微电子学概论》大规模集成电路基础

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1、第三章大规模集成电路基础wulankejian@126.com1122334455663.1半导体集成电路概述集成电路（IntergratedCircuit，IC）将电路中的有源元件、无源元件以及它们之间的互联引线等一起制作在半导体衬底上，形成一块独立的不可分的整体电路芯片（Chip,Die）没有封装的单个集成电路硅片（Wafer）包含成千上百个芯片的大圆硅片集成电路的成品率：Y=硅片上好的芯片数硅片上总的芯片数100%成品率的检测，决定工艺的稳定性，成品率对集成电路厂家很重要集成电路发展的原动力：不断提高的性能/价格比集成电路发展的特点：性能提高、价格降低集成

2、度功耗延迟积：延迟时间与功耗相乘特征尺寸：集成电路中半导体器件的最小尺度成品率：受制作工艺、电路设计、芯片面积、硅片材料、指标等要求影响。主要途径：缩小器件的特征尺寸增大硅片面积集成电路的性能指标：集成电路的制造过程：设计工艺加工测试封装定义电路的输入输出（电路指标、性能）原理电路设计电路模拟(SPICE)布局(Layout)考虑寄生因素后的再模拟原型电路制备测试、评测产品工艺问题定义问题不符合不符合集成电路产业的发展趋势：独立的设计公司（DesignHouse）独立的制造厂家（标准的Foundary）集成电路类型：数字集成电路、模拟集成电路数字集成电路基本单元

3、：开关管、反相器、组合逻辑门模拟集成电路基本单元：放大器、电流源、电流镜、转换器等以场效应管为主要元件构成的集成电路称为MOS集成电路。MOS集成电路又分为数字电路和模拟电路。由于MOS集成电路尤其是CMOS集成电路具有功耗低、速度快、噪声容限大、可适应较宽的环境温度和电源电压、易集成、可按比例缩小等一系列优点，MOS集成电路发展极为迅速，CMOS集成电路更成为整个半导体集成电路的主流技术。目前CMOS技术的市场占有率超过95%，而且据预测微电子技术发展到21世纪前半叶，主流技术仍将为CMOS技术。3.2MOS集成电路基础双极型晶体管内容回顾-2.3构成集成电路

4、的基本元素pnpB端E端C端ECBnpnB端E端C端ECBBCEpnpBCEnpn单极型晶体管（MOSFET)内容回顾-2.4构成集成电路的基本元素源极(S)漏极(D)栅极(G)VDID非饱和区饱和区VGn+n+P型硅基板栅极（金属）绝缘层（SiO2）半导体基板漏极源极MOS晶体管的动作MOS晶体管实质上是一种使电流时而流过，时而切断的开关n+n+P型硅基板栅极（金属）绝缘层（SiO2）半导体基板漏极源极MOS晶体管的基本结构源极(S)漏极(D)栅极(G)MOSFET的工作原理漏极栅极源极漏极源极源极(S)漏极(D)栅极(G)VG=0VS=0VD=0栅极电压为零

5、时，存储在源漏极中的电子互相隔离MOSFET的工作原理1++++++++源极(S)漏极(D)栅极(G)VG=3.3VVS=0VD=0栅极电压为3.3V时，表面的电位下降，形成了连接源漏的通路。3.3VMOSFET的工作原理2++++++++3.3V3.3V电流源极(S)漏极(D)栅极(G)VG=3.3VVS=0VD=3.3V更进一步，在漏极加上3.3V的电压，漏极的电位下降，从源极有电子流向漏极，形成电流。（电流是由漏极流向源极）MOSFET的工作原理35V源极(S)漏极(D)栅极(G)VG=0VVS=0VVD=3.3V漏极保持3.3V的电压，而将栅极电压恢复到

6、0V，这时表面的电位提高，源漏间的通路被切断。MOSFET的工作原理4CMOS开关WINOUTW3.2.1MOS数字集成电路VDDINOUTCMOS反相器VDDYA1A2与非门：Y=A1A23.3影响集成电路性能的因素和发展趋势有源器件无源器件隔离区互连线钝化保护层寄生效应：电容、有源器件、电阻、电感3.4影响集成电路性能的因素和发展趋势器件的门延迟：迁移率沟道长度电路的互连延迟：线电阻（线尺寸、电阻率）线电容（介电常数、面积）途径：提高迁移率，如GeSi材料减小沟道长度互连的类别：芯片内互连、芯片间互连长线互连(Global)中等线互连短线互连(Local)减

7、小互连的途径：增加互连层数增大互连线截面Cu互连、LowK介质多芯片模块（MCM）系统芯片（Systemonachip）减小特征尺寸、提高集成度、Cu互连、系统优化设计、SOC