专用集成电路设计实践（西电版）第1章绪论

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1、第1章　绪　论1.1集成电路的发展历史1.2专用集成电路的发展历史1.3实践的重要性1.4本书的特点1.1集成电路的发展历史1.1.1重大的技术突破1.从真空到固体20世纪初(1905年)世界上第一个真空电子管的发明,标志着人类社会进入了电子化时代,电子技术实现了第一次重大技术突破。这是为控制电子在真空中的运动规律和特性而产生的技术成果,从此产生了无线电通信、雷达、导航、广播、电视和各种真空管电子仪器及系统。经过第二次世界大战后,人们发现真空管还存在许多问题,如仪器设备的体积大,重量大,耗电量大,可靠性和寿命受限制等。因此,研究新型电子管的迫切需求被提出来了。正是在这种情况下,1946年1月,

2、基于多年利用量子力学对固体性质和晶体探测器的研究以及对纯净晶体生长和掺杂技术的掌握,Bell实验室正式成立了固体物理研究小组和冶金研究小组,其中固体物理小组由肖克莱(W.Schokley)领导,成员包括理论物理学家巴丁(J.Bardeen)和实验物理学家布拉顿(W.H.Bratain)等人。该研究小组的主要工作是组织固体物理研究项目,“寻找物理和化学方法控制构成固体的原子和电子的排列和行为,以产生新的有用的性质”。在系统的研究过程中,肖克莱发展了前人的工作,预言通过场效应可以实现放大功能;巴丁成功地提出了表面态理论,开辟了新的研究思路,兼之他对电子运动规律的不断探索,经过无数次实验,终于在19

3、47年12月发明了第一个点接触型晶体管。一个月后被誉为电子时代先驱的科学家肖克莱发表了晶体管的理论基础——PN理论。此后,结型晶体管研制成功,晶体管进入实用阶段。晶体管的发明为微电子技术揭开了序幕,三位科学家的重大贡献使他们共同获得了1956年诺贝尔物理学奖。2.从锗到硅晶体管发展初期是利用锗单晶材料进行研制的。实验发现,用锗单晶制作的晶体管漏电流大,工作电压低,表面性能不稳定,且随着温度的升高其性能会下降,可靠性和寿命不佳。科学的道路是没有尽头的,科学家通过大量的实验分析,发现半导体硅比锗有更多的优点。在锗晶体管中所表现出来的缺点,利用硅单晶材料将会产生不同程度的改进,即硅晶体管的性能有大的

4、提高。特别是硅表面可以形成稳定性好、结构致密、电学性能好的二氧化硅保护层。这不仅使硅晶体管比锗晶体管更加稳定,性能更加好,而且更重要的是在技术上大大前进了一步,发明了晶体管平面工艺,为20世纪50年代末集成电路的问世奠定了可靠的基础。这是微电子技术的第二次重大技术突破。3.从小规模到大规模从1958年到1987年这30年间集成电路的集成度从10个元件的数量级提高到了10万个元件,是微电子技术的第三次重大技术突破。而今天,又一个20年后,集成度已进一步提高到了几亿个元件,许多公司已经做到了45纳米(线宽)的批量生产。4.从成群电子到单个电子美国电话电报公司的贝尔实验室于1988年研制成功隧道三极

5、管。这种新型电子器件的基本原理是在两个半导体之间形成一层很薄的绝缘体,其厚度在1～10nm之间,此时电子会有一定的几率穿越绝缘层,这就是量子隧道效应。由于巧妙地利用了量子隧道效应,因此器件的尺寸比目前的集成电路小100倍,而运算速度提高1000～10000倍,功率损耗只有传统晶体管的1/1000～1/10000。显然,体积小、速度快和功耗低的崭新器件,对超越集成电路的物理限制具有重要的意义,是微电子技术的第四次重大技术突破。随着研究工作的深入发展,近年已研制成功单电子晶体管,只要控制单个电子就可以完成特定的功能。1.1.2集成电路的分类集成电路(IntegratedCircuit,缩写为IC)

6、是指通过一系列特定的加工工艺,将多个晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件,按照一定的电路连接集成在一块半导体单晶片(如硅或GaAs等)或陶瓷等基片上,作为一个不可分割的整体来执行某一特定功能的电路组件。　　根据集成电路中有源器件的结构类型和工艺技术,可以将集成电路分为三类,即双极、MOS和双极—MOS混合型(即BiCMOS)集成电路。1.双极集成电路这种结构的集成电路是半导体集成电路中最早出现的电路形式,1958年制造出的世界上第一块集成电路就是双极集成电路。这种电路采用的有源器件是双极晶体管,这正是双极集成电路得名的原因。而双极晶体管则由于它的工作机制依赖于电子和空穴两种类型的载

7、流子而得名。在双极集成电路中,又可以根据双极晶体管类型的不同而将它细分为NPN和PNP型双极集成电路。　　双极集成电路的特点是速度高、驱动能力强,缺点是功耗较大、集成度相对较低。2.金属—氧化物—半导体WTHZ](MOS)集成电路这种电路中所用的晶体管为MOS晶体管,故取名为MOS集成电路。MOS晶体管是由金属—氧化物—半导体结构组成的场效应晶体管,它主要靠半导体表面电场感应产生的导电沟道工作。