电子科技大学半导体集成电路原理复习大纲.pdf
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第 一 章 微 电 子 ： 在 电 子 电 路 和 系 统 的 超 小 型 化 和 微 型 化 过 程 中 逐 渐 形 成 和 发 展 起 来 的 学 科 集 成 电 路 ： 用 半 导 体 工 艺 把 电 路 的 有 源 器 件 、 无 源 器 件 以 及 互 连 布 线 以 相 互 不 可 分 离 的 状 态 制 作 在 半 导 体 或 绝缘 材 料 基 片 上 ， 最 后 封 装 在 一 个 管 壳 内 ， 构 成 一 个 完 整 的 、 具 有 特 定 功 能 的 电 路 、 组 件 或 系 统 集 成 度 ： 在 单 块 晶 片 上 或 单 个 封 装 中 构 成 的 IC 所 包 含 的 最 大 元 器 件 数 量 （ 包 括 有 源 器 件 和 无 源 器 件 ） 特 征 尺 寸 ： 器 件 中 最 小 线 条 宽 度 （ 最 小 线 条 宽 度 与 线 条 间 距 之 和 的 一 半 ） 摩 尔 定 律 ： 集 成 电 路 芯 片 的 集 成 度 每 两 年 增 加 一 倍 集 成 电 路 的 几 种 主 要 分 类 方 法 ： 按 照 集 成 度 的 不 同 分 类 （ SSI/MIS/LSI/VLSI/GSI） ； 按 照 电 路 功 能 和 所 处 理 信 号的 不 同 分 类 （ 数 字 IC/模 拟 IC） ； 所 采 用 的 晶 体 管 的 不 同 （ 双 极 型 IC/MOS IC） 了 解 微 电 子 集 成 电 路 技 术 的 发 展 趋 势 ： 继 续 沿 着 摩 尔 定 律 前 进 、 开 发 片 上 系 统 SOC、 研 发 量 子 器 件 和 纳 米 器 件 。
提 高 集 成 度 的 主 要 途 径 有 ： 提 高 微 细 加 工 技 术 、 增 大 芯 片 面 积 、 使 用 大 圆 片 晶 圆 、 简 化 电 路 结 构 、 IC（ integrated circuit） 、 VLSI（ very large scale-integration） 、 ULSI（ ultra large scale-integration） 、 SOC（ system-on-chip） 、 IP（ intellectual property） 、 MEMS（ micro-electronic-mechanical system） 、 CD（ criticaldimension） 、 SIP（ system in package） 定 比 例 缩 小 定 律 ： CE（ 等 比 例 缩 小 器 件 的 尺 寸 ， 增 加 跨 导 、 减 小 电 容 ， 电 源 电 压 同 时 缩 小 相 同 倍 数 ， 但 是 阈 值电 压 不 可 能 缩 得 太 小 ， 漏 源 耗 尽 区 宽 度 不 可 能 按 比 例 缩 小 ， 电 源 电 压 的 标 准 改 变 会 带 来 很 大 的 不 便 ） 、 CV（ 保持 电 源 电 压 不 变 ） 、 QCE（ 器 件 尺 寸 缩 小 K 倍 ， 而 电 源 电 压 只 缩 小 K 倍 ） 。
第 二 章 饱 和 型 逻 辑 IC： 关 态 对 应 截 止 态 ， 开 态 对 应 饱 和 态 输 出 电 平 稳 定 、 逻 辑 摆 幅 大 、 电 路 结 构 简 单 、 功 耗 较 低 、使 用 方 便 ， 但 是 饱 和 时 基 区 少 子 存 在 存 储 效 应 ， 开 关 速 度 慢 主 要 包 括 各 类 TTL 电 路 （ STTL/LSTTL/ASTTL） 非 饱 和 型 逻 辑 IC： 关 态 对 应 截 止 态 ， 开 态 对 应 线 性 区 域 无 少 子 存 储 效 应 ， 工 作 速 度 快 ， 但 