南京邮电大学微电子导论期末复习

《微电子学导论》复习郭宇锋第一章重点与难点小结•微电子学的概念和特点、集成电路的概念和作用、半导体、微电子和集成电路的关系。•微电子技术的战略地位、发展动力和对传统产业的渗透与带动作用。•微电子技术的历史：摩尔定律、第一台通用电子计算机、第一个晶体管、第一块集成电路、第一台微处理器、我国第一款商品化通用高性能CPU。•微电子技术的现状与挑战：微电子产业链及其特点、微电子产业面临的挑战。•我国的微电子产业：历史、产业化基地、产业分布、紧缺人才。第二章重点与难点小结•半导体材料的分类、硅的晶体结构•能带理论的三个假设、能带、满带、空带、价带、导带、禁带、带隙（禁带宽度）等的概念•电子的跃迁、固体的导电模型、本征半导体与杂质半导体、施主、受主、杂质能级•电子和空穴、本征载流子浓度及其影响因素、•多子和少子、电中性条件•半导体中的载流子浓度计算、载流子的输运机制：扩散运动和漂移运动、影响扩散电流的因素、影响漂移电流的因素。迁移率的概念和影响因素•载流子的复合2-1,2-22-1用于推导能带论的基本假设有哪些？什么是能带论？用能带论的观点来区分金属、半导体和绝缘体。2-2载流子的主要输运模式是什么？影响载流子输运的因素有哪些？电子科学与工程学院郭宇锋微电子器件基础•2-3在室温下的单晶硅进行硼掺杂，硼的浓度为3×1015cm－3。试求半导体中多子和少子的浓度。若再掺入浓度为4.5×1015cm－3的磷，试确定此时硅的导电类型，并求出此时的多子和少子浓度。解：第一次掺杂：半导体为P型多子为空穴：少子为电子：第二次掺杂：半导体由P型变为N型。多子为电子：少子为空穴：243/7.510iAnnNcm153310ApNcm253/()1.510iDAnnNNcm1531.510DAnNNcm2-3第三章重点与难点小结•PN结形成的微观过程、空间电荷区、PN结的能带、PN结的正向偏置与反向偏置、雪崩击穿的物理过程、PN结的IV特性和应用•双极晶体管的结构、共发射极接法、电流增益和电流传输率、晶体管特性曲线及其分区。双极晶体管的应用和特点。•MOS场效应晶体管的基本结构和分类、阈值电压的概念和影响因素、NMOSFET工作机理、I-V特性曲线及其分区、MOSFET的应用和特点。•3-1一个硅PN结的掺杂浓度为NA＝3×1015cm-3,ND=5×1015cm-3，（1）若平衡时P型硅一侧的耗尽区宽度为0.9μm，求此时总的耗尽区宽度。（2）若给此PN结施加偏压后，总耗尽区宽度变为1.6μm，求P侧和N侧的耗尽区宽度，并判断此时PN结处于正偏还是反偏。解：（1）由得：故：（2）由题意：两式联立，解得：因耗尽区变宽，故PN结处于反偏状态。2/0.54APNiADNxxnnNmNDNAPNxNx'0.6Nxm1.44MPNxxxm15'15'510310NPxx''1.6PNxxm'1.0PxmXNXPNANDXN3-13-2•3-2一个硅PN结二极管，室温（300K）下饱和电流为1.48×10-13A，正向电流已知为0.442A，求此时的正向电压。解：由得：(1)qVkTsIIeln/10.74skTVIIVq3-3•3-3定义通过基区流入集电结的电流和发射极注入电流之比为电流传输率α，证明：证明：1//1/1cecccebecceIIIIIIIIIII3-43-4共发射极接法晶体管中，基极电流Ib＝20μA，电流传输率α＝0.996，试求此时的发射极电流Ie。解：1511bebcbbbIIIIIIImA3-5•3-5试证明在NMOS工作在深线性区时（VDSVGS-VT），ID和VDS近似满足如下关系：证明：()DGSTDsIVVV2(0.5)()0.5()DGSTDSDsGSTDsDSGSTDsIVVVVVVVVVVV3-6源极P+NP+栅极漏极VTVGS0VDS0IDSVDSID•3-6试分析PMOSFET的工作机理。