[计算机软件及应用]第2章 CMOS集成电路基础ppt课件

1、CMOS集成电路根底集成电路根底王智鹏王智鹏集成电路集成电路(integrated circuit)n一种微型电子器件或部件。一种微型电子器件或部件。n把一个电路中所需的一切元件及布线互连把一个电路中所需的一切元件及布线互连一同，制造在一小块半导体晶片，然后封一同，制造在一小块半导体晶片，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型构造的微型构造n 它在电路中用字母它在电路中用字母“IC 表示。表示。 PCB与与ICPCBIC集成电路内部构成与任务原理集成电路内部构成与任务原理n制造集成电路的资料有制造集成电路的资料有n导体：含有大量自在电子，可在电压作

2、用导体：含有大量自在电子，可在电压作用下自在运动，参与导电；下自在运动，参与导电；n绝缘体：没有可以参与导电的自在电子；绝缘体：没有可以参与导电的自在电子；n半导体：部分电子在获得足够能量后可自半导体：部分电子在获得足够能量后可自在运动，参与导电。在运动，参与导电。1、制造资料、制造资料2、半导体资料、半导体资料n最早运用的半导体资料是由最早运用的半导体资料是由族元素组成族元素组成的单质半导体资料。如硅、锗晶体。的单质半导体资料。如硅、锗晶体。n硅、锗禁带宽度很小，使其中的电子可以硅、锗禁带宽度很小，使其中的电子可以很容易获得能量向高能级跃迁参与导电；很容易获得能量向高能级跃迁参与导电；硅在地

3、表中储量极大，目前仍是运用最广硅在地表中储量极大，目前仍是运用最广泛的半导体资料。泛的半导体资料。n单质硅资料导电才干很弱，必需在其中选单质硅资料导电才干很弱，必需在其中选择性的参与少量杂质资料，提供更多自在择性的参与少量杂质资料，提供更多自在电子。电子。n引入杂质的过程称为掺杂；引入杂质的过程称为掺杂；n掺杂不同杂质，得到的半导体资料分为掺杂不同杂质，得到的半导体资料分为N型型和和P型资料。型资料。完美的硅晶体表示图完美的硅晶体表示图硅晶体截面表示图硅晶体截面表示图nN型资料型资料n运用运用族元素为掺杂杂质，杂质的五个价族元素为掺杂杂质，杂质的五个价电子中，四个与周围的硅结合成共价键，电子中

4、，四个与周围的硅结合成共价键，多余的一个价电子成为自在电子，参与导多余的一个价电子成为自在电子，参与导电。电。电子被以为带负电电子被以为带负电negative，所以这种资，所以这种资料被称为料被称为N 型半导体资料，掺杂的杂质称为施型半导体资料，掺杂的杂质称为施主。主。nP型资料型资料n运用运用族元素为掺杂杂质，杂质的价电子族元素为掺杂杂质，杂质的价电子与周围三个硅原子的电子结合成共价键，与周围三个硅原子的电子结合成共价键，短少一个构成共价键的电子，出现电子的短少一个构成共价键的电子，出现电子的空位，成为空位，成为“空穴。空穴。空穴被以为带正电空穴被以为带正电positive，所以这种资，所以

5、这种资料被称为料被称为P型半导体资料。掺杂的杂质称为受型半导体资料。掺杂的杂质称为受主。主。3、PN结结n集成电路中的器件普通由集成电路中的器件普通由P型和型和N型资料构型资料构成。成。P型资料与型资料与N型资料接触构成型资料接触构成PN结。结。nPN结单导游电，只当结单导游电，只当P区电压高于区电压高于N区区PN结正偏时允许电流从结正偏时允许电流从P区流向区流向N区。区。4、场效应与半导体开关、场效应与半导体开关n场效应是指，在半导体资料附近施加不和场效应是指，在半导体资料附近施加不和半导体接触的电压时，那么该电压会对半半导体接触的电压时，那么该电压会对半导体内部的电子或空穴构成吸引。导体内

6、部的电子或空穴构成吸引。n利用场效应制造的晶体管被称为场效应晶利用场效应制造的晶体管被称为场效应晶体管体管FET。可以作为半导体开关。可以作为半导体开关。n例如在例如在P型半导体附近施加正电压，电压吸型半导体附近施加正电压，电压吸引半导体内的电子并构成积累。当电子积引半导体内的电子并构成积累。当电子积累到一定程度，累到一定程度，P型半导体内部分变为型半导体内部分变为N型，型，被称为反型。被称为反型。场效应晶体管场效应晶体管FETn运用最广的场效应晶体管是金属运用最广的场效应晶体管是金属-氧化物氧化物-半半导体场效应管，简称导体场效应管，简称MOSFET或或MOS管。管。普通有栅普通有栅G、源、

