b模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)

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集成電路設(shè)計理論基礎(chǔ)集成電路基本工藝集成電路設(shè)計相關(guān)器件工藝集成電路版圖設(shè)計集成器件模型集成電路電路級模擬工具模擬與數(shù)字集成電路基本電路集成電路硬件描述語言集成電路器件封裝與測試集成電路設(shè)計工具第1章集成電路設(shè)計導(dǎo)論...

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【PPT】模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)

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集成電路設(shè)計導(dǎo)論1.1集成電路的發(fā)展1.2集成電路的分類1.3集成電路設(shè)計步驟1.4集成電路設(shè)計方法...集成電路設(shè)計者的知識要求集成電路是當(dāng)今人類智慧結(jié)晶的最好載體集成電路設(shè)計是一系列理論和技術(shù)的綜合.要實(shí)現(xiàn)這個...

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第1章集成電路設(shè)計導(dǎo)論1.1 集成電路的發(fā)展1.2 集成電路的分類1.3 集成電路設(shè)計步驟1.4 集成電路設(shè)計方法1.5 電子設(shè)計自動化技術(shù)概論1.6 九天系統(tǒng)綜述2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》3第2章集成電路材料、結(jié)構(gòu)與理論2.1引言2.2集成電路材料2.3半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識2.4PN結(jié)與結(jié)型二極管2.5雙極型晶體管2.6金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管MESFET2.7MOS晶體管的基本結(jié)構(gòu)與工作原理2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》42.1引言

集成電路設(shè)計者的知識要求集成電路是當(dāng)今人類智慧結(jié)晶的最好載體集成電路設(shè)計是一系列理論和技術(shù)的綜合。要實(shí)現(xiàn)這個集成，首先要對這些材料、理論、結(jié)構(gòu)、技術(shù)與工藝進(jìn)行全面而深入的理解。2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》5理論和技術(shù)的“集大成”者。集成電路具有強(qiáng)大無比的功能是由于重要的材料特性重大的理論發(fā)現(xiàn)奇特的結(jié)構(gòu)構(gòu)思巧妙的技術(shù)發(fā)明不倦的工藝實(shí)驗(yàn)。2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》62.2集成電路材料

導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體電氣系統(tǒng)主要應(yīng)用導(dǎo)體絕緣體集成電路制造應(yīng)用導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》7集成電路制造所應(yīng)用到的材料分類分類材料

電導(dǎo)率（S·cm-1）導(dǎo)體鋁、金、鎢、銅等金屬，鎳鉻等合金105半導(dǎo)體硅、鍺、砷化鎵、磷化銦、碳化鎵等

10?22~10?14

絕緣體SiO2(二氧化硅)、SiON(氮氧化硅)、Si3N4(氮化硅)等

10?9~102

2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》8鋁、金、鎢、銅等金屬和鎳鉻等合金

在集成電路工藝中的功能（1）構(gòu)成低值電阻；（2）構(gòu)成電容元件的極板；（3）構(gòu)成電感元件的繞線；（4）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；（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；（7）構(gòu)成元器件之間的互連；（8）構(gòu)成與外界焊接用的焊盤。2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》9絕緣體SiO2、SiON、Si3N4等硅的氧化物和氮化物在集成電路工藝中的功能（1）構(gòu)成電容的介質(zhì)；（2）構(gòu)成MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）器件的柵絕緣層；（3）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；（5）構(gòu)成防止表面機(jī)械損傷和化學(xué)污染的鈍化層。2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》10制作集成電路的硅、鍺等都是晶體。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，原子的最外層軌道上具有四個價電子。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(yùn)動就形成了晶體中的共價鍵結(jié)構(gòu)。2.3半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識

半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》11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。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的束縛，晶體中不存在自由運(yùn)動的電子，半導(dǎo)體是不導(dǎo)電的。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獲得了足夠的能量，躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子。同時，在共價鍵中留下相同數(shù)量的空穴?？昭ㄊ前雽?dǎo)體中特有的一種粒子（帶正電），與電子的電荷量相同。半導(dǎo)體中存在兩種載流子：帶＋q電荷的空穴和帶－q電荷的自由電子。

本征半導(dǎo)體2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》12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型半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體

雜質(zhì)半導(dǎo)體2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》13本征半導(dǎo)體硅中摻入少量的3價元素，如硼、鋁或銦等，就可以構(gòu)成P型半導(dǎo)體。3價雜質(zhì)的原子很容易接受價電子，所以稱它為

“受主雜質(zhì)”。在P型半導(dǎo)體中，空穴為多數(shù)載流子，

電子為少數(shù)載流子。

P型半導(dǎo)體2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》14本征半導(dǎo)體硅中摻入少量的5價元素，如磷、砷和銻等，就可以構(gòu)成N型半導(dǎo)體。5價雜質(zhì)的原子很容易釋放出價電子，所以稱它為“施主雜質(zhì)”。在N型半導(dǎo)體中，

電子為多數(shù)載流子，

空穴為少數(shù)載流子。N型半導(dǎo)體2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》15半導(dǎo)體的特性（1）（1）摻雜特性