是 功 耗 较 大 ， 逻 辑摆 幅 较 小 ， 电 路 结 构 复 杂 ， 主 要 包 括 ECL/CTL/NTL/DYL 电 路 集 成 NPN 晶 体 管 中 的 有 源 寄 生 效 应 ： 在 原 有 npn 上 ， 寄 生 了 一 个 pnp， npn 的 B 极 对 应 pnp 的 E 极 ， npn 的C 极 对 应 pnp 的 B 极 在 npn 处 于 饱 和 和 反 向 工 作 时 ， pnp 进 入 放 大 状 态 抑 制 措 施 ： 在 npn 集 电 区 下 面 加 设 n+埋 层 ， 增 加 基 区 宽 度 。
外 延 层 使 用 掺 金 工 艺 ， 引 入 深 能 级 杂 质 ， 降 低 少子 寿 命 使 npn 管 基 区 外 侧 和 隔 离 框 保 持 足 够 的 距 离 集 成 NPN 晶 体 管 的 无 源 寄 生 效 应 ： 寄 生 了 7 个 电 容 和 5 个 电 阻 无 源 寄 生 效 用 使 得 BJT 在 高 频 时 的 放 大 倍 数 下 降 抑 制 措 施 ： 深 n+集 电 极 接 触 ， 同 时 可 使 电 阻 rcs 降 低 、 等 平 面 隔 离 技 术 、 U 型 槽 隔 离 技 术 标 准 TTL 电 路 工 作 原 理 ： 实 际 上 是 一 个 与 非 门 电 路 4 个 特 点 ： 多 发 射 极 输 入 ， T1 对 T2 有 很 强 的 反 抽 取 作 用 ， 使 得 恢 复 时 间 减 小 ， 输 入 端 借 反 偏 二 极 管 ， 使 得 电路 抗 反 向 脉 冲 干 扰 能 力 提 高 ， 输 出 采 用 推 挽 结 构 ， 输 出 部 分 交 替 工 作 ， 相 当 于 CMOS 的 无 比 电 路 ， 功 耗 降 低 ，速 度 提 高 ， 输 出 低 电 平 时 ， T5 管 饱 和 ， 在 向 高 电 平 转 换 时 ， 基 区 少 子 存 储 电 荷 只 能 通 过 R3 泻 放 ， 上 升 时 间 较长 。
针 对 “速 度 不 够 快 ”这 一 不 足 ， 必 须 设 法 将 晶 体 管 的 BC 结 钳 位 ， 迫 使 晶 体 管 不 进 入 饱 和 区 由 此 产 生 了 非 饱 和TTL 电 路 （ STTL） 和 抗 饱 和 TTL 电 路 （ LSTTL） STTL 电 路 抗 饱 和 原 理 ： 肖 特 基 二 极 管 （ SBD） 导 通 时 主 要 靠 半 导 体 多 子 导 电 ， 高 频 特 性 好 其 电 路 的 工 作 原 理 ： 凡 是 可 能 工 作 在 饱 和 区 或 者 反 向 工 作 区 的 晶 体 管 （ 即 除 T4 管 以 外 ） 均 加 SBD 钳 位 针 对上 面 所 说 的 T5 管 泄 放 不 足 ， 专 门 构 成 了 有 源 泄 放 网 络 电 路 特 点 ： 输 入 端 SBD 钳 位 保 护 ， 抗 干 扰 能 力 增 强 由 于 有 SBD， 所 以 反 向 工 作 时 发 射 区 注 入 效 率 降 低 ， 进 而电 流 放 大 倍 数 降 低 ， 可 以 减 小 高 电 平 输 入 电 流 电 路 瞬 态 特 性 较 好 ， 速 度 快 。
电 压 传 输 特 性 中 的 转 换 区 陡 峭 电 路 整 体 抗 干 扰 能 力 降 低 ， 噪 声 容 量 有 所 降 低 LSTTL 电 路 ： 有 效 限 制 反 向 过 冲 电 压 速 度 快 、 输 入 电 流 小 、 反 向 击 穿 电 压 较 大 ， 可 将 不 同 的 输 入 端 直 接 与 VCC相 连 有 源 泄 放 网 络 的 电 流 泻 放 能 力 强 推 挽 输 出 级 AS/ALSTTL 电 路 ： 采 用 先 进 的 半 导 体 工 艺 技 术 ， 采 用 介 质 隔 离 等 平 面 工 艺 ， 减 少 面 积 ； 低 能 量 离 子 注 入 形 成 基区 ， 采 用 浅 结 扩 散 ， 尽 可 能 减 小 基 区 宽 度 ECL 逻 辑 工 作 原 理 ： 电 流 型 逻 辑 开 关 器 件 采 用 负 电 源 电 压 系 统 ， 提 高 噪 声 容 限 低 电 平 相 等 的 条 件 ： 电 阻 上 的 压 降 相 同 第 三 章 双 极 工 艺 中 的 主 要 隔 离 技 术pn 结 隔 离 技 术a. 