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《半导体集成电路》课程教学教案山东大学信息科学与工程学院电子科学与技术教研室(微电)张新2课程总体介绍：1．教材：选用上海科技出版社出版的，由电子工业部教材办公室组织编写的高等学校教材《半导体集成电路》一书。该教材参考教学学时为120学时。2．目前实际教学学时数：课内66+实验6，共计72学时。3．教学内容：(按72学时删减)第一篇双极型逻辑集成电路26学时第一章集成电路的寄生效应（含序论）7学时第二章TTL集成电路12学时第三章TTL中大规模集成电路3学时第四章TTL电路版图设计4学时第二篇MOS逻辑集成电路26学时有关MOS管+前言3学时第六章nMOS逻辑集成电路9学时第七章CMOS集成电路8学时第八章动态,准静态MOS电路简介2学时第九章MOS集成电路版图设计4学时第三篇模拟集成电路20学时第十一章模拟集成电路中的特殊元件8学时第十二章模拟集成电路中的基本单元9学时第十三章集成运算放大器简介3学时课程教案:序言1学时内容:1集成电路1.1集成电路定义1.2集成电路特点1.3集成电路分类2半导体集成电路2.1半导体集成电路分类2.2有关半导体集成电路的集成度2.3半导体集成电路的优缺点3课程内容介绍及参考书课程重点：介绍了何谓集成电路，集成电路是如何分类的（即可分为膜集成电路.半导体集成电路和混合集成电路），集成电路有何特点；介绍了何谓半导体集成电路，半导体集成电路的分类（即按照电路中晶体管的导电载流子状况分类，可分为双极型集成电路和单极型集成电路两种；按照电路工作性质分类，可分为数字集成电路和模拟集成电路两种），半导体集成电路的重要概念-集成度，以及半导体集成电路的优3点（即体积小重量轻；技术指标先进可靠性高以及便于大批量生产和成本低等）。最后给出了课程总体内容介绍，并给出了有关参考书。课程难点：有关半导体集成电路的定义，不同方法的分类；有关半导体集成电路集成度的两种定义方法，以及半导体集成电路的最突出的优点。基本概念：1集成电路-将某一电路所需的若干元器件（晶体管；二极管；电阻和电容）均制作于一个（或几个）基片上，通过布线连接构成的完整电路。2膜集成电路-由金属和金属合金薄膜以及半导体薄膜制成元器件，布线连接构成的集成电路。3半导体集成电路-以半导体（硅）单晶为基片，以外延平面工艺为基础工艺，将构成电路的各元器件制作于同一基片上，布线连接构成的功能电路。4混合集成电路（组合集成电路）-由半导体集成电路，膜集成电路和分离元件中至少两种构成的集成电路。5双极型集成电路-由一般平面双极晶体管构成的集成电路，其载流子为电子和空穴。6单极型集成电路（MOS集成电路）-由MOS场效应管构成的集成电路，其导电载流子仅有电子（或空穴）一种。7数字集成电路-处理数字量信号的集成电路。数字量指以某一最小单元作不连续变化的量。8模拟集成电路-处理模拟量信号的集成电路。模拟量指能够连续变化的量。9集成电路的集成度-单位面积芯片上最多可容纳的元器件个数。单位；元器件个数/平方毫米。10集成电路的规模-以单个芯片上最多可容纳的元器件个数为划分依据。单位；元器件个数/单芯片。基本要求：掌握集成电路的定义及分类；半导体集成电路的定义及分类；了解半导体集成电路的应用场合；知道以规模定义的半导体集成电路的集成度以及集成度定义的扩展。课程参考书目及要求：对双极型部分：1器件原理部分：书目：《半导体物理》已开过课程；《晶体管原理》与本课程同期开课；《半导体器件物理》同名书目。要求：熟悉晶体管单结特性及相关公式；熟悉晶体管双结特性及部分相关公式；熟悉晶体管瞬态（频率）特性。2工艺原理部分：书目：《半导体器件工艺原理》77年统编教材；《超大规模集成电路技术基础》99年由电子工业出版社出版；4《集成电路制造技术》与本课程同期开课。要求：熟悉pn结形成的工艺原理及平面结工艺结构；熟悉pn结形成时的工艺影响因素；熟悉常规集成电路工艺剖面结构以及各电性区的作用，集成电路制造带来的各种寄生。