摻雜可明顯改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。如室溫30℃時，在純凈鍺中摻入億分之一的雜質(zhì)，電導(dǎo)率會增加幾百倍。摻雜可控制半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，制造出各種不同的半導(dǎo)體器件。（2）熱敏特性半導(dǎo)體受熱時，其導(dǎo)電能力發(fā)生顯著的變化。利用這種效應(yīng)可制成熱敏器件。另一方面熱敏效應(yīng)會使半導(dǎo)體的熱穩(wěn)定性下降，所以由半導(dǎo)體構(gòu)成的電路中常采用溫度補(bǔ)償?shù)却胧?。?）光敏特性

光照也可改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，通常稱之為半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。利用光電效應(yīng)可以制成光敏電阻、光電晶體管、光電耦合器等。2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》16半導(dǎo)體的特性（2）（4）利用金屬與摻雜的半導(dǎo)體材料接觸，可以形成肖特基二極管和MESFET（金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）與HEMT（高電子遷移率晶體管）等器件。（5）對不同區(qū)域的半導(dǎo)體材料進(jìn)行不同類型和濃度摻雜，可以形成PN結(jié)二極管、PIN型二極管（這里I表示本征半導(dǎo)體）和PNP、NPN等各類結(jié)型晶體管。（6）利用金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，可以形成PMOS、NMOS和CMOS場效應(yīng)晶體管。2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》172.4PN結(jié)與結(jié)型二極管

PN結(jié)的形成

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型半導(dǎo)體區(qū)和N型半導(dǎo)體區(qū)，在這兩個區(qū)的交界面處就形成了下圖所示的PN結(jié)

2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》18平衡狀態(tài)下的PN結(jié)

P區(qū)中的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，在P區(qū)中留下帶負(fù)電荷的受主雜質(zhì)離子；而N區(qū)中的電子向P區(qū)擴(kuò)散，在N區(qū)中留下帶正電荷的施主雜質(zhì)離子。

由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴與N區(qū)的自由電子復(fù)合。同樣，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的自由電子與P區(qū)內(nèi)的空穴復(fù)合。于是在緊靠接觸面兩邊形成了數(shù)值相等、符號相反的一層很薄的空間電荷區(qū)，稱為耗盡層，這就是PN結(jié)。

2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》19漂移運(yùn)動和擴(kuò)散運(yùn)動（1）在耗盡區(qū)中正負(fù)離子形成了一個內(nèi)建電場ε，方向從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)。這個電場阻止擴(kuò)散運(yùn)動繼續(xù)進(jìn)行，另方面將產(chǎn)生漂移運(yùn)動，即進(jìn)入空間電荷區(qū)的空穴在內(nèi)建電場ε作用下向P區(qū)漂移，自由電子向N區(qū)漂移。2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》20漂移運(yùn)動和擴(kuò)散運(yùn)動（2）漂移運(yùn)動和擴(kuò)散運(yùn)動方向相反。在開始擴(kuò)散時，內(nèi)建電場較小，阻止擴(kuò)散的作用較小，擴(kuò)散運(yùn)動大于漂移運(yùn)動。隨著擴(kuò)散運(yùn)動的繼續(xù)進(jìn)行，內(nèi)建電場不斷增加，漂移運(yùn)動不斷增強(qiáng)，擴(kuò)散運(yùn)動不斷減弱，最后擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度相對穩(wěn)定下來，不再擴(kuò)大，一般只有零點(diǎn)幾微米至幾微米。動態(tài)平衡時，擴(kuò)散電流和漂移電流大小相等、方向相反，流過PN結(jié)的總電流為零。2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》21PN結(jié)型二極管的伏安特性

2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》22結(jié)型半導(dǎo)體二極管方程

ID

二極管的電流IS

二極管的反向飽和電流,Q

電子電荷,VD二極管外加電壓,

方向定義為P電極為正,N電極為負(fù)。K

波爾茲曼常數(shù)，T

絕對溫度。

2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》23PN結(jié)與二極管、雙極型、MOS三極管的關(guān)系PN結(jié)是半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)存在于幾乎所有種類的二極管、雙極型三極管和MOS器件之中。

2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》24肖特基結(jié)二極管

金屬與摻雜半導(dǎo)體接觸形成的肖特基結(jié)二極管金屬與半導(dǎo)體在交界處形成阻擋層，處于平衡態(tài)的阻擋層對外電路呈中性

肖特基結(jié)阻擋層具有類似PN結(jié)的伏-安特性基于GaAs（砷化鎵）和InP（磷化銦）的MESFET和HEMT器件中，其金屬柵極與溝道材料之間形成的結(jié)就屬于肖特基結(jié)。2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》25歐姆型接觸

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-半導(dǎo)體結(jié)我們希望這些結(jié)具有雙向低歐姆電阻值的導(dǎo)電特性，也就是說，這些結(jié)應(yīng)當(dāng)是歐姆型接觸

歐姆接觸通過對接觸區(qū)半導(dǎo)體的重?fù)诫s來實(shí)現(xiàn)。理論根據(jù)是：通過對半導(dǎo)體材料重?fù)诫s，使集中于半導(dǎo)體一側(cè)的結(jié)（金屬中有更大量的自由電子）變得如此之薄，以至于載流子可以容易地利用量子隧穿效應(yīng)相對自由地傳輸。