在 衬 底 和 外 延 层 中 间 假 设 与 外 延 层 参 杂 类 型 相 同 的 埋 层 ， 可 以 降 低 rcs。
b. 集 电 极 可 以 使 用 加 磷 穿 通 扩 散 技 术 c. 对 通 隔 离 技 术 ： 先 进 行 下 隔 离 扩 散 ， 再 外 延 ， 最 后 上 隔 离 扩 散 等 平 面 隔 离 技 术 ： LOCOS， 可 缩 小 管 子 的 面 积 和 寄 生 电 容 双 极 晶 体 管 制 造 工 艺 比 较 泡 发 射 极 工 艺 ： 用 HF 漂 洗 出 发 射 极 窗 口 ， 再 进 行 扩 散 可 以 降 低 发 射 结 和 集 电 结 的 电 容 第 二 代 等 平 面 工 艺 ： 将 发 射 结 和 截 至 隔 离 墙 相 连 ， 进 一 步 减 小 器 件 尺 寸 和 寄 生 电 容 微 电 子 测 试 图 形 的 结 构 分 类 双 基 极 条 晶 体 管 图 形 ： 允 许 通 过 大 电 流 ， 积 极 电 阻 小 ， 最 高 振 荡 频 率 高 ， 但 是 面 积 大 ， 特 征 频 率 低 型 集 电 极 图 形 ： 增 大 了 集 电 极 面 积 ， 降 低 了 集 电 极 的 串 联 电 阻 ， 饱 和 压 降 小 ， 可 通 过 较 大 的 电 流 ， 一 般 作输 出 。
型 集 电 极 图 形 ： 增 大 了 电 流 流 过 的 截 面 积 ， 允 许 通 过 大 电 流 ， 减 小 趋 边 效 应 双 极 型 IC 中 的 集 成 二 极 管 横 向 PNP、 纵 向 PNP 管 的 结 构 与 特 点 BJT 和 MOSFET 的 比 较 ： 特 性 不 同 （ 工 作 区 的 定 义 不 同 ） 工 作 原 理 不 同 ： 流 控 器 件 和 压 控 器 件 运 输 机 制 不 同 与 BJT 相 比 ， MOSFET 的 参 数 离 散 性 较 大 ， 跨 导 低 ， 失 调 电 压 较 大 ， 噪 声 大 第 四 章 MOSFET 非 饱 和 时 的 电 流 公 式MOSFET 饱 和 时 的 电 流 公 式MOSFET 非 饱 和 时 的 跨 导MOSFET 饱 和 时 的 跨 导MOSFET 非 饱 和 时 的 漏 电 导MOSFET 饱 和 时 的 漏 电 导品 质 因 数 ： 沟 道 渡 越 时 间 的 倒 数 NOMS 反 相 器电 阻 负 载 反 相 器饱 和 负 载 反 相 器非 饱 和 负 载 反 相 器自 举 负 载 反 相 器E/D NMOS 反 相 器CMOS 反 相 器 晶 体 管 传 输 门 CMOS 传 输 门 三 态 输 出 缓 冲 器 CMOS 逻 辑 门 电 路 （ 设 计 ） 动 态 CMOS 电 路 （ 移 位 寄 存 器 ）准 静 态 CMOS 电 路 （ 移 位 寄 存 器 ） CMOS 变 形 电 路伪 NMOS 电 路 （ 伪 PMOS 电 路 ）钟 控 CMOS 电 路 （ C^2MOS）预 充 电 电 路 （ P-E） （ NP 逻 辑 电 路 （ 链 式 逻 辑 电 路 ） P-E 逻 辑 的 级 联 ）多 米 诺 CMOS 逻 辑 电 路 （ Domino CMOS） P-E 逻 辑 的 一 种 变 型第 五 章 MOS 集 成 中 的 寄 生 电 阻 电 容分 布 式 模 型集 总 式 模 型互 联 。
