内容简介
《半导体集成电路/普通高等教育电子科学与技术类特色专业系列规划教材·国家精品课程主干教材》在简述了集成电路的基本概念、发展和面临的主要问题后·首先介绍了半导体集成电路的主要制造工艺、基本元器件的结构和工作原理;然后重点讨论了数字集成电路中的组合逻辑电路、时序逻辑电路、存储器、逻辑功能部件;最后介绍了模拟集成电路中的关键电路和数-模、模-数转换电路。
《半导体集成电路/普通高等教育电子科学与技术类特色专业系列规划教材·国家精品课程主干教材》内容系统全面,与实际紧密结合。叙述深入浅出,易于自学。为了方便教师授课,全书配有课件。
《半导体集成电路/普通高等教育电子科学与技术类特色专业系列规划教材·国家精品课程主干教材》可作为大专院校电子科学与技术和半导体专业的专业课教材,也可作为相关领域研究生和工程技术人员的参考书。
内页插图
目录
丛书序
序
前言
第1章 绪论
1.1 半导体集成电路的概念
1.1.1 半导体集成电路的基本概念
1.1.2 半导体集成电路的分类
1.2 半导体集成电路的发展过程
1.3 半导体集成电路的发展规律
1.4 半导体集成电路面临的问题
1.4.1 深亚微米集成电路设计面临的问题与挑战
1.4.2 深亚微米集成电路性能面临的问题与挑战
1.4.3 深亚微米集成电路工艺面临的问题与挑战
技术展望:摩尔定律的扩展
习题
第2章 双极集成电路中的元件形成及其寄生效应
2.1 双极集成电路的制造工艺
2.1.1 双极型晶体管的单管结构和工作原理
2.1.2 双极集成晶体管的结构与制造工艺
2.2 理想本征双极晶体管的埃伯斯一莫尔(EM)模型
2.2.1 一结两层二极管(单结晶体管)的EM模型
2.2.2 两结三层三极管(双结晶体管)的EM模型
2.2.3 三结四层三极管(多结晶体管)的EM模型
2.3 集成双极晶体管的有源寄生效应
2.3.1 npn管工作于正向工作区和截止区的情况
2.3.2 npn管工作于反向工作区的情况
2.3.3 npn管工作于饱和区的情况
2.3.4 降低寄生pnp管的方法
技术展望:SiGe异质结双极晶体管
习题
第3章 MOS集成电路中的元件形成及其寄生效应
3.1 MOSFET晶体管的制造工艺
3.1.1 MOSFET晶体管器件结构与工作原理
3.1.2 MOSFET的制造工艺
3.2 CMOS集成电路的制造工艺
3.2.1 p阱CMOS工艺
3.2.2 n阱CMOS工艺
3.2.3 双阱CMOS工艺
3.3 Bi-CMOS集成电路的制造工艺
3.3.1 以CMOS工艺为基础的Bi-CMOS工艺
3.3.2 以双极型工艺为基础的Bi-CMOS工艺
3.4 MOS集成电路中的有源寄生效应
3.4.1 场区寄生MOSFET
3.4.2 寄生双极型晶体管
3.4.3 CMOS集成电路中的闩锁效应
技术展望:绝缘体上硅(SOI)技术
习题
第4章 集成电路中的无源元件
4.1 集成电阻器
4.1.1 双极集成电路中的常用电阻
4.1.2 MOS集成电路中常用的电阻
4.2 集成电容器
4.2.1 双极集成电路中常用的集成电容器
4.2.2 MOS集成电路中常用的电容器
4.3 互连线
4.3.1 多晶硅互连线
4.3.2 扩散层连线
4.3.3 金属互连线
技术展望:铁电电容器
习题
第5章 MOS晶体管基本原理与MOS反相器电路
5.1 MOS晶体管的电学特性
5.1.1 MOS晶体管基本电流方程的导出
5.1.2 MOS晶体管I-V特性
5.1.3 MOS晶体管的阈值电压和导电特性
5.1.4 MOS晶体管的衬底偏压效应
5.1.5 MOS晶体管的二级效应
5.1.6 MOS晶体管的电容
5.2 MOS反相器
5.2.1 反相器的基本概念
5.2.2 E/R型nMOS反相器(电阻负载型MOS反相器)
5.2.3 E/E型nMOS反相器(增强型nMOS负载反相器)
