序完成后的大圆片（Wafer）
封装后的集成电路
IC 的涵义也将有新的诠释。
集成电路的分类
按电路功能和所处理信号分类 数字或逻辑集成电路—— Digital/Logic IC 模拟集成电路——Analog IC 数模混合集成电路——Digital-Analog Mixed IC
按所处理信号分类--数字集成电路
数字集成电路是用来专门处理数字信号的，各 种逻辑门、触发器、存储器等电路都是数字集 成电路。
按所处理信号分类--模拟集成电路
模拟集成电路是对随时间连续变化的模拟 量（电压或电流等）进行处理（放大或变 换）的一类集成电路，它通常又可分为线 性集成电路和非线性集成电路。
更广义些，人们把数字集成电路以外的各 种集成电路统称为模拟集成电路。
按所处理信号分类--模拟集成电路
模拟集成电路中的各种集成化的高、低、 中频放大器、差分放大器和运算放大器 等属于线性集成电路。
❖ 薄膜电路
——主要用以制作电阻器和电容器。可通过激光修条精确调整 阻值，性能和温度特性优良。主要工艺涂敷、淀积、光刻、腐 蚀等。所需设备复杂，费用较高。典型膜厚1000500Å。
• 半导体IC或称单片（Monolithic）IC
——集成度高、体积小、生产效率高，适合规模生产。难以 制作高精度、高阻值的电阻和大容量电容以及电感。
数字信号是二进制信号
数字电路的工作特点是：电路输出的二进制信 号与输入二进制信号有一定的逻辑关系，这个 逻辑关系就称为电路的逻辑函数。
《微电子与集成电路设计导论》第三章 半导体器件物理基础
微电子与集成 电路设计导论
Introduction to microelectronics and integrated circuit design
第三章 半导体器件物理基础
本节内容_ p-n结
热平衡状态下的p-n结 耗尽区 耗尽层势垒电容 电流-电压特性 结击穿
图3.1.1 （a）PN结的简化结构图； （b）理想均匀掺杂PN结的掺杂剖面
右图显示室温下硅和砷化镓p-n结 107
测量的正向特性．在低电流区域，复
合电流占优势， 等于2；在较高的
电流区域，扩散电流占优势， 接 近1．
10
9
0
Si 1 GaAs
1
2 2
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 VF /V
图 3.19 300K硅和砷化镓二极管的正向电流－电压特性比较. 虚线表示不同理想系数的 斜率
s
qND
s
(x
xn )
（b）
－N A W
E 0
x
0 x xn 其中E 是存在x＝0处的最大电场 m
－E m
面积＝Vbi
图3.8 (a)在热平衡时，(空a间)热电平荷在衡耗时尽空区的间分电布荷．在(b)电耗场尽分区布．的阴分影布面积为内建电势
Em
qND xn
s
qN A x p
s
(b)电场分布。阴影面积为内建电势
(a) 正向偏压
104 106 108 1010
225C 175 125 75 25
1012 102
100
102
VR /V
(b) 反向偏压
ND－NA
ND－NA
线性缓变结（linearly graded junction）
Introduction to microelectronics and integrated circuit design
第三章 半导体器件物理基础
本节内容_ p-n结
热平衡状态下的p-n结 耗尽区 耗尽层势垒电容 电流-电压特性 结击穿
图3.1.1 （a）PN结的简化结构图； （b）理想均匀掺杂PN结的掺杂剖面
右图显示室温下硅和砷化镓p-n结 107
测量的正向特性．在低电流区域，复
合电流占优势， 等于2；在较高的
电流区域，扩散电流占优势， 接 近1．
10
9
0
Si 1 GaAs
1
2 2
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 VF /V
图 3.19 300K硅和砷化镓二极管的正向电流－电压特性比较. 虚线表示不同理想系数的 斜率
s
qND
s
(x
xn )
（b）
－N A W
E 0
x
0 x xn 其中E 是存在x＝0处的最大电场 m
－E m
面积＝Vbi
图3.8 (a)在热平衡时，(空a间)热电平荷在衡耗时尽空区的间分电布荷．在(b)电耗场尽分区布．的阴分影布面积为内建电势
Em
qND xn
s
qN A x p
s
(b)电场分布。阴影面积为内建电势
(a) 正向偏压
104 106 108 1010
225C 175 125 75 25
1012 102
100
102
VR /V
(b) 反向偏压
ND－NA
ND－NA
线性缓变结（linearly graded junction）
微电子集成电路设计及其应用研究
微电子集成电路设计及其应用研究随着科技的不断发展，微电子技术的应用越来越广泛。
在这个领域中，微电子集成电路是一个非常重要的研究方向。
本文将会对微电子集成电路的设计及其应用进行深入探讨。
一、微电子集成电路的概念微电子集成电路是一种将电子元件、器件等集成在同一芯片上的电路。
它是由多种电子元件组成的集成电路，包括晶体管、二极管、电容器、电感、电阻等元件。
