第一次课集成电路设计概述

1、集成电路设计基础集成电路设计基础学科基础课主讲教师：李华一Fundamentals of Integrate Curcuit Design天津理工大学 电子信息工程学院E-mail：课课 程程 简简 介介课程性质：专业选修课课程性质：专业选修课学学 分：分：3学学 时：时：48上课时间：周二（上课时间：周二（1, 2） 16-106 （1-17周）周） 课程简介课程简介二二. . 本课程的基本要求本课程的基本要求一一. . 本课程教材及讲授内容本课程教材及讲授内容四四. . 课程考核方式及各环节所占比例课程考核方式及各环节所占比例三三. . 参考书目参考书目一、本课程教材及讲授内容一、本课程教

2、材及讲授内容王志功、陈莹梅王志功、陈莹梅 编著，编著，集成电路设计集成电路设计，电子工业出版社，电子工业出版社课程内容课程内容教材教材第二章第二章 集成电路材料、结构与理论集成电路材料、结构与理论第一章第一章 集成电路设计概述集成电路设计概述第五章第五章 MOS场效应管的特性场效应管的特性第六章第六章 集成电路器件及集成电路器件及SPICE模型模型第七章第七章 SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法数模混合仿真程序的设计流程及方法第八章第八章 集成电路版图设计与工具集成电路版图设计与工具第九章第九章 模拟集成电路基本单元模拟集成电路基本单元第十章第十章 数字集成电路基本单元与版图数字集成电

3、路基本单元与版图第十一章第十一章 集成电路数字系统设计基础集成电路数字系统设计基础第十二章第十二章 集成电路的测试和封装集成电路的测试和封装二、本课程的基本要求二、本课程的基本要求 掌握掌握集成电路模拟的基本方法；集成电路模拟的基本方法； 掌握掌握模拟和数字电路基本单元的设计和分析方法；模拟和数字电路基本单元的设计和分析方法； 理解理解版图设计的概念；版图设计的概念； 熟练使用熟练使用硬件描述语言进行数字电路系统设计，并熟练使用相关硬件描述语言进行数字电路系统设计，并熟练使用相关设计工具。设计工具。三、参考书目三、参考书目集成电路设计集成电路设计第第1版，叶以正、来逢昌编著，清华大学版，叶以正

4、、来逢昌编著，清华大学出版社，出版社，2011.8集成电路导论集成电路导论第第2版，杨之廉、许军编著，清华大学出版，杨之廉、许军编著，清华大学出版社，版社，2012.1VLSI设计基础设计基础第第1版，李伟华编著，电子工业出版社，版，李伟华编著，电子工业出版社，2008.6四、课程考核方式及各环节所占比例四、课程考核方式及各环节所占比例 期末考试成绩占期末考试成绩占7070；第一章第一章 集成电路设计概述集成电路设计概述集成电路的研发流程集成电路的研发流程集成电路的设计技术集成电路的设计技术认识晶圆和集成电路认识晶圆和集成电路裸片裸片键合（连接到封装的引脚）键合（连接到封装的引脚）各种封装好的

5、集成电路各种封装好的集成电路第二章第二章 集成电路材料、结构与理论集成电路材料、结构与理论2.1 集成电路材料集成电路材料2.2 半导体基础知识半导体基础知识2.3 PN结与结型二极管结与结型二极管2.4 双极型晶体管双极型晶体管2.5 MOS晶体管晶体管2.1 集成电路材料集成电路材料 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体n电气系统 主要应用n导体n绝缘体n集成电路 制造应用n导体n半导体n绝缘体集成电路制造所应用到的材料分类集成电路制造所应用到的材料分类分分 类类材材 料料 电导率电导率（Scm-1）导体导体铝、金、钨、铜等金属，镍铬等合金铝、金、钨、铜等金属，镍铬等合金 105 半导