5.2.4 E/D型nMOS反相器(耗尽型nMOS负载反相器)
5.2.5 CMOS反相器
技术展望:3D晶体管
习题
第6章 CMOS静态门电路
6.1 基本CMOS静态门
6.1.1 CMOS与非门
6.1.2 CMOS或非门
6.2 CMOS复合逻辑门
6.2.1 异或门
6.2.2 其他复合逻辑门
6.3 MOS管的串并联特性
6.3.1 晶体管串联的情况
6.3.2 晶体管并联的情况
6.3.3 晶体管尺寸的设计
6.4 CMOS静态门电路的功耗
6.4.1 CMOS静态逻辑门电路功耗的组成
6.4.2 降低电路功耗的方法
6.5 CMOS静态门电路的延迟
6.5.1 延迟时间的估算方法
6.5.2 缓冲器优化设计
6.6 功耗和延迟的折中
技术展望:减少短脉冲干扰信号功耗
习题
第7章 传输门逻辑和动态逻辑电路
7.1 基本的传输门
7.1.1 nMOS传输门
7.1.2 pMOS传输门
7.1.3 CMOS传输门
7.2 传输门逻辑电路
7.2.1 传输门逻辑电路举例
7.2.2 传输门逻辑的特点
7.3 基于二叉判决图BDD的传输门逻辑生成方法
7.4 基本动态CMOS逻辑电路
7.4.1 基本CMOS动态逻辑电路的工作原理
7.4.2 动态逻辑电路的优缺点
7.5 传输门隔离动态逻辑电路
7.5.1 传输门隔离动态逻辑电路工作原理
7.5.2 传输门隔离多级动态逻辑电路的时钟信号
7.5.3 多米诺逻辑
7.6 动态逻辑电路中存在的问题及解决方法
7.6.1 电荷泄漏
7.6.2 电荷共享
7.6.3 时钟馈通
7.6.4 体效应
技术展望:如何选择逻辑类型
习题
第8章 时序逻辑电路
8.1 电荷的存储机理
8.1.1 静态存储机理
8.1.2 动态存储机理
8.2 电平敏感锁存器
8.2.1 SR静态锁存器
8.2.2 时钟脉冲控制SR静态锁存器
8.2.3 CMOS静态逻辑结构D锁存器
8.2.4 基于传输门多选器的D锁存器
8.2.5 动态锁存器
8.3 边沿触发寄存器
8.3.1 寄存器的几个重要参数(建立时间、维持时间、传输时间)
8.3.2 CMOS静态主从结构寄存器
8.3.3 传输门多路开关型寄存器
8.3.4 C2MOS寄存器
8.4 其他类型寄存器
8.4.1 脉冲触发锁存器
8.4.2 灵敏放大器型寄存器
8.4.3 灵敏放大器型寄存器
8.5 带复位及使能信号的D寄存器
8.5.1 同步复位D寄存器
8.5.2 异步复位D寄存器
8.5.3 带使能信号的同步复位D寄存器
8.6 寄存器的应用及时序约束
8.6.1 计数器
8.6.2 时序电路的时序约束
技术展望:异步数字系统
习题
第9章 MOS逻辑功能部件
9.1 多路开关
9.2 加法器和进位链
9.2.1 加法器定义
9.2.2 全加器电路设计
9.2.3 进位链
9.3 算术逻辑单元
9.3.1 以传输门为主体的算术逻辑单元
9.3.2 以静态逻辑门电路为主体的算术逻辑单元
9.4 移位器
9.5 乘法器
技术展望:片上系统(SOC)技术
习题
第10章 半导体存储器
10.1 存储器概述
10.1.1 存储器的分类
10.1.2 存储器的相关性能参数
10.1.3 半导体存储器的结构
10.2 非挥发性只读存储器
10.2.1 ROM的基本存储单元
10.2.2 MOS OR和NOR型ROM
10.2.3 MOS NAND型ROM
10.2.4 预充式ROM
10.2.5 一次性可编程ROM
10.3 非挥发性读写存储器
10.3.1 可擦除可编程ROM
10.3.2 电可擦除可编程ROM
10.3.3 FLASH存储器
10.4 随机存取存储器
10.4.1 SRAM
10.4.2 DRAM
10.5 存储器外围电路
10.5.1 地址译码单元
10.5.2 灵敏放大器
10.5.3 时序和控制电路
技术展望:高密度存储器
习题
第11章 模拟集成电路基础