集成电路将电路布线、元器件、印刷电路板等集合在一个芯片上，减小了电路中元器件的体积和电路的成本。
其特点是强大的功能、小巧的体积、低功耗、高集成度、可靠性高等。
二、微电子集成电路的设计原理微电子集成电路的设计分为两个方面，一个是电路拓扑，另一个是电路元器件。
其中的电路拓扑主要是指电路布图拓扑，包括电路的图形和连接方式；电路元器件主要指电路中使用的元器件类型、参数与布局等。
在微电子集成电路的设计中，需要考虑许多其他的因素。
例如，电路的速度、功耗和散热等问题。
设计人员需要找到最合适的设计方法，以提高集成度、降低成本、提高性能和可靠性等。
三、微电子集成电路的应用微电子集成电路具有广泛的应用领域，它可以应用于各种电子设备中。
例如，计算机、移动电话、数字相机、电视、音频设备、汽车、医疗设备、数码设备等等。
在医学领域，微电子集成电路可以用于诊断、治疗和监测。
例如，心脏起搏器、人工耳蜗等设备都是基于微电子集成电路技术设计的。
在汽车领域，微电子集成电路可以用于车辆的诊断、安全控制和发动机控制等领域。
在数码相机领域，微电子集成电路可以用于图像处理、自动对焦等技术。
在计算机领域，微电子集成电路是现代计算机的核心。
处理器、内存、控制器和I/O控制器等都是基于微电子集成电路技术设计的。
四、微电子集成电路的未来发展趋势随着科技的不断发展，微电子集成电路也在不断的改进和发展。
在未来的发展中，微电子集成电路可能会有以下趋势：1.更高的集成度：集成度是微电子集成电路的核心，未来的微电子集成电路将会更高的集成度，即更多的功能将会被集成到同一个芯片中。
微电子与集成电路设计1
10 3
26
2015-6-1
本征半导体
本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。 温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半 导体的导电能力越强，温度是影响半导体性 能的一个重要的外部因素，这是半导体的一 大特点。
17
2015-6-1
0.35uM CMOS工艺的多层互联线
18
2015-6-1
IC设计与金属布线
多数情况下，IC特别是VLSI版图设计者的基本 任务是完成金属布线。因为基本器件其它各层的 版图通常已经事先做好，存放在元件库中。门阵 列电路中，单元电路内的布线也已经完成。 对于电路设计者而言，布线的技巧包含合理使 用金属层，减少寄生电容或在可能的情况下合理 利用寄生电容等。
Ge
Si
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。
21
2015-6-1
半导体基础知识
在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体 点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其 它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原 子之间形成共价键，共用一对价电子。
22
2015-6-1
半导体基础知识
硅和锗的共价键结构
13
2015-6-1
IC制造用金属材料
铝，铬，钛，钼，铊，钨等纯金属和合金薄层在VLSI 制造中起着重要作用。这是由于这些金属及合金有 着独特的属性。如对Si及绝缘材料有良好的附着力， 高导电率，可塑性，容易制造，并容易与外部连线 相连。 纯金属薄层用于制作与工作区的连线，器件间的 互联线，栅及电容、电感、传输线的电极等。
2015-6-1
两层与多层金属布线
26
2015-6-1
本征半导体
本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。 温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半 导体的导电能力越强，温度是影响半导体性 能的一个重要的外部因素，这是半导体的一 大特点。
17
2015-6-1
0.35uM CMOS工艺的多层互联线
18
2015-6-1
IC设计与金属布线
多数情况下，IC特别是VLSI版图设计者的基本 任务是完成金属布线。因为基本器件其它各层的 版图通常已经事先做好，存放在元件库中。门阵 列电路中，单元电路内的布线也已经完成。 对于电路设计者而言，布线的技巧包含合理使 用金属层，减少寄生电容或在可能的情况下合理 利用寄生电容等。
Ge
Si
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。
21
2015-6-1
半导体基础知识
在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体 点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其 它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原 子之间形成共价键，共用一对价电子。
22
2015-6-1
半导体基础知识
硅和锗的共价键结构
13
