半導體集成電路:物理學工具-中文百科頻道

基本概念

1 電路的關态-指電路的輸出管處于截止工作狀态時的電路狀态，此時在輸出端可得到 VO=VOH，電路輸出高電平。

2電路的開态-指電路的輸出管處于飽和工作狀态時的電路狀态，此時在輸出端可得到 VO=VOL，電路輸出低電平。

3 電路的電壓傳輸特性-指電路的輸出電壓VO随輸入電壓VI變化而變化的性質或關系（可用曲線表示，與晶體管電壓傳輸特性相似）。

4 輸出高電平VOH-與非門電路輸入端中至少一個接低電平時的輸出電平。

5 輸出低電平VOL-與非門電路輸入端全部接高電平時的輸出電平。

6 開門電平VIHmin-為保證輸出為額定低電平時的最小輸入高電平(VON)。

7關門電平VILmax-為保證輸出為額定高電平時的最大輸入低電平(VOFF)。

8 邏輯擺幅VL-輸出電平的最大變化區間，VL=VOH-VOL。

9 過渡區寬度VW-輸出不确定區域（非靜态區域）寬度，VW=VIHmin-VILmax。

10 低電平噪聲容限VNML-輸入低電平時，所容許的最大噪聲電壓。其表達式為 VNML=VILmax-VILmin=VILmax- VOL(實用電路)。

11高電平噪聲容限VNMH-輸入高電平時，所容許的最大噪聲電壓。其表達式為 VNMH=VIHmax-VIHmin=VOH- VIHmin(實用電路)。

12 電路的帶負載能力（電路的扇出系數）-指在保證電路的正常邏輯功能時，該電路最多可驅動的同類門個數。對門電路來講，輸出有兩種穩定狀态，即應同時考慮電路開态帶負載能力和電路關态帶負載能力。

13 輸入短路電流IIL-指電路被測輸入端接地，而其它輸入端開路時，流過接地輸入端的電流。

14輸入漏電流（拉電流，高電平輸入電流，輸入交叉漏電流）IIH-指電路被測輸入端接高電平，而其它輸入端接地時，流過接高電平輸入端的電流。

15 靜态功耗-指某穩定狀态下消耗的功率，是電源電壓與電源電流之乘積。電路有兩個穩态，則有導通功耗和截止功耗，電路靜态功耗取兩者平均值，稱為平均靜态功耗。

16 瞬态延遲時間td-從輸入電壓Vi上跳到輸出電壓Vo開始下降的時間間隔。Delay-延遲。

17瞬态下降時間tf-輸出電壓Vo從高電平VOH下降到低電平VOL的時間間隔。Fall-下降。

18 瞬态存儲時間ts-從輸入電壓Vi下跳到輸出電壓Vo開始上升的時間間隔。Storage-存儲。

19 瞬态上升時間tr-輸出電壓Vo從低電平VOL上升到高電平VOH的時間間隔。Rise-上升。

20瞬态導通延遲時間tPHL-（實用電路）從輸入電壓上升沿中點到輸出電壓下降沿中點所需要的時間。

21 瞬态截止延遲時間tPLH-（實用電路）從輸入電壓下降沿中點到輸出電壓上升沿中點所需要的時間。

22 平均傳輸延遲時間tpd-為瞬态導通延遲時間tPHL和瞬态截止延遲時間tPLH的平均值，是讨論電路瞬态的實用參數。

制造與工藝

集成電路在大約5mm×5mm大小的矽片上，已集成了一台微型計算機的核心部分，包含有一萬多個元件。集成電路典型制造過程見圖1。從圖1,可以看到，已在矽片上同時制造完成了一個N+PN晶體管,一個由 P型擴散區構成的電阻和一個由N+P結電容構成的電容器,并用金屬鋁條将它們連在一起。實際上,在一個常用的直徑為75mm的矽片上（現在已發展到φ＝125mm～150 mm）将有 3000000個這樣的元件，組成幾百個電路、子系統或系統。

通過氧化、光刻、擴散或離子注入、化學氣相澱積蒸發或濺射等一系列工藝，一層一層地将整個電路的全部元件、它們的隔離以及金屬互連圖形同時制造在一個單晶片上，形成一個三維網絡。而一次又可以同時加工幾十片甚至上百片這樣的矽片，所以一批可以得到成千上萬個這樣的電路。這樣高的效率，正是集成電路能迅速發展的技術和經濟原因。

這個三維網絡可以有各種不同的電路功能和系統功能，視各層的拓撲圖形和工藝規範而定。在一定的工藝規範條件下，主要由各層拓撲圖形控制，而各層的拓撲圖形又由各次光刻掩膜版所決定。所以光刻掩膜版的設計是制造集成電路的一個關鍵。它從系統或電路的功能要求出發，按實際可能的工藝參數進行設計，并由計算機輔助來完成設計和掩膜版的制造。