6、体半导体硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓等硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓等 1022 10 14 绝缘体绝缘体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 铝、金、钨、铜等金属和镍铬等合金铝、金、钨、铜等金属和镍铬等合金在集成电路工艺中的功能在集成电路工艺中的功能（1）构成低值电阻；）构成低值电阻；（2）构成电容元件的极板；）构成电容元件的极板；（3）构成电感元件的绕线；）构成电感元件的绕线；（4）构成传输线（微带线和共面波导）的导体结构；）构成传输线（微带线和共面波导）的导体结构；（5）与轻掺杂半导体构成肖特基结接触；）与轻掺杂半导

7、体构成肖特基结接触；（6）与重掺杂半导体构成半导体器件的电极的欧姆接触；）与重掺杂半导体构成半导体器件的电极的欧姆接触；（7）构成元器件之间的互连；）构成元器件之间的互连；（8）构成与外界焊接用的焊盘。）构成与外界焊接用的焊盘。绝缘体绝缘体SiO2、SiON、Si3N4等硅的氧化物和氮等硅的氧化物和氮化物在集成电路工艺中的功能化物在集成电路工艺中的功能（1）构成电容的介质；）构成电容的介质；（2）构成）构成MOS（金属（金属-氧化物氧化物-半导体）器件的栅半导体）器件的栅绝缘层；绝缘层；（3）构成元件和互连线之间的横向隔离；）构成元件和互连线之间的横向隔离；（4）构成工艺层面之间的垂直向隔离；

8、）构成工艺层面之间的垂直向隔离；（5）构成防止表面机械损伤和化学污染的钝化层。）构成防止表面机械损伤和化学污染的钝化层。2.2 半导体基础知识半导体基础知识 半导体的半导体的晶体结构晶体结构 制作集成电路的硅、锗等都是 晶体晶体。胶等都是非晶。 晶体中原子按一定的距离在空间有规律的排列。 硅、锗均是四价元素四价元素，原子的最外层轨道上具有四个价电子四个价电子。 价电子不局限于单个原子，可以转移到相邻的原子上去，这种价电子共有化运动共有化运动就形成了晶体中的共价键结构共价键结构。 本征半导体本征半导体n 本征半导体本征半导体是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。n 在热力学温度零度和没有外界能

9、量激发时，由于价电子受到共价键共价键的束缚，晶体中不存在自由运动的电子，半导体是不导电的。n 当温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键中的价电子价电子获得了足够的能量，跃迁到导带，成为自由电子自由电子。同时，在共价键中留下相同数量的空穴空穴。n 空穴是半导体中特有的一种粒子（带正电），与电子的电荷量相同。n 半导体中存在两种载流子两种载流子：带q电荷的空穴和带q电荷的自由电子。 杂质半导体杂质半导体v 在本征半导体中掺入微量的杂质原子将会得到 杂质半导体杂质半导体v 杂质半导体的导电性能相对于本征半导体发生显著改变，由此制造出人们所期望的各种性能的 半导体器件半导体器件v 根据掺入杂

10、质性质的不同，杂质半导体可以分为 P P型半导体型半导体 NN型半导体型半导体 2.3 PN结与结型二极管结与结型二极管 PN结的形成结的形成 n在完整的晶体上，利用掺杂方法使晶体内部形成相邻的在完整的晶体上，利用掺杂方法使晶体内部形成相邻的P P型半导体型半导体 区和区和 NN型半导体型半导体 区，在这两个区的交界面处就区，在这两个区的交界面处就形成了下图所示的形成了下图所示的 PNPN结结 平衡状态下的平衡状态下的PN结结 nP区中的空穴向区中的空穴向N区扩散区扩散，在，在P区中留下区中留下带负电荷的受主杂质离带负电荷的受主杂质离子子；而；而N区中的电子向区中的电子向P区扩散，在区扩散，在