2015-6-1
IC制造用金属材料
铝，铬，钛，钼，铊，钨等纯金属和合金薄层在VLSI 制造中起着重要作用。这是由于这些金属及合金有 着独特的属性。如对Si及绝缘材料有良好的附着力， 高导电率，可塑性，容易制造，并容易与外部连线 相连。 纯金属薄层用于制作与工作区的连线，器件间的 互联线，栅及电容、电感、传输线的电极等。
2015-6-1
两层与多层金属布线
微电子第四章 集成电路设计资料
+ TC2 temp tnom
2
平板电容
电容模型等效电路：
固有的自频率：
f0
2
1 LC
金属叉指结构电容
4.1.2电阻器
集成电路中的电阻是依靠不同的掺杂层形成的， 主要分为扩散电阻(包括离子注入掺杂电阻)和沟 道电阻两大类。不同的掺杂层和沟道层其电阻值 的大小是不同的。如果有特殊需要时，也可以用 不同电阻串的金属或硅化物在半导体表面形成薄 膜电阻，或者用多晶硅掺杂形成多晶硅电阻。不 过，这样形成的电阻代价总比扩散电阻高。因此， 集成电路中最广泛使用的还是扩散电阻，多晶硅 电阻在MOS集成电路中也经常使用．在特殊的集 成电路中，也会采用薄膜电阻。
4.1.2电阻器
掺杂半导体电阻 不同掺杂浓度的半导体具有不同的电阻率，利用掺杂半
导体的电阻特性，可以制造电路所需的电阻器。 根据掺杂方式，可分为：
扩散电阻 对半导体进行热扩散掺杂而构成的电阻
离子注入电阻
离子注入方式形成的电阻的阻值容易控制，精度较高。
薄层电阻的几何图形设计
金属 扩散区
考虑杂质的横向扩散，则总的PN结面积为底面积
加上4个侧面积：A W 2 + 4W 方形PN结扩散区的边长；
x
jx为j P2N，结式结中深，。W为正
平板电容
制作在砷化镓半绝缘衬底上的MIM电容结构：
C rolw
d
考虑温度系数时，电容的计算式为：
C Cox A 1+TC1 temp tnom
积的功耗 PA 为
PA
I2R LW
R
I2 W2
用 PAmax代替 流为
PA
，则得单位电阻条宽度的最大工作电
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
16
使用IC来构建电子系统
电子系统的构建
从电子管开始，然后让电子管小型化 晶体管替代电子管，然后让晶体管小型化 元器件越来越便宜，但是
再便宜也要成本 整个系统的成本和复杂度相关
集成电路的出现来自让电路的制造变得像印照片一样容易
元器件可并行制造 成本和元器件个数无直接关系
17
47
按器件结构类型分类
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
优点是速度高、驱动能力强， 缺点是功耗较大、集成度较低
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)
功耗低、集成度高，随着特征 尺寸的缩小，速度也可以很高
40
互连线延时
互连线变长，连线上的延时增加，成为限 制电路性能的主要因素之一 解决方法:
使用铜材料做互连 在物理上优化连线的长度，增加驱动能力，优 化驱动器
41
设计能力
42
设计方法
如何设计功能越来越多的电路?
芯片的规模每两年增加一倍，但设计工程 师的数量并没有每两年增加一倍
所以，我们需要高效的设计方法
尺寸小 集成度高 批量生产、成本低 可靠性高 …
8
微电子与集成电路 微电子科学技术的 的发展史 发展历史
9
晶体管的发明
理论推动
19世纪末20世纪初发现半导体的三个重要 物理效应
光电导效应 光生伏特效应 整流效应
量子力学 材料科学
需求牵引：二战期间雷达等武器的需求
散热不好有何结果？
图片来自 /2001/09/17/hot_spot
35
摩尔定律能维持多久？
历史证明了摩尔定律是正确的 它会失效吗？
物理限制: 65nm工艺下，SiO2的厚度大概是5 个原子直径大小 经济限制: 技术的发展需要金钱支撑
2007年，晶体管诞生60周年之际, Intel发布45nm工艺 的Penryn微处理器, 拥有8.2亿个晶体管。
23
微电子发展史上的几个里程碑
1962年Wanlass、C. T. Sah——CMOS技术 现在集成电路产业中占95%以上 1967年Kahng、S. Sze ——非挥发存储器 1968年Dennard——单晶体管DRAM 1971年Intel公司微处理器——计算机的心脏 目前全世界微机总量约6亿台，在美国每年由计算机完成 的工作量超过4000亿人年工作量。美国欧特泰克公司认 为：微处理器、宽频道连接和智能软件将是21世纪改变 人类社会和经济的三大技术创新
摩尔在2007年说，“摩尔定律”还可以继 续保持10年，但之后就很难了。
36
摩尔定律的影响
新一代的制造工艺是原来的0.7倍 新一代的芯片可集成原来2倍的功能，而芯 片面积却没有明显增加 同样功能的芯片，成本降低一半 但新的挑战也随之而来……
37
设计复杂度
集成了越来越多的晶体管，难以用传统的 手工方法来设计和处理 解决方法：
In 90nm工艺 (2005)
64Mb => 9mm2 CRAY - 1 40Kb寄存器 => 0.13mm2 1百万个NAND4 gates => 4mm2 3.5mm x 3.5mm芯片面积, 和指甲大小接近