3电路及集成电路构成基础知识部分：书目：《电子技术基础》已开过课程；《数字集成电路》已开过课程；《模拟集成电路》已开过课程。要求：熟悉各种门电路的基本线路构成；熟悉构成各种门电路的各种基本元器件；熟悉各种门电路的基本工作原理；熟悉各种门电路的组合；熟悉各种二进制规则及逻辑关系的变换。MOS集成电路部分：书目：〈晶体管原理〉第八章场效应晶体管；〈单极型晶体管〉。要求：熟悉MOS晶体管结构；熟悉MOS晶体管工作原理；熟悉MOS晶体管类型及不同工作条件下的特性；熟悉MOS晶体管各种电流-电压关系式。第一篇双极型逻辑集成电路《26学时》第一章集成电路的寄生效应(6学时)§1.1集成电路的特殊工艺及结构1学时内容:1典型pn结隔离工艺1.1pn结隔离工艺的工艺流程1.2典型pn结隔离的实现及埋层作用1.3pn结隔离结构形成的说明2介质隔离工艺2.1介质隔离工艺的工艺流程2.2介质隔离工艺中晶体管和电阻的结构剖图2.3介质隔离工艺的工艺特点3pn结-介质混合隔离3.1pn结-介质混合隔离剖面结构3.2pn结-介质混合隔离结构特点课程重点:本节主要介绍了双极型逻辑集成电路制造中常用的典型pn结隔离工艺以及补充了性能更优越的介质隔离和pn结-介质混合隔离工艺,对三种工艺的工艺流程和工艺剖面结构分别作了介绍,并对三种工艺的工艺特点作了对比。其中最重要的是典型的pn结隔离的工艺内容，这仍然是双极型逻辑集成电路制造中最最常用的隔离工艺，因为该工艺与常规平面制造工艺相容性最好。对三种工艺所制造的埋层的结构做了介绍，并介绍了埋层所起到的两个作用，即解决了正面连线造成的集电极串联电阻增大的问题，又解决了器件功率特性和频率特性对材料要求的矛盾。强调了常规pn结隔离是如何从工艺上实现的，即隔离扩散的各扩散区均必须扩穿外延层而与p衬底连通（或称各隔离墙均有效）；强5调了常规pn结隔离集成电路在使用时是如何给予电性保证的，即p衬底接电路最低电位（保证隔离pn结二极管处于反向偏置）。课程难点：三种隔离方法是如何达到使半导体集成电路中各元器件在电性能上达到绝缘隔离的；三种工艺中制造的埋层在集成电路中作用的原理；pn结隔离是如何工艺实现的，如何在使用时给予电性保证的。基本概念：1pn结隔离-利用反向pn结的大电阻特性实现集成电路中各元器件间电性隔离方法。2介质隔离-使用绝缘介质取代反向pn结，实现集成电路中各元器件间电性隔离方法。3混合隔离-在实现集成电路中各元器件间电性隔离时，既使用了反向pn结的大电阻特性又使用了绝缘介质电性绝缘性质的方法。基本要求：了解三种隔离方法各自的工艺流程，流程中重点工序的工艺方法和工艺特点。了解三种隔离方法各自的隔离特点和隔离性能对比，特别是隔离结构带来的有源寄生和无源寄生性能的对比。着重掌握典型pn结隔离的工艺流程和各工序的作用，了解典型pn结隔离集成电路的pn结隔离是如何工艺实现的，如何在使用时给予电性保证的；清楚的知道埋层是如何制造的，埋层有何特点，埋层在半导体集成电路结构中有何作用以及埋层制造质量对集成电路电性的能影响。§1.2集成电路中元器件的结构和寄生效应1学时内容：1集成电路中npn管结构带来的寄生效应1.1典型pn结隔离结构中npn管带来的寄生效应1.2pn-介质混合隔离结构中npn管带来的寄生效应1.3介质隔离结构中npn管带来的寄生效应2集成电路中电阻结构带来的寄生效应2.1典型pn结隔离结构中电阻的结构特点2.2引入的寄生器件2.3电路中电阻的使用特点2.4集成电路中电阻结构引入的寄生电容3集成电路中典型倒相器引入的寄生效应3.1集成倒相器的构成及其寄生3.2去除有源寄生的措施课程重点：本节主要介绍了常规集成电路制造中典型元件-基区扩散电阻制造带来的寄生效应，它在集成电路中的典型工艺剖面结构为三层二结结构；典型器件npn管制造带来的寄生效应，它在集成电路中的典型工艺剖面结构为四层三结结构；典型倒相器制造带来的寄生效应，它应含有电阻制造带来的寄生和npn管制造带来的寄生。