濟南大學(xué)集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)

課程的教學(xué)目的與任務(wù):《半導(dǎo)體集成電路》是集成電路專業(yè)較重要的一門專業(yè)選修課。該課程在《電路分析》、《模擬電路》、《數(shù)字電路》、《半導(dǎo)體物理》等課程的基礎(chǔ)上，全面系統(tǒng)地介紹半導(dǎo)體集成電路的基本原理、基本電路和基本分析方法，學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，可以對半導(dǎo)體集成電路的工藝基礎(chǔ)和設(shè)計原理有全面和系統(tǒng)的掌握，為從事基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究打下基礎(chǔ)。課程的基本要求:《半導(dǎo)體集成電路》課程要求學(xué)生了解雙極性集成電路和MOS集成電路的工藝特點；掌握雙極性集成電路中TTL、ECL、I2L電路和CMOS集成電路的組成和工作原理；要求學(xué)生掌握集成電路傳統(tǒng)設(shè)計方法和近現(xiàn)代設(shè)計方法的差異以及典型的集成電路設(shè)計方法。

推薦教材：余寧梅楊媛潘銀松半導(dǎo)體集成電路科學(xué)出版社張銀堂，《現(xiàn)代半導(dǎo)體集成電路》，電子工業(yè)出版社，2009參考書目：朱正涌，《半導(dǎo)體集成電路》，清華大學(xué)出版社，2002年張延慶，《半導(dǎo)體集成電路》，上海科學(xué)技術(shù)出版社，2000年楊之廉，《超大規(guī)模集成電路設(shè)計方法學(xué)導(dǎo)論》，清華大學(xué)出版社，1999年孫潤，《Tanner集成電路設(shè)計教程》，北京希望電子出版社，2001廖裕評，陸瑞強，《TannerPro集成電路設(shè)計與布局實戰(zhàn)指導(dǎo)》，科學(xué)出版社，2008第一章集成電路器件與模型

1.1PN結(jié)與二極管導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。在半導(dǎo)體器件中最常用的是硅和鍺兩種材料，它們都是四價元素，在原子結(jié)構(gòu)中最外層軌道上有四個價電子。物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)是由價電子決定的，導(dǎo)電性能也與價電子有關(guān)，其中純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。半導(dǎo)體中存在兩種載流子，帶負(fù)電荷的自由電子和帶正電荷的空穴。晶體中的共價鍵具有很強的結(jié)合力，在熱力學(xué)零度（－273.16℃）時，價電子沒有能力脫離共價鍵的束縛，晶體中沒有自由電子，半導(dǎo)體不能導(dǎo)電。室溫下，少數(shù)價電子因熱激發(fā)而獲得足夠的能量，因而能脫離共價鍵的束縛成為自由電子，同時在原來的共價鍵中留下一個空位，稱為空穴。

空穴的概念：空穴是一個假想的粒子，在半導(dǎo)體理論及處理些半導(dǎo)體問題時，空穴與電子具有同等的重要性。（1）空穴是帶正電荷的粒子，其荷電量與電子大小相等，符號相反；（2）空穴具有正的有效質(zhì)量；（3）空穴的能量為處于同一狀態(tài)下電子能量的負(fù)值；（4）外電場作用下，空穴順著電場方向運動形成電流。

如果這時施加電場，電子將形成電子電流，空穴形成空穴電流。雖然兩種載流子的運動方向相反，但因它們所帶的電荷極性也相反，所以兩種電流的實際方向是相同的，它們的和即是半導(dǎo)體中的電流。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，但是摻入其它微量元素就會使其導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。這些微量元素的原子稱為雜質(zhì)，摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體，有N型和P型兩類。

日常所見到的半導(dǎo)體不是P型就是N型，本征半導(dǎo)體很少見到。施主雜質(zhì)：在鍺和硅半導(dǎo)體單晶中摻入第五主族元素的原子磷、砷、銻等，這些雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體材料后將占據(jù)部分原來硅鍺原子的位置，以替位式存在于半導(dǎo)體鍺和硅中。四個價電子與硅原子中的電子組成共價鍵，一個電子靠正負(fù)電荷的庫侖引力束縛，只需很小的能量便可以掙脫原子核的束縛成為晶體中自由活動的導(dǎo)電電子，即導(dǎo)帶電子。

由于第五主族的磷、砷、銻原子摻入半導(dǎo)體鍺和硅中可以向?qū)峁┮粋€電子，故稱為施主雜質(zhì)或施主。純凈的半導(dǎo)體中摻有施主雜質(zhì)，雜質(zhì)電離后，導(dǎo)帶中的電子增多，增強了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，通常把主要依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為電子型或n型半導(dǎo)體。

