中大规模集成电路及应用(总结)

中大规模集成电路及应用

第一章

↗微电子学

✍微电子学是研究固体（主要是半导体）材料上构成的微小型化电路、子系统及系统的电子学分支。

✍作为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。

↗集成电路：

↗Integrated Circuit，缩写IC

✍是指通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路连接集成在一块半导体单晶片（如硅或砷化

镓）或陶瓷基片上，作为一个不可分割的整体执行某一特定功能的电路组件。

↗集成电路设计与制造的主要流程框架

设计创意+ 仿真验证

集成电路芯片设计过程流程图

↗摩尔定律

✍基于市场竞争，不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力。

✍在新技术的推动下，集成电路自发明以来，其集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小倍。

✍是由Intel公司创始人之一Gordon E. Moore博士1965年总结的规律，被称为摩尔定律。

集成电路分类

↗集成电路的分类

✍按器件结构类型

✍按集成电路规模

✍按结构形式

✍按电路功能

✍按应用领域

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(优点是速度高、驱动能力强，缺点是功耗较大、集成度较低)

✍NPN型双极集成电路

✍PNP型双极集成电路

↗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)

↗双极-MOS(BiMOS)集成电路(功耗低、集成度高，随着特征尺寸的缩小，速度也可以很高)：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

按集成电路规模分类

↗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）

按结构形式的分类

↗单片集成电路：

✍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

✍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：

✍厚膜集成电路

✍薄膜集成电路

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

↗模拟集成电路(Analog IC)：它是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路✍线性集成电路：又叫做放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等

✍非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路

↗数模混合集成电路(Digital - Analog IC) ：例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等

第二章

半导体

固体材料：超导体: 大于106(Ωcm)-1

导 体: 106~104(Ωcm)-1

半导体: 104~10-10(Ωcm)-1

绝缘体: 小于10-10(Ωcm)-1

从导电特性和机制来分：不同电阻特性、不同输运机制

1. 半导体的结构

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

半导体的结合和晶体结构

半导体有元素半导体，如：Si 、Ge

化合物半导体，如：GaAs 、InP 、ZnS

2. 半导体中的载流子：能够导电的自由粒子

本征半导体：n=p=ni

电子：Electron ，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子

空穴：Hole ，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位

4.半导体的掺杂

受 主 掺 杂、施 主 掺 杂

施主：Donor ，掺入半导体的杂质原子向半导体中

提供导电的电子，并成为带正电的离子。如

Si 中掺的P 和As

受主：Acceptor ，掺入半导体的杂质原子向半导体中

提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如

Si 中掺的B

施主和受主浓度：ND 、NA

6. 非本征半导体的载流子

热平衡时: 在非本征情形:

N 型半导体：n 大于p

P 型半导体：p 大于n

多子：多数载流子

n 型半导体：电子

p 型半导体：空穴

2i n np =p

n ≠

少子：少数载流子

n 型半导体：空穴

p 型半导体：电子

9. 载流子的输运

载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动

漂移电流

引 入 迁 移 率 的 概 念

迁移率μ，单位电场作用下载流子获得平均速度，反映了载流子在电场作用下输运能力

影 响 迁 移 率 的 因 素

影响迁移率的因素：有效质量、平均弛豫时间（散射〕

体现在：温度和掺杂浓度

半导体中载流子的散射机制：晶格散射（ 热 运 动 引 起）和 电离杂质散射 载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动

扩散电流

爱因斯坦关系:

半导体器件物理基础

✉ 据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种

✉ 所有这些器件都由少数基本模块构成：

• pn 结

• 金属－半导体接触

• MOS 结构

• 异质结

• 超晶格

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