在芯片制造完成後，經過檢測，然後将矽片上的芯片一個個劃下來，将性能滿足要求的芯片封裝在管殼上，即構成完整的集成電路。

由于集成電路所用的半導體材料是雜質靈敏的，它的元件和連線隻有和幾個微米線度的大小，一個電路又集中了上萬個這樣的元件，所以極微細的塵埃顆粒和微量有害雜質沾污，都可以使局部連線和元件損壞，從而使整個電路失效。因此加工集成電路，要求有潔淨的環境和純淨的材料。精細加工、潔淨環境、純淨材料構成生産和研究集成電路的特點。

曆史與發展

集成電路是随着電子裝備小型化和高可靠要求而發展起來的。它是現代科學技術的綜合結晶，追溯起來，早在第二次世界大戰期間，在陶瓷基片上制成的電阻陣列應是第一次集成化電路。晶體管發明後不久，就出現了一些鍺集成電路。但是半導體集成電路的真正發展則是在發明了平面晶體管以後。

第一個有重要意義的突破是在矽片上熱生長具有優良電絕緣性能，又能掩蔽雜質擴散的二氧化矽層。50年代中期以後，又将在印刷照相業中早已廣泛應用的光刻技術和制鏡及透鏡制造業中應用的薄膜蒸發技術引入到半導體工業中來，它們和擴散、外延等技術相結合，奠定了一整套集成電路制造工藝技術。到50年代後期，集成電路主要技術都已相繼發展和基本形成了。1958年制成了第一隻單片集成電路。與以往電子裝配相比較，在縮小體積、降低成本、提高可靠性、降低功耗、提高速度等方面，集成電路都有着巨大的優越性和潛力。所以此後的發展速度是十分驚人的。

每個半導體芯片上的元件數,即集成度,60年代到70年代初每年遞增一倍，70年代末到目前，每兩年遞增一倍。人們往往用集成度來劃分大、中、小規模集成電路。一般認為集成度在 100元件以下的稱為小規模集成電路(SSI)，主要在50年代末發展；集成度在100～1000個元件數的稱為中規模集成電路 (MSI)，主要在60年代發展；集成度在 1000～105個元件的稱為大規模集成電路(LSI)，主要在70年代發展。一個LSI往往是一個子系統。特别是在1971年微處理機問世以來，計算機設計和集成電路技術融合在一起，使整台計算機可以做在一個芯片上。

集成度在 105元件以上的一般稱為超大規模集成電路(VLSI)，主要在80年代發展。采用更先進的制造工藝技術，發展了一系列如電子束、軟X 射線曝光、離子刻蝕等精細加工技術，計算機工藝模拟和計算機輔助生産（CAP），以及計算機輔助測試(CAT)等技術。它的設計更多采用計算機輔助設計(CAD)。

集成電路和微處理機的出現不僅深刻地改變了電子技術的面貌和原有的設計理論基礎，而且成為現代科學技術的重要基礎之一。

集成電路向功能越來越大的方向發展，使整機、線路與元件、器件之間的明确界限被突破，器件問題和線路基至整機系統問題已經結合在一起，體現在一小塊矽片上，這就形成了固體物理、器件工藝與電子學三者結合的一個新領域──微電子學。

參考書目

基本資料

書名: 現代半導體集成電路

作者：楊銀堂劉簾曦

出版社：電子工業出版社

出版時間： 2009年04月

ISBN: 9787121082542

開本： 16開

定價: 28.00 元

内容簡介

《現代半導體集成電路》全面介紹了現代半導體集成電路的基礎知識、分析與設計方法。全書共分為5個部分，第一部分（第1~2章）為集成電路的基礎知識，主要介紹各種集成器件的結構和模型、集成電路的典型工藝。第二部分（第3~5章）為雙極集成電路，包括TTL、ECL及IIL邏輯門及邏輯擴展、雙極差分放大器及雙極運放電路等。第三部分（第6~8章）為CMOS數字集成電路，分為CMOS基本邏輯電路、CMOS數字子系統和現代半導體存儲器、第四部分（第9~13章）為CMOS模拟集成電路，包括基本模拟電路單元、運算放大器、開關電容電器、數據轉換器和鎖相環。

第五部分（第14~16章）為半導體集成電路設計的共性知識，介紹了集成電路的版圖設計、可靠性設計、可測性設計和SOC的設計方法學、軟硬件協同設計及仿真等。每章後面都附有習題。《現代半導體集成電路》可作為大專院校微電子學、電子科學與技術、電子信息工程等本科專業的教材，也可供有關專業的本科生，研究生和工程技術人員閱讀參考。