受主雜質(zhì)：在鍺和硅中摻入第三主族元素，硼、鋁、鎵等的原子，它們也將替代原鍺和硅原子的位置，但由于它們只有三個價電子，與周圍的四個硅（鍺）原子形成共價鍵時少一個電子，必須從別處的硅原子中奪取一個價電子形成共價鍵。于是硅的共價鍵中多出了一個空穴，而硼等原子接收一個電子后成為帶負(fù)電的硼離子。帶正電的空穴與帶負(fù)電的硼離子之間存在靜電引力，但是束縛很弱，空穴只要吸收很少的能量就能掙脫，成為可以在晶體中自由運動的導(dǎo)電空穴。因為第三主族的雜質(zhì)在鍺和硅中能接收電子而向價帶提供空穴，稱它們?yōu)槭苤麟s質(zhì)，簡稱受主。純凈的半導(dǎo)體摻入受主雜質(zhì)，受主雜質(zhì)電離后將使價帶中的空穴增多，空穴濃度超過導(dǎo)帶電子的濃度，半導(dǎo)體以空穴導(dǎo)電為主，通常把這種半導(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。

PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，指在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導(dǎo)體．另一邊形成P型半導(dǎo)體，那么在兩種半導(dǎo)體的交界面附近就形成了PN結(jié)。圖1.1PN結(jié)示意圖。

1.1.2PN結(jié)二極管基本原理PN二極管基本工作原理如下：當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，由于交界面兩側(cè)多子和少子的濃度有很大的差別，N區(qū)的電子必然向P區(qū)運動，這種由于濃度差而引起的運動稱為擴散運動。擴散到P區(qū)的電子因與空穴復(fù)合而消失，同時P區(qū)的空穴也要向N區(qū)擴散，且與N區(qū)中電子復(fù)合。這樣在交界面附近，多子的濃度驟然下降，出現(xiàn)了由不能移動的帶電離子組成的空間電荷區(qū)。具體地說，N區(qū)一側(cè)出現(xiàn)正離子區(qū)，P區(qū)一側(cè)出現(xiàn)負(fù)離子區(qū)。空間電荷區(qū)形成了一個N區(qū)指向P區(qū)的電場（稱內(nèi)建電場），隨著擴散的進(jìn)行，空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)電場加強。由于內(nèi)電場的作用是阻止多子擴散的，所以由濃度差而產(chǎn)生的多子擴散作用和由多子擴散的結(jié)果產(chǎn)生的內(nèi)電場對擴散的阻礙作用最終將達(dá)到平衡，使空間電荷區(qū)的寬度不再變化。正、負(fù)離子在交界面兩邊形成的電位差記作Φo：

其中VT為熱電壓：(1.2)T為Kelvin溫度，K為Boltzmann常數(shù)（1.38×10-23J/K），q為電子電荷（1.602×10-19C）。在室溫條件下，VT約為26mV。

當(dāng)二極管的P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源的負(fù)極，即正向偏置條件下。此時在外電場作用下，多子被推向耗盡層，結(jié)果使耗盡層變窄，內(nèi)電場被削弱，有利于多子的擴散而不利于少子的漂移。多子的擴散電流通過回路形成正向電流，耗盡層兩端的電位差變成零點幾伏，所以不大的正向電壓就可以產(chǎn)生相當(dāng)大的正向電流。此時，二極管的電壓電流關(guān)系為

其中VD為二極管的正向偏值電壓，IS稱為反向飽和電流，與二極管的結(jié)面積AD成正比。當(dāng)PN結(jié)二極管反向偏置應(yīng)用時，即P區(qū)接電源負(fù)極，N區(qū)接正極，此時外電場使耗盡層變寬，加強了內(nèi)電場，結(jié)果阻止了多子的擴散，但促使少子漂移，在回路中形成反向電流。因少子的濃度很低，并在溫度一定時少子的濃度不變，所以反向電流不僅很小，而且當(dāng)外加電壓超過零點幾伏以后，因少子供應(yīng)有限，它基本上不隨外加電壓增大而增加，即反向飽和電流IS。在反向偏置件下，耗盡層寬度與反向偏置電壓之間的關(guān)系為1.2MOS晶體管及模型1.2.1MOS晶體管基本工作原理本節(jié)以N溝道增強型MOS管為例典型NMOS的結(jié)構(gòu)示意圖。器件制作在輕摻雜的p型襯底(bulk或substrate)上，兩個重?fù)诫sn區(qū)形成源端(S)和漏端(D)，重?fù)诫s的多晶硅區(qū)（通常簡稱poly）作為柵(G)，一層薄SiO2使柵與襯底隔離。器件的有效作用就發(fā)生在柵氧下的襯底區(qū)，在這種結(jié)構(gòu)中的源和漏是對稱的。

MOS管的襯底和源極通常是接在一起的，從圖1.4可以看出，在G、S間不加電壓時，由于源漏之間有兩個背向的PN結(jié)，不存在導(dǎo)電溝道，所以在D、S間加上電壓后也不會有漏極電流。為了便于對原理的理解，下文所用結(jié)構(gòu)圖均為簡化結(jié)構(gòu)圖。圖1.5為NMOS和PMOS管的電路符號，其中(a)包含晶體管的四個端子，B端為襯底端，(c)圖在數(shù)字電路中習(xí)慣使用，而(b)圖可以明確的區(qū)分源和漏區(qū)，對于理解MOS電路的工作過程很有幫助。圖1.5MOS器件的符號

