《微电子学概论》大规模集成电路基础.ppt

第三章 大规模集成电路基础,3.1半导体集成电路概述,集成电路（Intergrated Circuit，IC）将电路中的有源元件、无源元件以及它们之间的互联引线等一起制作在半导体衬底上，形成一块独立的不可分的整体电路,芯片（Chip,Die）没有封装的单个集成电路硅片（Wafer）包含成千上百个芯片的大圆硅片,集成电路的成品率：,成品率的检测，决定工艺的稳定性，成品率对集成电路厂家很重要,集成电路发展的原动力：不断提高的性能/价格比,集成电路发展的特点：性能提高、价格降低,集成度 功耗延迟积：延迟时间与功耗相乘 特征尺寸：集成电路中半导体器件的最小尺度 成品率：受制作工艺、电路设计、芯片面积、硅片材料、指标等要求影响。,主要途径：缩小器件的特征尺寸 增大硅片面积,集成电路的性能指标：,集成电路的制造过程：设计 工艺加工 测试 封装,集成电路产业的发展趋势：独立的设计公司（Design House）独立的制造厂家（标准的Foundary）,集成电路类型：数字集成电路、模拟集成电路,数字集成电路基本单元：开关管、反相器、组合逻辑门模拟集成电路基本单元：放大器、电流源、电流镜、转换器等,以场效应管为主要元件构成的集成电路称为MOS集成电路。MOS集成电路又分为数字电路和模拟电路。由于MOS集成电路尤其是CMOS集成电路具有功耗低、速度快、噪声容限大、可适应较宽的环境温度和电源电压、易集成、可按比例缩小等一系列优点，MOS集成电路发展极为迅速，CMOS集成电路更成为整个半导体集成电路的主流技术。目前CMOS技术的市场占有率超过95%，而且据预测微电子技术发展到21世纪前半叶，主流技术仍将为CMOS技术。,3.2 MOS集成电路基础,双极型 晶体管,内容回顾-2.3,构成集成电路的基本元素,n,p,n,B端,E端,C端,E,C,B,单极型 晶体管（MOSFET),内容回顾-2.4,构成集成电路的基本元素,n+,n+,P型硅基板,栅极（金属）,绝缘层（SiO2）,半导体基板,漏极,源极,MOS晶体管的动作,MOS晶体管实质上是一种使电流时而流过，时而切断的开关,n+,n+,P型硅基板,栅极（金属）,绝缘层（SiO2）,半导体基板,漏极,源极,MOS晶体管的基本结构,MOSFET的工作原理,漏极,源极,VG=0VS=0VD=0,栅极电压为零时，存储在源漏极中的电子互相隔离,VG=3.3VVS=0VD=0,栅极电压为3.3V时，表面的电位下降，形成了连接源漏的通路。,3.3V,MOSFET的工作原理 2,VG=3.3VVS=0VD=3.3V,更进一步，在漏极加上3.3V的电压，漏极的电位下降，从源极有电子流向漏极，形成电流。（电流是由漏极流向源极）,MOSFET的工作原理 3,VG=0VVS=0VVD=3.3V,漏极保持3.3V的电压，而将栅极电压恢复到0V，这时表面的电位提高，源漏间的通路被切断。,MOSFET的工作原理 4,CMOS开关,W,3.2.1 MOS数字集成电路,CMOS反相器,与非门：Y=A1A2,3.3 影响集成电路性能的因素和发展趋势,有源器件无源器件隔离区互连线钝化保护层寄生效应：电容、有源器件、电阻、电感,3.4 影响集成电路性能的因素和发展趋势,器件的门延迟：迁移率 沟道长度,电路的互连延迟：线电阻（线尺寸、电阻率）线电容（介电常数、面积）,途径：提高迁移率，如GeSi材料减小沟道长度,互连的类别：芯片内互连、芯片间互连 长线互连(Global)中等线互连 短线互连(Local),减小互连的途径：增加互连层数 增大互连线截面 Cu互连、Low K介质 多芯片模块（MCM）系统芯片（System on a chip）,减小特征尺寸、提高集成度、Cu互连、系统优化设计、SOC,