集成电路导论 Lesson-1

第1章绪论集成电路导论

IntroductiontoIntegratedCircuits本章教学内容1.1什么是集成电路和微电子学1.2集成电路的诞生1.3集成电路的发展1.4集成电路的未来1.5微电子技术与其他学科相结合2本章内容概述3本章主要介绍集成电路的发展历史集成电路的发展趋势集成电路学科背景1.1什么是集成电路和微电子学第1章绪论WhatistheIC?集成电路——半导体集成电路

以半导体晶体材料为基片，经加工制造，将元件、有源器件和互连线集成在基片内部、表面或基片之上，执行某种电子功能的微型化电路。微型化电路有集成电路、厚膜电路、薄膜电路和混合微型电路等多种形式。微型化电路简称微电路。单片集成电路是用一块半导体单晶片为基片，通常是硅（Si）或化合物如砷化镓（GaAs）制成的集成电路。5Microelectronics?集成电路的发明使电子学进入了微电子学时期，这是电子学发展史上的一次重大飞跃。微电子学是研究电子在半导体和集成电路中的物理现象、物理规律，并致力于这些物理现象、物理规律的应用，包括器件物理、器件结构、材料制备、集成工艺、电路与系统设计、自动测试以及封装、组装等一系列的理论和技术问题。微电子学研究的对象除了集成电路以外，还包括集成光电子器件、集成超导器件等。61.2集成电路的诞生第1章绪论晶体管的发明81946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组W.Schokley，J.Bardeen、W.H.Brattain；Bardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验；1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管；1947年12月23日发明了第一个点接触式NPNGe晶体管（W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain）第一个点接触式NPNGe晶体管9获得1956年Nobel物理奖第一片集成电路1958年9月美国的杰克基尔比（JackKilby）发明第一个锗（Germaniumintegratedcircuit）集成电路1960年，3月基尔比所在的美国德州仪器公司（TI）制造出第一个商用的集成电路，这一发明具有划时代的意义，它掀开了半导体科学与技术史上全新的篇章基尔比在2000年获得了诺贝尔物理奖。10第一个单片集成电路11获得2000年Nobel物理奖1.3集成电路的发展第1章绪论应用的驱动1960年：第一个逻辑电路1962年成功开发出了晶体管-晶体管逻辑（TTL）系列的集成电路1972年开发出了低功耗的集成注入逻辑（IIL）系列集成电路1972年又出现了高速的发射机耦合逻辑（ECL）系列集成电路。它们已被广泛地应用于各种电子设备和系统…20世纪90年代之前主要是各种标准的系列集成电路。13各种标准的集成电路产品举例14集成电路的集成度集成度——指每个芯片上的等效门（2-输入端的与非门）数；近50年的发展，集成电路的集成度迅速提高

小规模（SSI）—中规模（MSI）—大规模（LSI）—超大规模（VLSI）—特大规模（ULSI）进入巨大规模集成电路（GSI）的阶段。15集成电路集成度表16类别数值IC集成度模拟IC集成度MOSICBiICSSI<100<100<30MSI102~103100~50030~100LSI103~105500~2000100~300VLSI105~107>2000>300USLI107~109GSI>109摩尔定律（Moore’sLaw）

Min.transistorfeaturesizedecreasesby0.7Xeverythreeyears——Trueforatleast30years!

(Intel公司前董事长GordonMoore首次于1965提出)后人对摩尔定律加以扩展：

集成电路的发展每三年工艺升级一代；集成度翻二番；特征线宽约缩小30％左右；逻辑电路（以CPU为代表）工作频率提高约30％。17Intel公司CPU发展Intel公司CPU发展4004 1971 2,2508008 1972 2,5008080 1974 5,0008086 1978 29,000286 1982 120,000386 1985 275,000486DX 1989 1,180,000Pentium®

1993 3,100,000PentiumII 1997 7,500,000PentiumIII 1999 24,000,000Pentium4 2000 42,000,000单片集成电路晶体管数特征尺寸艾滋病毒红血球细胞变形虫人类头发丝巴克球电源电压平均每个晶体管价格摩尔定律还能维持多久？经过30多年，集成电路产业的发展证实了摩尔定律的正确性，但是摩尔定律还能有多长时间的生命力？集成电路的特征尺寸：

130nm→90nm→60nm→45nm→30nm→?量子效应集成电路光刻

费用急剧增加数十万甚至上百万美元！集成电路的分类25MOS型CMOSNMOSPMOSBiCMOSTTL饱和型ECL/CML非饱和型双极型1.4集成电路的未来第1章绪论特征尺寸继续缩小27集成电路内部制造最小线宽1990年代：1m2000年代后：0.5m→0.25m→0.18m→0.13m→90nm→65nm→45nm→25nm→？晶圆尺寸越来越大

