第一次課-集成電路設(shè)計概述

1、集成電路設(shè)計基礎(chǔ)集成電路設(shè)計基礎(chǔ) 學(xué)科基礎(chǔ)課 主講教師：李華一 Fundamentals of Integrate Curcuit Design 天津理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院 E-mail： 課課 程程 簡簡 介介 課程性質(zhì)：專業(yè)選修課課程性質(zhì)：專業(yè)選修課 學(xué)學(xué) 分：分：3 學(xué)學(xué) 時：時：48 上課時間：周二（上課時間：周二（1, 2） 16-106 （1-17周）周） 課程簡介課程簡介 二二. . 本課程的基本要求本課程的基本要求 一一. . 本課程教材及講授內(nèi)容本課程教材及講授內(nèi)容 四四. . 課程考核方式及各環(huán)節(jié)所占比例課程考核方式及各環(huán)節(jié)所占比例 三三. . 參考書目參考書目 一、本

2、課程教材及講授內(nèi)容一、本課程教材及講授內(nèi)容 王志功、陳瑩梅王志功、陳瑩梅 編著，編著，集成電路設(shè)計集成電路設(shè)計，電子工業(yè)出版社，電子工業(yè)出版社 課程內(nèi)容課程內(nèi)容 教材教材 第二章第二章 集成電路材料、結(jié)構(gòu)與理論集成電路材料、結(jié)構(gòu)與理論 第一章第一章 集成電路設(shè)計概述集成電路設(shè)計概述 第五章第五章 MOS場效應(yīng)管的特性場效應(yīng)管的特性 第六章第六章 集成電路器件及集成電路器件及SPICE模型模型 第七章第七章 SPICE數(shù)模混合仿真程序的設(shè)計流程及方法數(shù)?；旌戏抡娉绦虻脑O(shè)計流程及方法 第八章第八章 集成電路版圖設(shè)計與工具集成電路版圖設(shè)計與工具 第九章第九章 模擬集成電路基本單元模擬集成電路基本單元

3、 第十章第十章 數(shù)字集成電路基本單元與版圖數(shù)字集成電路基本單元與版圖 第十一章第十一章 集成電路數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)集成電路數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ) 第十二章第十二章 集成電路的測試和封裝集成電路的測試和封裝 二、本課程的基本要求二、本課程的基本要求 掌握掌握集成電路模擬的基本方法；集成電路模擬的基本方法； 掌握掌握模擬和數(shù)字電路基本單元的設(shè)計和分析方法；模擬和數(shù)字電路基本單元的設(shè)計和分析方法； 理解理解版圖設(shè)計的概念；版圖設(shè)計的概念； 熟練使用熟練使用硬件描述語言進行數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計，并熟練使用相關(guān)硬件描述語言進行數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計，并熟練使用相關(guān) 設(shè)計工具。設(shè)計工具。 三、參考書目三、參考書目 集成電路

4、設(shè)計集成電路設(shè)計第第1版，葉以正、來逢昌編著，清華大學(xué)版，葉以正、來逢昌編著，清華大學(xué) 出版社，出版社，2011.8 集成電路導(dǎo)論集成電路導(dǎo)論第第2版，楊之廉、許軍編著，清華大學(xué)出版，楊之廉、許軍編著，清華大學(xué)出 版社，版社，2012.1 VLSI設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)第第1版，李偉華編著，電子工業(yè)出版社，版，李偉華編著，電子工業(yè)出版社， 2008.6 四、課程考核方式及各環(huán)節(jié)所占比例四、課程考核方式及各環(huán)節(jié)所占比例 期末考試成績占期末考試成績占7070； 第一章第一章 集成電路設(shè)計概述集成電路設(shè)計概述 集成電路的研發(fā)流程集成電路的研發(fā)流程 集成電路的設(shè)計技術(shù)集成電路的設(shè)計技術(shù) 認(rèn)識晶圓和集成電路認(rèn)