1、VGS對iD及溝道的控制作用MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數(shù)管子在出廠前已連接好)。從圖1(a)可以看出，增強型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵-源電壓VGS=0時，即使加上漏-源電壓VDS，而且不論VDS的極性如何，總有一個PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏-源極間沒有導(dǎo)電溝道，所以這時漏極電流iD≈0。

若在柵-源極間加上正向電壓，即VGS＞0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場，這個電場能排斥空穴而吸引電子，因而使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移動的受主離子(負(fù)離子)，形成耗盡層，同時P襯底中的電子（少子）被吸引到襯底表面。當(dāng)VGS數(shù)值較小，吸引電子的能力不強時，漏-源極之間仍無導(dǎo)電溝道出現(xiàn)，如圖1(b)所示。

VGS增加時，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當(dāng)VGS達(dá)到某一數(shù)值時，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個N型薄層，且與兩個N+區(qū)相連通，在漏-源極間形成N型導(dǎo)電溝道，其導(dǎo)電類型與P襯底相反，故又稱為反型層，如圖1(c)所示。VGS越大，作用于半導(dǎo)體表面的電場就越強，吸引到P襯底表面的電子就越多，導(dǎo)電溝道越厚，溝道電阻越小。我們把開始形成溝道時的柵-源極電壓稱為開啟電壓，用VT表示。1.2.2MOS晶體管大信號模型及體效應(yīng)圖1.11(a)中定義了NMOS器件的電壓、電流正方向，本節(jié)的大信號模型的推導(dǎo)均基于此定義。大信號模型的作用是在已知MOS器件的電壓后可求出該器件的漏電流。本節(jié)介紹的是NMOS器件模型，當(dāng)模型應(yīng)用于PMOS器件時，只需將所有的電壓、電流乘-1，VTHP取絕對值。

VDS對iD的影響

如圖2(a)所示，當(dāng)VGS>VT且為一確定值時，漏-源電壓VDS對導(dǎo)電溝道及電流iD的影響與結(jié)型場效應(yīng)管相似。漏極電流iD沿溝道產(chǎn)生的電壓降使溝道內(nèi)各點與柵極間的電壓不再相等，靠近源極一端的電壓最大，這里溝道最厚，而漏極一端電壓最小，其值為VGD=VGS-VDS，因而這里溝道最薄。但當(dāng)VDS較小（VDS<VGS–VT）時，它對溝道的影響不大，這時只要VGS一定，溝道電阻幾乎也是一定的，所以iD隨VDS近似呈線性變化。

隨著VDS的增大，靠近漏極的溝道越來越薄，當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VT(或VDS=VGS-VT)時，溝道在漏極一端出現(xiàn)預(yù)夾斷，如圖2(b)所示。

再繼續(xù)增大VDS，夾斷點將向源極方向移動，如圖2(c)所示。由于VDS的增加部分幾乎全部降落在夾斷區(qū)，故iD幾乎不隨VDS增大而增加，管子進(jìn)入飽和區(qū)，iD幾乎僅由VGS決定。

其中μ0為N溝道表面遷移率(cm2/V?S)，Cox＝εox/tox為柵氧單位面積電容(F/cm2)，W、L分別為有效溝道寬度和長度。

1.2.3MOS晶體管小信號模型小信號模型是工作點附近的大信號模型的近似，由于在許多模擬電路中MOS管偏置在飽和區(qū)，因此這里給出其相應(yīng)的小信號模型。我們通過在偏置點上產(chǎn)生一個小增量，并計算它所引起的其他參數(shù)的增量來得到小信號模型，如圖1.15所示：

由于漏極電流是柵源電壓的函數(shù)，因此圖1.15(a)引入gmVGS的壓控電流源，其中，gm為跨導(dǎo)，表示電壓轉(zhuǎn)換為電流的能力，其飽和區(qū)表達(dá)式為：(1.21)

圖1.15(b)中，用電阻r0表示了溝道長度調(diào)制效應(yīng)由于襯底電勢影響閾值電壓，從而影響柵源過驅(qū)動電壓(VGS-VTH)，因此在圖1.15(c)中，用獨立的電流源gmbVBS表示了體效應(yīng)，在飽和區(qū)gmb為：其中η＝gmb/gm。(1.24)

1.2.5MOS晶體管的短溝道效應(yīng)隨著器件尺寸的減小，器件的特征尺寸已經(jīng)進(jìn)入亞微米、深亞微米，導(dǎo)致各種高場效應(yīng)在中反型（弱反型和強反型間）時就占主導(dǎo)地位，這些效應(yīng)包括速度飽和、閾值電壓降低和熱載流子效應(yīng)等。其中基本的效應(yīng)是速度飽和效應(yīng)，由公式ν＝μE，可知電場E的增大將導(dǎo)致速度ν的增加，但由于高能聲子散射，載流子速度最終不再隨電場變化。在硅中，當(dāng)電場約為106V/m時，電子漂移速度對電場強度的依賴程度降低，最終在溝道中某一點，載流子的速度將達(dá)到飽和值(νsat)，約為105m