4英寸→6英寸→8英寸→12英寸→？单片（Die）尺寸越来越大制造工艺水平越来越高（成本↑↑）SOC片上系统（Systemonachip）设计水平越来越高要求更多知识更多人员IC不再孤独！IP（IntelligentProperty）应用281.5微电子技术与其他学科相结合第1章绪论微电子技术与其他学科结合微电子机械系统

Microelectromechanicalsystem,MEMS；微电光机械系统

MOEMS；生物芯片

bio-chip……30第2章半导体基本特性与晶体管工作原理集成电路导论

IntroductiontoIntegratedCircuits本章教学内容322.1半导体的特性2.2PN结2.3二极管2.4双极型晶体管2.5场效应晶体管本章内容概述本章介绍半导体器件的最基本概念集成电路中最基本的单元（晶体管）这些内容也是电子技术的基础332.1半导体的特性2.1.1什么是半导体2.1.2能级与能带2.1.3电子与空穴2.1.4N型半导体和P型半导体34什么是半导体半导体——导电性能介于导体和绝缘体之间电学性能对温度和它所含杂质的种类和数量十分灵敏半导体是构成二极管和晶体管的基础二极管和晶体管又是整个微电子学的心脏。35能级与能带各种元素原子中电子在不同的轨道（orbit）上围绕着原子核旋转电子处于原子核的控制下，如没有得到足够的能量，电子不能离开原子核不同轨道上的电子处于不同的能量，允许的能量是量子化的，称这确定的能量状态为能级（energylevel）。各电子实际上处于哪个状态，由以下两条规律决定：（1）能量最低原理，即电子总是尽可能处于最低的能级；（2）泡利不相容定理，即同一状态只能有一个电子存在。36半导体中的能带电子的共有化运动轨道交迭：电子可从一个原子转移到相邻的原子上去原子组合成晶体：电子的量子态发生质的变化，电子穿行于整个晶体的运动电子只能在能量相同的量子态之间转移共有化的量子态与原子能级之间存在对应关系

在同一个原子能级上产生的共有化运动多样可以有各种速度从一个原子能级可以演变出许多共有化量子态

原子能级能带一组密集的能级：能带

禁带，带隙半导体中的能带价带：被电子填充的能量最高

的能带，价电子填充能量最高价带以上能带基本为空导带：未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体晶体中，内层到最外层价电子填满相应的能带。导带价带Eg价带、导带和带隙电子与空穴

电子摆脱共价键束缚形成一对电子和空穴电子从价带到导带的跃迁过程导带增加一个电子、价带增加一个空穴禁带宽度：摆脱共价键所需的能量导电的电子：导带中的电子导电的空穴：填满的价带中出现的空能级，实质是价带中电子的导电从低向高能级跃迁：吸收能量；反之放出能量4041杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态杂质能级一般处于禁带中施主能级V族施主电离能很小施主的电离：施主能级上的电子跃迁到导带

受主能级负电中心束缚空穴III族受主电离能很小受主的电离：价带电子跃迁到受主能级，失去空穴的负电中心N型半导体和P型半导体N型半导体：主要电子导电，有少量空穴P型半导体：主要空穴导电，有少量电子多数载流子

n型半导体：电子；p型半导体：空穴少数载流子

n型半导体：空穴；p型半导体：电子晶格热振动产生电子跃迁：产生电子－空穴对复合：导带电子落入价带空能级热平衡时，电子、空穴浓度维持不变422.2PN结2.2.1平衡状态下的PN结2.2.2正向状态下的PN结2.2.3反向状态下的PN结2.2.4PN结电容（空间电荷区电容）43平衡状态下的PN结在一块N型（或P型）半导体单晶衬底上用扩散、外延法或离子注入等方法掺入P型（或N型）杂质。44受主离子施主离子PN结的形成45

浓度差

多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区

空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移

内电场阻止多子扩散

最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。平衡状态下的PN结扩散与漂移达到动态平衡，内建电场（空间电荷区）不再增强或减弱。46实际PN结47正向状态下的PN结在pn结上施加偏置电压时，pn结处于非平衡状态。规定p区接电源正极为正向偏置，反之则为反向偏置。48PN结加正向电压时的导电情况少子的正向注入pn结加正向偏置时，外加电压几乎全部降落在势垒（高阻区）内，在势垒区内产生一个外加电场，原来的自建电场方向相反，削弱了势垒区的电场强度，势垒高度由原来的qVD降至q(VD-VF)。势垒区电场削弱，破坏了原来的动态平衡，使载流子的扩散作用超过漂移作用，扩散电流大于漂移电流。由净扩散电流流过pn结，构成pn结的正向电流。49反向状态下的P