11.1 模拟集成电路中的特殊元件
11.1.1 MOS可变电容
11.1.2 集成双极型晶体管
11.1.3 集成MOS管
11.2 MOS晶体管及双极晶体管的小信号模型
11.2.1 MOS晶体管的小信号模型
11.2.2 双极晶体管的小信号模型
11.3 恒流源电路
11.3.1 电流源
11.3.2 电流基准电路
11.4 基准电压源电路
11.4.1 基准电压源的主要性能指标
11.4.2 带隙基准电压源的基本原理
11.5 单级放大器
11.5.1 MOS集成电路中的单级放大器
11.5.2 双极集成电路中的单级放大器
11.6 差动放大器
11.6.1 MOS差动放大器
11.6.2 双极晶体管差动放大器
技术展望:低压低功耗模拟集成电路技术
习题
第12章 D/A及A/D变换器
12.1 D/A变换器基本概念
12.1.1 D/A变换器基本原理
12.1.2 D/A变换器的分类
12.1.3 D/A变换器的技术指标
12.2 D/A变换器的基本类型
12.2.1 电流定标D/A变换器
12.2.2 电压定标D/A变换器
12.2.3 电荷定标D/A变换器
12.3 A/D变换器的基本概念
12.3.1 A/D变换器基本原理
12.3.2 A/D变换器的分类
12.3.3 A/D变换器的主要技术指标
12.4 A/D变换器的常用类型
12.4.1 积分型A/D变换器
12.4.2 逐次逼近式(SAR)A/D变换器
12.4.3 ∑-△A/D变换器
12.4.4 全并行ADC
12.4.5 流水线A/D变换器
技术展望:A/D变换器的发展方向
习题
参考文献
前言/序言
半导体集成电路作为微电子学的核心,是电子科学与技术相关专业的重要专业基础课程。半导体集成电路课程有其鲜明的特点:一是内容涉及的知识面宽,是多种知识结构的“集成物”;二是技术更新换代极快,新原理、新工艺、新产品层出不穷。课程的集成性决定了相关知识点的重复性、关联性及延伸性;技术的快速更新,对课程内容提出了不断扩展、补充的要求。
在教学过程中,相关学科知识点的简单重复,会占用大量课时,极易使学生产生“审美疲劳”,丧失学习兴趣,降低知识汲取能力,最终影响课程教学效果。如果完全抛开相关知识点的重复性,单纯讲述延伸性,又会使学生难以理解各知识点的关联性,“如坠云雾”,同样不能达到理想的效果。因此,把握知识点的重复性、关联性及延伸性三者之间的权重尺度,从半导体集成电路的视角去理解、分析相关知识内容是课程教学中需要注意的问题。
根据课程特点,结合技术发展现状,总结笔者多年课程讲义,本书将CMOS集成电路相关技术作为课程的主要内容,同时对双极集成电路在模拟电路中的运用进行了简单介绍。在每一章的开始,概括与本章内容相关的关键知识点,简要说明知识点之间的内在关联,重点讲述从集成电路的角度考虑,需要关注的课程内容、原理、特性等理论知识,力求结合实际,通俗易懂,深入浅出。为了帮助读者了解知识发展、追踪技术前沿,每章的最后给出了技术展望,并附习题。
本书可以作为教材,也可以作为科研参考书。建议教学时数为64学时,教师也可根据专业需求,适当选取内容进行安排。全书共12章,第1、5、8、10章和第7章后半部分由余宁梅编写,第2、3、4、6、9、12章和第7章前半部分由杨嫒编写,第11章由潘银松编写。北京大学微电子学院的张兴教授在百忙之中为本书作序;西安理工大学的高勇教授抽出宝贵时间对全书进行了仔细审阅,并提出有益的修改意见。
在本书编写过程中,笔者参考了大量国内外相关教材、书籍资料,主要文献已列于书后,但难免会有遗漏,在此一并表示衷心感谢。
在书稿的制图、审阅、排版等工作中,得到西安理工大学电子工程系多位研究生的大力支持,由于篇幅有限,不能一一列举,在此,对所有为本书出版提供了帮助的人们表示诚挚的谢意!
本书编写力求正确无误,但由于时间有限,不妥之处在所难免,恳请读者批评指正!