2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》262.5雙極型晶體管

雙極型晶體管的基本結(jié)構(gòu)

在半導(dǎo)體的晶體中形成兩個靠得很近的PN結(jié)可構(gòu)成雙極型晶體管。這兩個PN結(jié)將半導(dǎo)體分成三個區(qū)域，它們的排列順序可以是N-P-N或者P-N-P。前者我們稱之為NPN晶體管，后者稱之為PNP晶體管。三個區(qū)域分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，對應(yīng)引出的電極分別稱為發(fā)射極E、基極B和集電極C。E-B之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，C-B之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)。2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》27雙極型晶體管的使用特點(diǎn)一般在制作時，發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基區(qū)和集電區(qū)；基區(qū)做的很?。ㄒ晕⒚咨踔良{米計）；

集電結(jié)的面積大于發(fā)射結(jié)的面積。

因此，在使用時E、C兩個電極是不能交換的。

2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》28雙極型晶體管原理圖及符號

2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》29雙極型晶體管的四種運(yùn)用狀態(tài)發(fā)射結(jié)集電結(jié)工作狀態(tài)1正偏反偏放大2正偏正偏飽和3反偏反偏截止4反偏正偏反向2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》30放大工作狀態(tài)下雙極型晶體管的電流分配

高摻雜發(fā)射區(qū)的大量電子注入到基區(qū)，形成電子電流IE

注入到基區(qū)的電子，成為基區(qū)的非平衡少子，繼續(xù)向集電結(jié)方向擴(kuò)散

在擴(kuò)散的過程中，有少部分的電子與基區(qū)中的多子空穴復(fù)合、形成基極復(fù)合電流IB

大部分電子到達(dá)集電結(jié)邊界，并在集電結(jié)電場吸引作用下，漂移到集電區(qū)形成集電極電子電流IC

電流放大倍數(shù)：

F=IC/IB

2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》312.6金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管MESFET

在半絕緣

GaAs襯底上的N型GaAs薄層為有源層有源層上面兩側(cè)的金屬層有源層形成源極和漏極的歐姆接觸溝道中間區(qū)域上的金屬層與有源層形成柵極的肖特基接觸2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》32增強(qiáng)型和耗盡型MESFET由于肖特基勢壘的耗盡區(qū)延伸進(jìn)入有源層，使得溝道的厚度變薄。根據(jù)零偏壓情況下溝道夾斷的狀況,可形成兩種類型的MESFET：增強(qiáng)型和耗盡型。對于增強(qiáng)型MESFET，由于內(nèi)在電勢形成的耗盡區(qū)延伸到有源區(qū)的下邊界，溝道在零偏壓情況下是斷開的。而耗盡型MESFET的耗盡區(qū)只延伸到有源區(qū)的某一深度，溝道為在零偏壓情況下是開啟的。

2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》332.7

MOS晶體管的基本結(jié)構(gòu)MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）場效應(yīng)晶體管，簡稱為MOS管，其核心結(jié)構(gòu)是由導(dǎo)體、絕緣體與構(gòu)成管子襯底的摻雜半導(dǎo)體這三層材料疊在一起形成的三明治結(jié)構(gòu)這一結(jié)構(gòu)的基本作用是：在半導(dǎo)體的表面感應(yīng)出與原摻雜類型相反的載流子，形成一條導(dǎo)電溝道。根據(jù)形成導(dǎo)電溝道的載流子的類型，MOS管被分為NMOS和PMOS。

2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》34NMOS晶體管基本結(jié)構(gòu)與電路符號2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》35PMOS晶體管基本結(jié)構(gòu)與電路符號2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》36CMOS工藝所謂的CMOS則表示這樣一種工藝和電路，其中NMOS和PMOS兩種類型的MOS管制作在同一芯片上形成的電路結(jié)構(gòu)。

2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》37如果沒有任何外加偏置電壓，這時，從漏到源是兩個背對背的二極管。它們之間所能流過的電流就是二極管的反向漏電流。在柵電極下沒有導(dǎo)電溝道形成。如果把源漏和襯底接地，在柵上加一足夠高的正電壓，從靜電學(xué)的觀點(diǎn)看，這一正的柵電壓將要排斥柵下的P型襯底中的可動的空穴電荷而吸引電子。電子在表面聚集到一定濃度時，柵下的P型層將變成N型層，即呈現(xiàn)反型層。N反型層與源漏兩端的N型擴(kuò)散層連通，就形成以電子為載流子的導(dǎo)電溝道。如果漏源之間有電位差，將有電流流過。外加在柵電極上的正電壓越高，溝道區(qū)的電子濃度也越高，導(dǎo)電情況也越好。引起溝道區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)表面反型的最小柵電壓，稱為閾值電壓VT。NMOS晶體管的基本工作原理2023/9/2《模擬集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》38增強(qiáng)型和耗盡型MOS器件根據(jù)閾值電壓不同，常把MOS器件分成增強(qiáng)型和耗盡型兩種器件。對于N溝