第一次课集成电路设计概述介绍

集成电路设计基础学科基础课主讲教师：李华一FundamentalsofIntegrateCurcuitDesign天津理工大学电子信息工程学院E-mail：[e-mail]课程简介课程性质：学科基础课学分：3学时：48上课时间：周二（3,4）28-A202（1-17周）课程性质：专业选修课学分：3学时：48上课时间：周二（1,2）16-106（1-17周）课程简介二.本课程的基本要求一.本课程教材及讲授内容四.课程考核方式及各环节所占比例三.参考书目一、本课程教材及讲授内容王志功、陈莹梅编著，《集成电路设计》，电子工业出版社课程内容教材第二章集成电路材料、结构与理论第一章集成电路设计概述第五章MOS场效应管的特性第六章集成电路器件及SPICE模型第七章SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法第八章集成电路版图设计与工具第九章模拟集成电路基本单元第十章数字集成电路基本单元与版图第十一章集成电路数字系统设计基础第十二章集成电路的测试和封装二、本课程的基本要求掌握集成电路模拟的基本方法；掌握模拟和数字电路基本单元的设计和分析方法；理解版图设计的概念；熟练使用硬件描述语言进行数字电路系统设计，并熟练使用相关设计工具。三、参考书目《集成电路设计》第1版，叶以正、来逢昌编著，清华大学出版社，2011.8《集成电路导论》第2版，杨之廉、许军编著，清华大学出版社，2012.1《VLSI设计基础》第1版，李伟华编著，电子工业出版社，2008.6四、课程考核方式及各环节所占比例期末考试成绩占70％；平时成绩占10％；实验成绩占20%第一章集成电路设计概述集成电路的研发流程集成电路的设计技术认识晶圆和集成电路裸片键合（连接到封装的引脚）各种封装好的集成电路第二章集成电路材料、结构与理论2.1集成电路材料2.2半导体基础知识2.3PN结与结型二极管2.4双极型晶体管2.5MOS晶体管2.1集成电路材料导体、半导体和绝缘体电气系统主要应用导体绝缘体集成电路制造应用导体半导体绝缘体集成电路制造所应用到的材料分类分类材料电导率（S·cm-1）导体铝、金、钨、铜等金属，镍铬等合金105半导体硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓等10−22~10−14绝缘体SiO2(二氧化硅)、SiON(氮氧化硅)、Si3N4(氮化硅)等10−9~102铝、金、钨、铜等金属和镍铬等合金在集成电路工艺中的功能（1）构成低值电阻；（2）构成电容元件的极板；（3）构成电感元件的绕线；（4）构成传输线（微带线和共面波导）的导体结构；（5）与轻掺杂半导体构成肖特基结接触；（6）与重掺杂半导体构成半导体器件的电极的欧姆接触；（7）构成元器件之间的互连；（8）构成与外界焊接用的焊盘。绝缘体SiO2、SiON、Si3N4等硅的氧化物和氮化物在集成电路工艺中的功能（1）构成电容的介质；（2）构成MOS（金属-氧化物-半导体）器件的栅绝缘层；（3）构成元件和互连线之间的横向隔离；（4）构成工艺层面之间的垂直向隔离；（5）构成防止表面机械损伤和化学污染的钝化层。2.2半导体基础知识半导体的晶体结构–制作集成电路的硅、锗等都是晶体。胶等都是非晶。–晶体中原子按一定的距离在空间有规律的排列。–硅、锗均是四价元素，原子的最外层轨道上具有四个价电子。–价电子不局限于单个原子，可以转移到相邻的原子上去，这种价电子共有化运动就形成了晶体中的共价键结构。本征半导体本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在热力学温度零度和没有外界能量激发时，由于价电子受到共价键的束缚，晶体中不存在自由运动的电子，半导体是不导电的。当温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键中的价电子获得了足够的能量，跃迁到导带，成为自由电子。同时，在共价键中留下相同数量的空穴。空穴是半导体中特有的一种粒子（带正电），与电子的电荷量相同。半导体中存在两种载流子：带＋q电荷的空穴和带－q电荷的自由电子。杂质半导体在本征半导体中掺入微量的杂质原子将会得到杂质半导体杂质半导体的导电性能相对于本征半导体发生显著改变，由此制造出人们所期望的各种性能的半导体器件根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体可以分为P型半导体N型半导体2.3PN结与结型二极管PN结的形成在完整的晶体上，利用掺杂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，在这两个区的交界面处就形成了下图所示的PN结平衡状态下的PN结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离子；而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。由P区扩散到N区的空穴与N区的自由电子复合。同样，由N区扩散到P区的自由电子与P区内的空穴复合。于是在紧靠接触面两边形成了数值相等、符号相反的一层很薄的空间电荷区，称为耗尽层，这就是PN结。漂移运动和扩散运动在耗尽区中正负离子形成了一个内建电场ε，方向从带正电的N区指向带负电的P区。这个电场阻止扩散运动继续进行，另方面将产生漂移运动，即进入空间电荷区的空穴在内建电场ε作用下向P区漂移，自由电子向N区漂移。漂移运动和扩散运动方向相反。在开始扩散时，内建电场较小，阻止扩散的作用较小，扩散运动大于漂移运动。随着扩散运动的继续进行，内建电场不断增加，漂移运动不断增强，扩散运动不断减弱，最后扩散运动和漂移运动达到动态平衡，空间电荷区的宽度相对稳定下来，不再扩大，一般只有零点几微米至几微米。动态平衡时，扩散电流和漂移电流大小相等、方向相反，流过PN结的总电流为零。PN结型二极管的伏安特性结型半导体二极管方程ID二极管的电流IS二极管的反向饱和电流,Q电子电荷,VD二极管外加电压,方向定义为P电极为正,N电极为负。K波尔兹曼常数，T绝对温度。)1(DSDkTqVeIIPN结与二极管、双极型、MOS三极管的关系PN结是半导体器件的基本结构PN结存在于几乎所有种类的二极管、双极型三极管和MOS器件之中。肖特基结二极管金属与掺杂半导体接触形成的肖特基结二极管金属与半导体在交界处形成阻挡层，处于平衡态的阻挡层对外电路呈中性肖特基结阻挡层具有类似PN结的伏-安特性基于GaAs（砷化镓）和InP（磷化铟）的MESFET和HEMT器件中，其金属栅极与沟道材料之间形成的结就属于肖特基结。欧姆型接触半导体元器件引出电极与半导体材料的接触也是一种金属-半导体结我们希望这些结具有双向低欧姆电阻值的导电特性，也就是说，这些结应当是欧姆型接触欧姆接触通过对接触区半导体的重掺杂来实现。理论根据是：通过对半导体材料重掺杂，使集中于半导体一侧的结（金属中有更大量的自由电子）变得如此之薄，以至于载流子可以容易地利用量子隧穿效应相对自由地传输。结束人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。