7、源S、漏、漏D三个三个电极。电极。n源漏之间被栅极覆盖的区域称为导电沟道。源漏之间被栅极覆盖的区域称为导电沟道。栅极担任施加控制电压栅极担任施加控制电压源极、漏极担源极、漏极担任电流的流进任电流的流进流出流出导电沟道导电沟道n根据源极、漏极掺杂类型的不同，根据源极、漏极掺杂类型的不同，MOS管管分为分为NMOS和和PMOS两种。两种。n同时运用两种同时运用两种MOS管的集成电路称为互补管的集成电路称为互补型金属型金属-氧化物氧化物-半导体，简称半导体，简称CMOS。PMOSNMOS衬底接触衬底接触nCMOS电路中，电路中，MOS管源区、漏区以外的管源区、漏区以外的区域称为衬底。区域称为衬底。n

8、通常将通常将PMOS管的衬底接高电位正压；管的衬底接高电位正压；NMOS管的衬底接低电位负压，以保管的衬底接低电位负压，以保证电路正常任务证电路正常任务电路符号电路符号aNMOSbPMOSaNMOSbPMOSaNMOSbPMOSCMOS逻辑电路逻辑电路n受栅极电压控制，由源漏电压的高低形状受栅极电压控制，由源漏电压的高低形状表示二进制。表示二进制。n源漏电位为高，表示二进制源漏电位为高，表示二进制“1n源漏电位为低，表示二进制源漏电位为低，表示二进制“0MOS管反型导通条件管反型导通条件nPMOS管导通：栅极电压为低电位管导通：栅极电压为低电位负压，即逻辑负压，即逻辑“0；nNMOS管导通：栅

9、极电压为高电位管导通：栅极电压为高电位正压，即逻辑正压，即逻辑“1反相器反相器非门非门INOUT0110 0与非门与非门ABOUT00011011或非门或非门ABOUT00011011n先在硅外表制造一层二氧化硅；先在硅外表制造一层二氧化硅；n然后经过光刻，在二氧化硅上需求分散掺然后经过光刻，在二氧化硅上需求分散掺入杂质的区域开设窗口；入杂质的区域开设窗口；n最后完成掺杂和金属化等工序，完成芯片最后完成掺杂和金属化等工序，完成芯片的制造。的制造。集成电路制造集成电路制造(平面工艺平面工艺)硅片硅片氧化硅氧化硅光刻胶光刻胶分散区分散区定义幅员定义幅员n什么是幅员？什么是幅员？n集成电路制造工艺中

10、，经过光刻和刻蚀将集成电路制造工艺中，经过光刻和刻蚀将掩膜版上的图形转移到硅片上。这种制造掩膜版上的图形转移到硅片上。这种制造集成电路时运用的掩膜版上的几何图形定集成电路时运用的掩膜版上的几何图形定义为集成电路的幅员。义为集成电路的幅员。n幅员要求与对应电路严厉匹配，具有完全幅员要求与对应电路严厉匹配，具有完全一样的器件、端口、连线一样的器件、端口、连线栅极担任施加控制电压栅极担任施加控制电压源极、漏极担源极、漏极担任电流的流进任电流的流进流出流出导电沟道导电沟道一、单个一、单个MOS管的幅员实现管的幅员实现有源区有源区栅栅导电沟道导电沟道 有源区注入杂质有源区注入杂质构成晶体管，构成晶体管， 栅与有源区重叠栅与有源区重叠的区域确定器件的区域确定器件尺寸，尺寸，称为导电沟道称为导电沟道1、图形关系、图形关系 只需源极、漏极以及导电沟道所覆盖的只需源极、漏极以及导电沟道所覆盖的区域称为有源区。区域称为有源区。 芯片中有源区以外的区域定义为场区。芯片中有源区以外的区域定义为场区。 MOS管中电流由源极流向漏极。管中电流由源极流向漏极。沟道中电流流过沟道中电流流过的间隔为沟道长度；的间隔为沟道长度；截面尺寸为沟道截面尺寸为沟道宽度。宽度。电流方向电流方