(1)VTVGS0,VDS0:漏结耗尽区扩展，使得栅极下方耗尽区宽度从源到漏逐渐增加，晶体管截止，IDS＝0。3-6源极P+NP+栅极漏极VTVGS0VsatVDS0IDSVDSID•3-6试分析PMOSFET的工作机理。(2)VGSVT0,VsatVDS0:栅极下方耗尽区宽度从源到漏逐渐增加，而反型层宽度从源到漏逐渐减小，ID随VDS减小而线性增加。3-6源极P+NP+栅极漏极VTVGS0VDS=Vsat0IDSVDSIDVsat=VGS-VTIsat•3-6试分析PMOSFET的工作机理。(3)VGSVT0,VDS=Vsat0:漏结边缘反型层宽度减小到零，ID达到最大值。上一专题习题答案源极P+NP+栅极漏极VGSVT0VDSVsat0IDSVDSIDVsat=VGS-VTIsat•3-6试分析PMOSFET的工作机理。(4)VGSVT0,VDSVsat0:沟道被夹断，随着VDS的减小有效沟道长度减小，ID饱和。P－MOSFET与N－MOSFETIDVDS饱和区VGS2VGS3VGS4VGS5截止区VGS10VGSVT线性区线性区VDSID饱和区VGS2VGS3VGS4VGS5截止区VGS1VGSVTNMOSI-V特性曲线PMOSI-V特性曲线思考题•思考题：设则你认为K会受到下面哪些因素的影响？怎样影响？（沟道长度、沟道宽度、沟道浓度）沟道长度：越长，K越小；沟道宽度：越宽，K越大；沟道浓度：影响不大。(0.5)DGSTDSDsIKVVVV第四章重点与难点小结•图形转换：–光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻–刻蚀：干法刻蚀、湿法刻蚀•掺杂：–扩散：固态源、液态源、气态源–离子注入•制膜：–氧化：干氧氧化、湿氧氧化等–CVD：APCVD、LPCVD、PECVD–PVD：蒸发、溅射•N+埋层双极工艺流程•N阱CMOS工艺流程4-1•4-1简述光刻的基本过程。解：–（1）涂胶：将光刻胶涂在硅片上。–（2）曝光：将掩模版覆盖在硅片上方，在特定波长的光线下曝光一段时间。–（3）显影：将硅片浸没在显影液中进行显影。–（4）腐蚀：采用干法刻蚀或湿法腐蚀，利用刻蚀或腐蚀的选择性，在窗口中暴露出来的基片上形成图形。–（5）去胶：去除残留的光刻胶。4-2,4-3•4-2简述二氧化硅的特点和在集成电路中的作用。•4-3简述各种CVD工艺的特点和优缺点。•（略）•4-4在杂质浓度ND0＝3×1016cm－3的硅中按照如下工艺进行掺杂，若再扩散后硼掺杂和磷掺杂的y方向浓度分布分别为NA(y)=(18-5×104y)×1016cm－3和ND(y)=(3-2×104y)×1017cm－3，试求横向扩散差△x为多少微米？△xxyN(×1016cm－3)yND0=3y1y2NA=18-5yND=30-20y在结的边界上净杂质含量为零。故NA(y1)＝ND0,代入数值，解得y1=0.0003cm=3umNA(xjN)＝ND（xjN)＋ND0，代入数值，解得y2=0.0001cm=1um因为在推结过程中横向扩展是纵向结深的0.8倍。故△x＝0.8（y1-y2）=1.6umy1y24-44-5•4-5总结N＋埋层双极工艺和N阱CMOS工艺的工艺流程，并总结各自掩模版的作用。解：N＋埋层双极工艺的工艺流程：(1)N＋埋层制作：氧化→光刻埋层→磷注入→去氧化层(2)外延层生长(3)隔离扩散：氧化→光刻隔离区→硼注入→推阱→去氧化层(4)P型基区制作:氧化→光刻基区→硼注入→推阱→去除氧化层(5)N＋发射区制作:氧化→光刻发射区→磷注入→推结→去除氧化层(6)接触孔和引线制作:氧化→光刻接触孔→溅射铝→光刻引线掩模版共6张，其作用分别是：(1)M1：光刻埋层(2)M2：光刻隔离区(3)M3：光刻基区(4)M4：光刻发射区(5)M5：光刻接触孔氧化(6)M6：光刻引线4-5•4-5总结N＋埋层双极工艺和N阱CMOS工艺的工艺流程，并总结各自掩模版的作用。