5、識晶圓和集成電路 裸片裸片鍵合（連接到封裝的引腳）鍵合（連接到封裝的引腳） 各種封裝好的集成電路各種封裝好的集成電路 第二章第二章 集成電路材料、結(jié)構(gòu)與理論集成電路材料、結(jié)構(gòu)與理論 2.1 集成電路材料集成電路材料 2.2 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 2.3 PN結(jié)與結(jié)型二極管結(jié)與結(jié)型二極管 2.4 雙極型晶體管雙極型晶體管 2.5 MOS晶體管晶體管 2.1 集成電路材料集成電路材料 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體 n電氣系統(tǒng) 主要應(yīng)用 n導(dǎo)體 n絕緣體 n集成電路 制造應(yīng)用 n導(dǎo)體 n半導(dǎo)體 n絕緣體 集成電路制造所應(yīng)用到的材料分類集成電路制造所應(yīng)用到的材料分類 分分 類類材材

6、 料料 電導(dǎo)率電導(dǎo)率 （Scm-1） 導(dǎo)體導(dǎo)體鋁、金、鎢、銅等金屬，鎳鉻等合金鋁、金、鎢、銅等金屬，鎳鉻等合金 105 半導(dǎo)體半導(dǎo)體硅、鍺、砷化鎵、磷化銦、氮化鎵等硅、鍺、砷化鎵、磷化銦、氮化鎵等 1022 10 14 絕緣體絕緣體SiO2(二氧化硅二氧化硅)、SiON(氮氧化硅氮氧化硅)、 Si3N4(氮化硅氮化硅)等等 10 9102 鋁、金、鎢、銅等金屬和鎳鉻等合金鋁、金、鎢、銅等金屬和鎳鉻等合金 在集成電路工藝中的功能在集成電路工藝中的功能 （1）構(gòu)成低值電阻；）構(gòu)成低值電阻； （2）構(gòu)成電容元件的極板；）構(gòu)成電容元件的極板； （3）構(gòu)成電感元件的繞線；）構(gòu)成電感元件的繞線； （4）構(gòu)

7、成傳輸線（微帶線和共面波導(dǎo)）的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；）構(gòu)成傳輸線（微帶線和共面波導(dǎo)）的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)； （5）與輕摻雜半導(dǎo)體構(gòu)成肖特基結(jié)接觸；）與輕摻雜半導(dǎo)體構(gòu)成肖特基結(jié)接觸； （6）與重?fù)诫s半導(dǎo)體構(gòu)成半導(dǎo)體器件的電極的歐姆接觸；）與重?fù)诫s半導(dǎo)體構(gòu)成半導(dǎo)體器件的電極的歐姆接觸； （7）構(gòu)成元器件之間的互連；）構(gòu)成元器件之間的互連； （8）構(gòu)成與外界焊接用的焊盤。）構(gòu)成與外界焊接用的焊盤。 絕緣體絕緣體SiO2、SiON、Si3N4等硅的氧化物和氮等硅的氧化物和氮 化物在集成電路工藝中的功能化物在集成電路工藝中的功能 （1）構(gòu)成電容的介質(zhì)；）構(gòu)成電容的介質(zhì)； （2）構(gòu)成）構(gòu)成MOS（金屬（金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)

8、體）器件的柵半導(dǎo)體）器件的柵 絕緣層；絕緣層； （3）構(gòu)成元件和互連線之間的橫向隔離；）構(gòu)成元件和互連線之間的橫向隔離； （4）構(gòu)成工藝層面之間的垂直向隔離；）構(gòu)成工藝層面之間的垂直向隔離； （5）構(gòu)成防止表面機械損傷和化學(xué)污染的鈍化層。）構(gòu)成防止表面機械損傷和化學(xué)污染的鈍化層。 2.2 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 制作集成電路的硅、鍺等都是 晶體晶體。膠等都是非晶。 晶體中原子按一定的距離在空間有規(guī)律的排列。 硅、鍺均是四價元素四價元素，原子的最外層軌道上具有四個價電子四個價電子。 價電子不局限于單個原子，可以轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去，這 種價電子共有化運動共