11、N区中留下区中留下带正电荷的施带正电荷的施主杂质离子主杂质离子。 由由P区扩散到区扩散到N区的区的空穴与空穴与N区区的自由电子复合的自由电子复合。同样，由。同样，由N区区扩散到扩散到P区的区的自由电子与自由电子与P区内区内的空穴复合的空穴复合。 于是在紧靠接触面两边形成了于是在紧靠接触面两边形成了数值相等、符号相反的一层很数值相等、符号相反的一层很薄的薄的空间电荷区空间电荷区，称为，称为耗尽层耗尽层，这就是这就是PN结结。 漂移运动和扩散运动漂移运动和扩散运动n在耗尽区中正负离子形成了一个在耗尽区中正负离子形成了一个内建电场内建电场，方向从带正电，方向从带正电的的N区指向带负电的区指向带负电的

12、P区。这个电场阻止扩散运动继续进行，区。这个电场阻止扩散运动继续进行，另方面将产生另方面将产生漂移运动漂移运动，即进入空间电荷区的空穴在内建电，即进入空间电荷区的空穴在内建电场场作用下向作用下向P区漂移，自由电子向区漂移，自由电子向N区漂移。区漂移。n漂移运动和扩散运动方向相反漂移运动和扩散运动方向相反。在开始扩散时，内建电场较。在开始扩散时，内建电场较小，阻止扩散的作用较小，扩散运动大于漂移运动。随着扩小，阻止扩散的作用较小，扩散运动大于漂移运动。随着扩散运动的继续进行，内建电场不断增加，漂移运动不断增强，散运动的继续进行，内建电场不断增加，漂移运动不断增强，扩散运动不断减弱，最后扩散运动和

13、漂移运动达到扩散运动不断减弱，最后扩散运动和漂移运动达到动态平衡动态平衡，空间电荷区空间电荷区的宽度相对稳定下来，不再扩大，一般只有的宽度相对稳定下来，不再扩大，一般只有零点零点几微米至几微米几微米至几微米。n动态平衡时，动态平衡时，扩散电流和漂移电流大小相等、方向相反，流扩散电流和漂移电流大小相等、方向相反，流过过PN结的总电流为零。结的总电流为零。 PN结型二极管的伏安特性结型二极管的伏安特性 结型半导体二极管方程结型半导体二极管方程 ID 二极管的电流二极管的电流 IS 二极管的反向饱和电流二极管的反向饱和电流, Q 电子电荷电子电荷, VD 二极管外加电压二极管外加电压, 方向定义为方

14、向定义为P电极为正电极为正, N电极为负。电极为负。 K 波尔兹曼常数，波尔兹曼常数， T 绝对温度。绝对温度。 )1(DSDkTqVeIIPN结与二极管、双极型、结与二极管、双极型、MOS三极管的关系三极管的关系nPN结结 是半导体器件的是半导体器件的基本结构基本结构nPN结存在于几乎所有种类的结存在于几乎所有种类的二极管、双极型三极管二极管、双极型三极管和和 MOS器件器件之中。之中。 肖特基结二极管肖特基结二极管 n金属与掺杂半导体接触形成的金属与掺杂半导体接触形成的肖特基结二极管肖特基结二极管n金属与半导体在交界处形成金属与半导体在交界处形成阻挡层阻挡层，处于平衡态的阻挡层，处于平衡态的阻挡层对外电路对外电路呈中性呈中性 n肖特基结阻挡层具有类似肖特基结阻挡层具有类似PNPN结的伏结的伏- -安特性安特性 基于基于GaAs（砷化镓砷化镓）和和I n P （ 磷 化 铟磷 化 铟 ） 的的MESFET和和HEMT器件器件中，其金属栅极与沟道中，其金属栅极与沟道材料之间形成的结就属材料之间形成的结就属于于肖特基结。肖特基结。 欧姆型接触欧姆型接触 n半导体元器件引出电极与半导体材料的接触也是一种半导体元器件引出电极与半导体材料的接触也是一种金属金属- -半半导体结导体结n我们希望这些结具有我们希望这些结具有双向低欧姆电阻值的导电特性双向低欧姆电阻值的导电特性