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1、PCB与ICPCB第1页/共33页IC第2页/共33页集成电路内部构成与工作原理制造集成电路的材料有导体：含有大量自由电子，可在电压作用下自由运动，参与导电；绝缘体：没有能够参与导电的自由电子；半导体：部分电子在获得足够能量后可自由运动，参与导电。1、制造材料第3页/共33页2、半导体材料最早使用的半导体材料是由族元素组成的单质半导体材料。如硅、锗晶体。硅、锗禁带宽度很小，使其中的电子可以很容易获得能量向高能级跃迁参与导电；硅在地表中储量极大，目前仍是应用最广泛的半导体材料。第4页/共33页单质硅材料导电能力很弱，必须在其中选择性的加入少量杂质材料，提供更多自由电子。引入杂质的过程称为掺杂；掺
2、杂不同杂质，得到的半导体材料分为N型和P型材料。完美的硅晶体示意图硅晶体截面示意图第5页/共33页N型材料使用族元素为掺杂杂质，杂质的五个价电子中，四个与周围的硅结合成共价键，多余的一个价电子成为自由电子，参与导电。电子被认为带负电negative，所以这种材料被称为N 型半导体材料，掺杂的杂质称为施主。第6页/共33页第7页/共33页P型材料使用族元素为掺杂杂质，杂质的价电子与周围三个硅原子的电子结合成共价键，缺少一个形成共价键的电子，出现电子的空位，成为“空穴”。空穴被认为带正电positive，所以这种材料被称为P型半导体材料。掺杂的杂质称为受主。第8页/共33页3、PN结集成电路中的器
3、件一般由P型和N型材料构成。P型材料与N型材料接触形成PN结。PN结单向导电，只当P区电压高于N区（PN结正偏）时允许电流从P区流向N区。第9页/共33页第10页/共33页4、场效应与半导体开关场效应是指，在半导体材料附近施加不和半导体接触的电压时，则该电压会对半导体内部的电子或空穴形成吸引。利用场效应制造的晶体管被称为场效应晶体管（FET）。可以作为半导体开关。第11页/共33页例如在P型半导体附近施加正电压，电压吸引半导体内的电子并形成积累。当电子积累到一定程度，P型半导体内局部变为N型，被称为反型。第12页/共33页场效应晶体管（FET）应用最广的场效应晶体管是金属-氧化物-半导体场效应
4、管，简称MOSFET或MOS管。一般有栅（G）、源（S）、漏（D）三个电极。源漏之间被栅极覆盖的区域称为导电沟道。第13页/共33页栅极负责施加控制电压源极、漏极负责电流的流进流出导电沟道第14页/共33页根据源极、漏极掺杂类型的不同，MOS管分为NMOS和PMOS两种。n同时使用两种MOS管的集成电路称为互补型金属-氧化物-半导体，简称CMOS。PMOSNMOS第15页/共33页衬底接触CMOS电路中，MOS管源区、漏区以外的区域称为衬底。通常将PMOS管的衬底接高电位（正压）；NMOS管的衬底接低电位（负压），以保证电路正常工作第16页/共33页电路符号（a）NMOS（b）PMOS第17页
5、/共33页（a）NMOS（b）PMOS第18页/共33页（a）NMOS（b）PMOS第19页/共33页CMOS逻辑电路受栅极电压控制，由源漏电压的高低状态表示二进制。源漏电位为高，表示二进制“1”源漏电位为低，表示二进制“0”第20页/共33页MOS管反型导通条件PMOS管导通：栅极电压为低电位（负压），即逻辑“0”；NMOS管导通：栅极电压为高电位（正压），即逻辑“1”第21页/共33页反相器（非门）INOUT0110第22页/共33页与非门ABOUT00011011第23页/共33页或非门ABOUT00011011第24页/共33页先在硅表面制作一层二氧化硅；然后通过光刻，在二氧化硅上需要
6、扩散掺入杂质的区域开设窗口；最后完成掺杂和金属化等工序，完成芯片的制造。集成电路制造(平面工艺)第25页/共33页硅片氧化硅光刻胶扩散区第26页/共33页定义版图什么是版图？集成电路制造工艺中，通过光刻和刻蚀将掩膜版上的图形转移到硅片上。这种制造集成电路时使用的掩膜版上的几何图形定义为集成电路的版图。版图要求与对应电路严格匹配，具有完全相同的器件、端口、连线第27页/共33页栅极负责施加控制电压源极、漏极负责电流的流进流出导电沟道一、单个MOS管的版图实现第28页/共33页有源区栅导电沟道 有源区注入杂质形成晶体管，栅与有源区重叠的区域确定器件尺寸，称为导电沟道1、图形关系第29页/共33页 只要源极、漏极以及导电沟道所覆盖的区域称为有源区。芯片中有源区以外的区域定义为场区。第30页/共33页 MOS管中电流由源极流向漏极。沟道中电流流过的距离为沟道长度；截面尺寸为沟道宽度。电流方向沟道长度L沟道宽度W2、器件尺寸设计第31页/共33页设计中，常以宽度和长度值的比例式即宽长比（W/L）表示器件尺寸。例：假设一MOS管，尺寸参数为20/5。则在版图上应如何标注其尺寸。20/5第32页/共33页感谢您的观看。第33页/共33页