这些寄生均分为有源寄生效应和无源寄生效应，有源寄生效应影响集成电路的直流特性和瞬态特性，是极其有害的；而无源寄生仅影响电路的瞬态特性。本节重点是npn管制造带来的寄生效应，其有源寄生-寄生晶体管对集成电路性能带来的不良影响。介绍了如何从工艺上采取措施消除这种有源寄生的影响，所采取的工艺措施是在npn管集电区掺金（相当于在pnp管基6区掺金）和在npn管集电区设置高浓度n型埋层（影响pnp管基区性质），它们的作用原理是：掺金的作用，使pnp管基区中高复合中心数增加，少数载流子在基区复合加剧，由于非平衡少数载流子不可能到达集电区从而使pnp管电流放大系数大大降低。埋层的作用有两个，其一，埋层的下反扩散导致pnp管基区宽度增加，非平衡少数载流子基区渡越时间增长，非平衡少数载流子在基区的复合率增大，从而使pnp管电流放大系数降低；其二，埋层的上反扩散导致pnp管基区掺杂浓度增大，基区方块电阻减小，由晶体管原理可知，这将导致发射效率下降从而使pnp管电流放大系数降低，综上所述，各作用的结果使寄生pnp管的电流放大系数降至0.01以下，则有源寄生转变为无源寄生，仅体现为势垒电容的性质。课程难点：集成电阻制造.集成晶体管的制造.集成倒相器的制造在集成电路中实际带来的无源寄生-电容；有源寄生-晶体管均将参与电路工作。由集成电阻和集成晶体管在集成电路中可能工作状态的分析，集成晶体管结构将带来有源寄生，从而影响集成电路的直流工作性能。因此，需尽可能采取各种工艺措施来消除这种有源寄生的影响。基本概念：1埋层的上反扩散-在工艺制造过程中的各高温条件下，在浓度梯度的作用下，高浓度的n型埋层向低浓度的n型外延层的扩散。2埋层的下反扩散-在工艺制造过程中的各高温条件下，在浓度梯度的作用下，高浓度的n型埋层向低浓度的p型衬底的扩散。3典型集成电阻的三层二结结构-指p型扩散电阻区-n型外延层-p型衬底三层，以及三层之间的两个pn结这样的工艺结构。4典型集成晶体管的四层三结结构--指npn管的高浓度n型扩散发射区-npn管的p型扩散基区-n型外延层（npn管的集电区）-p型衬底四层，以及四层之间的三个pn结这样的工艺结构。5有源寄生-存在寄生晶体管的现象，可为寄生pnp管（衬底参与构成的pnp管），也可为寄生npn管（多发射极输入晶体管各发射区与基区构成的npn管）。6无源寄生-存在寄生元件的现象，可为寄生电容，也可为寄生电阻。基本要求：了解集成电路制造中的特有工艺结构隔离岛和隔离墙的形成，知道隔离结构的存在会使集成元器件制造时带来寄生效应，而寄生效应分为产生有源寄生器件和产生无源寄生元件两种情况。当工艺条件或电性条件满足时，有源寄生可以转变为无源寄生。在三种隔离结构中，集成元器件的制造所引入的寄生效应种类不同，且强弱不同的分析，知道三种隔离结构寄生特点的区别。掌握在集成电路制造和使用中，如何去除集成元器件结构带入的有源寄生效应，使有源寄生变为无源寄生。了解集成电阻和集成npn管在集成电路中的电性等效结构和工艺剖面结构，进而了解由它们构成集成倒相器时，各自的寄生是如何影响倒相器的电性能的，知道如何去除集成倒相器制造中产生的有源寄生。§1.3多结晶体管的埃伯斯-莫尔模型2学时7内容：1理想二极管的模型1.1pn结二极管的V-I特性1.2pn结二极管的V-I特性分析1.3典型硅pn结二极管的V-I特性1.4理想pn结模型2双结晶体管的E-M模型2.1双结晶体管的结构及电流定义2.2注入型E-M模型2.3其它模型3四层三结结构npn管的E-M模型3.1集成电路中npn管的四层三结结构及分析3.2四层三结结构中的电流分析3.3四层三结结构的E-M模型4掺金电路中晶体管的瞬态模型4.1四层三结结构的瞬态模型4.2掺金电路的瞬态摸型课程重点：本节开始介绍了简单的硅二极管的伏安特性，从硅二极管的电流电压关系公式，分析了它的正向特性和反向特性，由正向特性分析中可知，此时电流的大小除了与结上的正向电压有关外还与结两侧搀杂浓度有关，从公式分析中表明