《半导体集成电路:基础理论与先进工艺》 内容简介 本书旨在为电子科学与技术专业的学生提供一个全面而深入的半导体集成电路学习体验。作为国家精品课程的主干教材,本书力求在理论深度和实践应用之间取得最佳平衡,不仅夯实学生对集成电路基本原理的理解,更引领其走向当前半导体技术的前沿。全书内容涵盖了从基本的半导体物理概念到复杂的集成电路设计与制造流程,旨在培养具有扎实理论基础和创新能力的高素质集成电路人才。 第一部分:半导体基础理论 本部分将带领读者系统回顾和深入理解支撑集成电路发展的核心半导体物理理论。 第一章 半导体材料与物理基础 晶体结构与晶格振动: 介绍硅、锗等半导体材料的晶体结构,理解其周期性排列对电子行为的影响。探讨晶格振动(声子)如何影响载流子散射和材料的热学性质。 能带理论: 深入讲解绝缘体、导体和半导体的能带结构。阐述价带、导带、禁带宽度及其对材料导电性的决定性作用。分析本征半导体的载流子产生与复合机制。 掺杂与载流子浓度: 详细介绍N型和P型掺杂的原理,包括施主和受主杂质的引入及其在能带上的能量位置。推导并解释不同温度下电子和空穴浓度的麦克斯韦-玻尔兹曼分布和费米-狄拉克分布。 载流子输运: 阐述漂移和扩散两种主要的载流子输运机制。讲解载流子迁移率的概念及其影响因素,如晶格散射、杂质散射和表面散射。介绍霍尔效应及其在测量半导体参数中的应用。 PN结理论: 深入分析PN结的形成过程,包括势垒的产生、内建电场和耗尽区的形成。详细推导PN结的正偏、反偏和零偏下的伏安特性曲线,解释其整流作用的物理机制。 第二章 半导体器件物理 二极管: 基于PN结理论,详细分析各种类型二极管的工作原理,如理想二极管模型、实际二极管的伏安特性、击穿机制(雪崩击穿和齐纳击穿)。 双极结型晶体管(BJT): 深入讲解NPN和PNP型BJT的结构、工作原理和电流放大机制。分析不同工作区域(截止、放大、饱和)下的器件特性,推导其输入输出特性曲线。讲解BJT的参数(如$alpha$, $eta$)及其影响因素,以及各种寄生效应。 场效应晶体管(FET): 结型场效应晶体管(JFET): 介绍JFET的结构和沟道导电机制,理解其通过栅极电压控制漏极电流的原理,分析其跨导特性。 金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET): 详细阐述MOSFET的结构(NMOS和PMOS)、工作原理、阈值电压的形成机制、栅极电压与沟道电流的关系。分析MOSFET在积累、耗尽和反型三种模式下的电学特性,推导其输出和转移特性曲线。重点介绍MOSFET的载流子饱和效应、沟道长度调制效应等。 其他重要器件: 简要介绍一些其他在集成电路中常用的器件,如CMOS、MISFET、光电器件(LED、光电二极管、光伏电池)等,阐述其基本原理和应用。 第二部分:集成电路设计与制造 本部分将带领读者探索集成电路从概念到实际芯片的完整流程,强调设计思维和制造工艺的相互作用。 第三章 集成电路基本概念与工艺流程 集成电路的分类: 介绍模拟集成电路、数字集成电路、混合信号集成电路以及专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)等概念。 半导体工艺流程概述: 详细介绍硅基集成电路制造的典型流程,包括晶圆制备、外延生长、氧化、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积(CVD, PVD)、金属化、互连等关键步骤。 晶圆制备与外延: 介绍单晶硅的生长方法(直拉法、区熔法),硅片切割、研磨、抛光等过程。讲解外延生长的目的、方法及其对器件性能的影响。 氧化与生长: 阐述湿氧化和干氧化的原理、特点及其在形成SiO2栅介质和隔离层中的作用。 第四章 光刻与刻蚀技术 光刻原理: 深入讲解光刻作为集成电路制造核心技术的作用。介绍接触式、接近式和投影式光刻的原理、优缺点。重点分析掩模版、光刻胶(正胶、负胶)以及曝光光源(紫外光、深紫外光、极紫外光)对分辨率的影响。 光刻工艺: 详细介绍光刻工艺的流程,包括涂胶、预烘、曝光、显影、硬烘、刻蚀后的光刻胶去除等。 刻蚀技术: 介绍干法刻蚀(等离子体刻蚀,如RIE)和湿法刻蚀的原理、特点。重点分析干法刻蚀在提高图形精度和各向异性方面的优势,讨论刻蚀的工艺窗口和选择性问题。 第五章 掺杂与薄膜技术 离子注入: 详细介绍离子注入作为掺杂的主要手段,包括离子源、加速器、扫描系统、退火等。分析剂量、能量、角度等参数对注入深度的影响,以及注入后退火的重要性。 扩散: 介绍扩散掺杂的原理,分析其在早期工艺中的应用以及在高掺杂浓度、大面积形成时的局限性。 