解：N阱CMOS工艺的工艺流程：(1)N阱制作：氧化→光刻N阱区→刻蚀SiO2→氧化→磷注入→推阱→去氧化层(2)场区制作：氧化→淀积Si3N4→光刻场区→刻蚀Si3N4→刻蚀SiO2→高压氧化→刻蚀Si3N4→刻蚀SiO2(3)栅氧化层制作：氧化→淀积多晶硅→光刻栅区→刻蚀多晶硅(4)源漏制作:N＋区光刻→磷离子注入→P+区光刻→硼离子注入→推结(5)接触孔和引线制作:淀积二氧化硅→光刻接触孔→溅射铝→光刻引线掩模版共7张，其作用分别是：(1)M1：光刻N阱区(2)M2：光刻场区(3)M3：光刻栅区(4)M4：光刻N＋区(5)M5：光刻P+区(6)M6：光刻接触孔(7)M7:光刻引线4-6(1)预氧(2)淀积Si3N4(3)光刻Si3N4（M1）(4)刻蚀SiO2(5)高压氧化(6)刻蚀Si3N4(7)刻蚀SiO2(8)生长栅氧(9)淀积多晶硅(10)光刻多晶（M2）(11)注入P(12)推结(13)淀积SiO2(14)光刻接触孔(M3)(15)溅射硅铝(16)光刻硅铝(M4)1.场氧制作：(1)~(7)2.栅制作：(8)~(10)3.源漏制作：(11)~(12)4.接触孔和引线制作：(13)~(16)•4-6设计制备NMOSFET的工艺，并画出流程图。第五章重点与难点小结•集成电路的性能指标、影响集成电路性能的因素、提高性能/价格比的途径、集成电路按器件结构分类、按电路功能分类、按集成规模分类。•基本逻辑运算、NMOS与PMOS的通断与栅电压的关系、CMOS基本逻辑单元的结构和工作原理。CMOS集成电路的特点、双极集成电路的特点、BiCMOS电路的特点。5-1•5-1写出异或逻辑和同或逻辑的真值表。•（略）5-2•5-2试用一个与非门和一个倒相器构成一个CMOS与门电路，画出电路图。（提示：）FABABAVDDP1N2BN1P2FP3N3ABF0000101001115-3•5-3列出下图CMOS逻辑电路的真值表，其中输出为X，输入为A、B、C。AXVDDCBABCX000100100101011010011010110011105-4,5-5•5-4比较双极、CMOS和BiCMOS集成电路的特点。•5-5反相积分放大器的输入电阻R为10KΩ，若输入和输出电压波形如图所示，求电容C的值。t（ms）V1（V）100-10t（ms）Vout（V）100-1050150略第6章重点与难点小结•ASIC的定义和设计流程。系统设计、行为设计、逻辑设计、电路设计、物理设计、制版流片、器件和工艺设计、SOC的概念、技术特征和优点，IP核的概念和分类。•MEMS的定义、意义、分类、理论基础和技术基础、NAMS的概念、理论基础和技术基础。•单电子晶体管、碳纳米管场效应晶体管、有机分子场效应晶体管、石墨烯晶体管、忆阻体、超导开关器件、量子单元自动机、量子计算机、DNA计算机、纳电子系统面临的挑战。作业•6-1什么是ASIC？简述ASIC的设计流程？•6-2集成电路的前端和后端设计分别有哪些模拟验证类型？•6-3什么是SOC？其技术特点是什么？什么是IP核？如何分类？•6-4什么是MEMS和NEMS？它们的理论基础和技术基础分别是什么？•6-5碳纳米场效应晶体管的特点是什么？•6-6单电子晶体管和超导开关器件的工作原理。考前答疑•日期：2015-1-7•时间：9:30-11:20•地点：教3-218考试•日期：2015-1-7•时间：13:30-15:20•地点：教3-201•方式：半开卷考卷分析选择填空名词简答问答画图计算A卷20%20%38%22%B卷20%20%20%18%22%第一章第二章第三章第四章第五章第六章A卷10%24%15%20%27%9%B卷4%12%27%31%13%13%