22
微处理器路线图(Intel)
Year 1971 1974 1976 1982 1985 1989 1993 1995 1999 2001 2002 Chip 4004 8080 8088 80286 80386 80486 Pentium® Pentium® Pro Mobile PII Pentium® 4 Pentium® 4 (N) L 10µm 6µm 3µm 1.5µm 1.5µm 0.8µm 0.8µm 0.6µm 0.25µm 0.18µm 0.13µm Transistors 2.3K 4.5K 29K 134K 275K 1.2M 3.1M 15.5M 27.4M 42M 55M
微电子与集成电路设计
总学时：48 学分：3
教材和参考资料
参考教材: 《CMOS模拟集成电路设计》(第2版) 艾伦, 霍尔伯格著，电 子工业出版社 《模拟集成电路的分析与设计（第4版）（翻译版）》Paul R.Gray著，张晓林译，高等教育出版社 《超大规模集成电路与系统导论》John P. Uyemura 著, 周 润德译 电子工业出版社 《集成电路掩模设计--基础版图技术(翻译版)》塞因特 （Saint,C.）著，周润德，金申美译 清华大学出版社 《CMOS电路模拟与设计 : 基于Hspice 》 钟文耀著 科学出 版社2007 《Tanner Pro集成电路设计与布局实战指导》 廖裕评著 科 学出版社
CAD工具 层次化设计 设计复用
38
功耗和噪声
功耗变大，散热成为不得不考虑的问题 电路复杂以后，产生噪声和互相干扰 解决方法:
更好的物理设计
39
连线面积
器件多了以后，互连线也随之增加，连线 占用了大量的硅片面积 解决方法:
增加更多的连线层 使用CAD工具进行三维布线
12
晶体管计算机
TX-0 (MIT, 1953)
Transistor (Manchester, 1955)
13
第一块集成电路 (1958)
Jack Kilby (TI) 5个器件 锗材料
集成电路：在一个半导体材料上做了多个电子元器件，用互 连线把它们连接起来，成为一个电子器件。
14
第一块商用集成电路 (1961)
4
微电子学：Microelectronics
微电子学——微型电子学
微电子学（Microelectronics）是电子学的 一门分支学科，主要是研究电子或离子在固 体材料中的运动规律及其应用，并利用它实 现信号处理功能的学科。
核心——集成电路
以实现电路和系统的集成为目的的。
5
分立电路：
将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无 源元件在电路板上连接起来，实现一定的电路功能
20
Intel Core 2 (2006)
2.9亿个晶体管 3GHz主频 65nm CMOS工艺 面积143 mm2
21
VLSI发展带来的变化
Cray-1: 世界上最快的计算机 (1976-1982)
64Mb存储器 (50ns cycle time) 40Kb寄存器 (6ns cycle time) 1百万门 (4/5 input NAND) 80MHz主频 功耗115kW
24
不断提高产品的性能价格比是微 电子技术发展的动力
晶体管 更小, 更快, 更低功耗, 更便宜
25
工艺技术水平表征：特征尺寸
DRAM：金属线pitch的一半 MPU/ASIC: 多晶硅条pitch的一半
26
目前主流工艺： 90nm、 65nm 45nm工艺进入大生产
特征尺寸缩小带来的优势
1959 1960 1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975
29
晶体管数目
30
工作频率
31
2000年预测的功耗
真是如此？
32
实际功耗
33
功率密度
功率密度的升高，导致散热成本大大增加
34
19
1979, Motorola 68000
1981, HP Focus Chip
Pentium 4 (2001)
0.18um工艺 1.4~2GHz主频 L2缓存: 256 KB 总线速度: 400 MHz 晶体管数: 4200万 功耗: 44-55W 典型应用: PC
电路
transistors, parasitics, connections
版图
mask layers, polygons
44
芯片的层次
芯片
功能模块 + 门电路
晶体管电路
物理器件 G S n+ D n+
45
集成电路分类
46
集成电路分类
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
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
48
按集成电路规模分类
集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目 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）
微电子与集成电路设计
什么是微电子、集成电路 晶体管的发明 集成电路的发展历史 集成电路的分类 集成电路设计的特点