9、有化運動就形成了晶體中的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵結(jié)構(gòu)。 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 n 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體是一種完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。 n 在熱力學(xué)溫度零度和沒有外界能量激發(fā)時，由于價電子受到 共價鍵共價鍵的束縛，晶體中不存在自由運動的電子，半導(dǎo)體是不 導(dǎo)電的。 n 當(dāng)溫度升高或受到光照等外界因素的影響時，某些共價鍵中 的價電子價電子獲得了足夠的能量，躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子自由電子。 同時，在共價鍵中留下相同數(shù)量的空穴空穴。 n 空穴是半導(dǎo)體中特有的一種粒子（帶正電），與電子的電荷 量相同。 n 半導(dǎo)體中存在兩種載流子兩種載流子：帶q電荷的空穴和帶q電荷的 自由電子。 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體

10、v 在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)原子將會得到 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 v 雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能相對于本征半導(dǎo)體發(fā)生顯著改變， 由此制造出人們所期望的各種性能的 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 v 根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可以分為 P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 NN型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 2.3 PN結(jié)與結(jié)型二極管結(jié)與結(jié)型二極管 PN結(jié)的形成結(jié)的形成 n在完整的晶體上，利用摻雜方法使晶體內(nèi)部形成相鄰的在完整的晶體上，利用摻雜方法使晶體內(nèi)部形成相鄰的P P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 區(qū)和區(qū)和 NN型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 區(qū)，在這兩個區(qū)的交界面處就區(qū)，在這兩個區(qū)的交界面處就 形成了下圖所示的形成了下圖所示的 PNPN結(jié)結(jié) 平衡

11、狀態(tài)下的平衡狀態(tài)下的PN結(jié)結(jié) nP區(qū)中的空穴向區(qū)中的空穴向N區(qū)擴散區(qū)擴散，在，在P區(qū)中留下區(qū)中留下帶負(fù)電荷的受主雜質(zhì)離帶負(fù)電荷的受主雜質(zhì)離 子子；而；而N區(qū)中的電子向區(qū)中的電子向P區(qū)擴散，在區(qū)擴散，在N區(qū)中留下區(qū)中留下帶正電荷的施帶正電荷的施 主雜質(zhì)離子主雜質(zhì)離子。 由由P區(qū)擴散到區(qū)擴散到N區(qū)的區(qū)的空穴與空穴與N區(qū)區(qū) 的自由電子復(fù)合的自由電子復(fù)合。同樣，由。同樣，由N區(qū)區(qū) 擴散到擴散到P區(qū)的區(qū)的自由電子與自由電子與P區(qū)內(nèi)區(qū)內(nèi) 的空穴復(fù)合的空穴復(fù)合。 于是在緊靠接觸面兩邊形成了于是在緊靠接觸面兩邊形成了 數(shù)值相等、符號相反的一層很數(shù)值相等、符號相反的一層很 薄的薄的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)，稱為，稱

12、為耗盡層耗盡層， 這就是這就是PN結(jié)結(jié)。 漂移運動和擴散運動漂移運動和擴散運動 n在耗盡區(qū)中正負(fù)離子形成了一個在耗盡區(qū)中正負(fù)離子形成了一個內(nèi)建電場內(nèi)建電場，方向從帶正電，方向從帶正電 的的N區(qū)指向帶負(fù)電的區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)。這個電場阻止擴散運動繼續(xù)進行，區(qū)。這個電場阻止擴散運動繼續(xù)進行， 另方面將產(chǎn)生另方面將產(chǎn)生漂移運動漂移運動，即進入空間電荷區(qū)的空穴在內(nèi)建電，即進入空間電荷區(qū)的空穴在內(nèi)建電 場場作用下向作用下向P區(qū)漂移，自由電子向區(qū)漂移，自由電子向N區(qū)漂移。區(qū)漂移。 n漂移運動和擴散運動方向相反漂移運動和擴散運動方向相反。在開始擴散時，內(nèi)建電場較。在開始擴散時，內(nèi)建電場較 小，阻止擴散的作用