薄膜沉积: 化学气相沉积(CVD): 讲解低压CVD(LPCVD)、等离子体增强CVD(PECVD)等方法,介绍常用沉积气体(如SiH4, NH3, SiCl4)以及它们在形成多晶硅、氮化硅、二氧化硅等薄膜中的应用。 物理气相沉积(PVD): 介绍溅射、蒸发等方法,以及它们在金属层(如Al, Cu, Ti)沉积中的应用。 金属化与互连: 介绍集成电路中的金属互连层(多晶硅、铝、铜)的作用和工艺。讲解多层金属互连技术的发展,以及通孔(Vias)和接触孔(Contacts)的形成工艺。 第六章 晶体管的制造工艺 CMOS工艺: 详细介绍CMOS器件的制造流程,包括衬底制备、阱区形成、栅极氧化、多晶硅栅沉积与掺杂、源漏区离子注入、接触孔形成、金属互连等。重点分析阱工艺、隔离技术(LOCOS, STI)对器件性能的影响。 先进CMOS工艺: 介绍先进CMOS技术中的关键创新,如应变硅(Strained Silicon)、高介电常数栅介质(High-k/Metal Gate)、多栅器件(FinFET, GAAFET)等,并解释它们如何克服短沟道效应、降低功耗。 第三部分:集成电路设计与应用 本部分将聚焦于集成电路的设计流程、常用设计工具以及典型应用,为学生提供从理论到实践的桥梁。 第七章 数字集成电路设计基础 逻辑门电路: 介绍基本逻辑门(AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR)的CMOS实现方式,分析其电路结构、功耗和延迟特性。 组合逻辑电路设计: 讲解如何使用逻辑门构建复杂的组合逻辑功能,如编码器、译码器、多路选择器、加法器等。 时序逻辑电路设计: 介绍触发器(D触发器, JK触发器)、寄存器、计数器等时序逻辑单元的原理和设计。 有限状态机(FSM): 讲解Mealy机和Moore机的概念,以及如何利用它们设计控制器。 寄存器传输级(RTL)设计: 介绍使用硬件描述语言(HDL,如Verilog或VHDL)进行数字电路设计的概念和方法。 第八章 模拟集成电路设计基础 基本模拟电路模块: 介绍差分放大器、共模抑制电路、电流镜、有源负载等基础模拟电路模块的原理和设计。 运算放大器(Op-amp): 深入分析运算放大器的结构(输入级、增益级、输出级)、性能参数(增益、带宽、压摆率、输入失调电压等)及其设计考虑。 滤波器设计: 介绍低通、高通、带通、带阻等模拟滤波器(如RC滤波器、有源滤波器)的基本原理和设计方法。 数据转换器: 简要介绍数模转换器(DAC)和模数转换器(ADC)的基本原理、分类及其在混合信号电路中的作用。 第九章 集成电路设计流程与工具 电子设计自动化(EDA): 介绍EDA工具在集成电路设计中的重要性,以及它们如何自动化和优化设计流程。 设计流程: 详细介绍集成电路设计的典型流程,包括: 需求分析与规格定义。 架构设计。 RTL设计与功能仿真。 综合(Logic Synthesis): 将HDL代码转换为门级网表。 静态时序分析(STA): 检查电路的时序是否满足要求。 布局与布线(Place & Route): 将门级网表映射到物理版图。 版图后仿真(Post-Layout Simulation): 验证物理实现后的电路性能。 可制造性设计(DFM): 考虑设计对制造过程的影响。 版图与掩模版生成。 常用EDA工具介绍: 简要介绍主流EDA工具供应商及其产品,如Cadence, Synopsys, Mentor Graphics等,以及它们在不同设计阶段使用的工具。 第十章 集成电路的可靠性与测试 集成电路的失效机理: 分析集成电路在制造和工作过程中可能出现的各种失效模式,如开路、短路、参数漂移、电迁移、热击穿、ESD(静电放电)等。 可靠性设计: 介绍在设计阶段如何考虑和减弱这些失效机理,例如通过冗余设计、合适的材料选择、器件尺寸优化等。 集成电路测试: 讲解芯片测试的重要性,包括功能测试、参数测试、在片测试(In-Situ Testing)等。介绍测试向量的生成方法(如DFT - Design for Testability)和测试设备(ATE - Automatic Test Equipment)。 结论与展望 本书在完成基础理论和设计制造工艺的学习后,将对集成电路产业的未来发展趋势进行展望,包括摩尔定律的延续与挑战、新的材料与器件技术(如碳纳米管、二维材料)、异构集成、AI芯片、量子计算等前沿领域,激励学生投身于集成电路的创新与发展。 本书力求通过清晰的阐述、丰富的图例和适量的例题,帮助读者构建一个完整的集成电路知识体系,为未来在集成电路领域的学习、研究和工作打下坚实的基础。