13、較小，擴散運動大于漂移運動。隨著擴小，阻止擴散的作用較小，擴散運動大于漂移運動。隨著擴 散運動的繼續(xù)進行，內(nèi)建電場不斷增加，漂移運動不斷增強，散運動的繼續(xù)進行，內(nèi)建電場不斷增加，漂移運動不斷增強， 擴散運動不斷減弱，最后擴散運動和漂移運動達到擴散運動不斷減弱，最后擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡動態(tài)平衡， 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)的寬度相對穩(wěn)定下來，不再擴大，一般只有的寬度相對穩(wěn)定下來，不再擴大，一般只有零點零點 幾微米至幾微米幾微米至幾微米。 n動態(tài)平衡時，動態(tài)平衡時，擴散電流和漂移電流大小相等、方向相反，流擴散電流和漂移電流大小相等、方向相反，流 過過PN結(jié)的總電流為零。結(jié)的總電流為零。 PN結(jié)

14、型二極管的伏安特性結(jié)型二極管的伏安特性 結(jié)型半導(dǎo)體二極管方程結(jié)型半導(dǎo)體二極管方程 ID 二極管的電流二極管的電流 IS 二極管的反向飽和電流二極管的反向飽和電流, Q 電子電荷電子電荷, VD 二極管外加電壓二極管外加電壓, 方向定義為方向定義為P電極為正電極為正, N電極為負(fù)。電極為負(fù)。 K 波爾茲曼常數(shù)，波爾茲曼常數(shù)， T 絕對溫度。絕對溫度。 )1( D SD kT qV eII PN結(jié)與二極管、雙極型、結(jié)與二極管、雙極型、MOS三極管的關(guān)系三極管的關(guān)系 nPN結(jié)結(jié) 是半導(dǎo)體器件的是半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) nPN結(jié)存在于幾乎所有種類的結(jié)存在于幾乎所有種類的二極管、雙極型三極管二極管

15、、雙極型三極管 和和 MOS器件器件之中。之中。 肖特基結(jié)二極管肖特基結(jié)二極管 n金屬與摻雜半導(dǎo)體接觸形成的金屬與摻雜半導(dǎo)體接觸形成的肖特基結(jié)二極管肖特基結(jié)二極管 n金屬與半導(dǎo)體在交界處形成金屬與半導(dǎo)體在交界處形成阻擋層阻擋層，處于平衡態(tài)的阻擋層，處于平衡態(tài)的阻擋層 對外電路對外電路呈中性呈中性 n肖特基結(jié)阻擋層具有類似肖特基結(jié)阻擋層具有類似PNPN結(jié)的伏結(jié)的伏- -安特性安特性 基于基于GaAs（砷化鎵砷化鎵）和和 I n P （ 磷 化 銦磷 化 銦 ） 的的 MESFET和和HEMT器件器件 中，其金屬柵極與溝道中，其金屬柵極與溝道 材料之間形成的結(jié)就屬材料之間形成的結(jié)就屬 于于肖特基結(jié)。肖特基結(jié)。 歐姆型接觸歐姆型接觸 n半導(dǎo)體元器件引出電極與半導(dǎo)體材料的接觸也是一種半導(dǎo)體元器件引出電極與半導(dǎo)體材料的接觸也是一種金屬金屬- -半半 導(dǎo)體結(jié)導(dǎo)體結(jié) n我們希望這些結(jié)具有我們希望這些結(jié)具有雙向低歐姆電阻值的導(dǎo)電特性雙向低歐姆電阻值的導(dǎo)