《电工电子学（II）》课外综合阅读报告电子管与晶体管
作者：周凌寒
学号:20132342
学院：机械工程学院
时间：2015年6月20日
摘要:电子管与晶体管在我们的生活中有着不可或缺的作用。晶体管是一种半导体器件，放大器
或电控开关常用。晶体管是规范操作电脑，手机，和所有其他现代电子电路的基本构建块。电子管是一种在气密性封闭容器（一般为玻璃管）中产生电流传导，利用电场对真空中的电子流的作用以获得信号放大或振荡的电子器件。晶体二极管、晶体三极管、电子二极管、电子三极管又是这两种电子器件中的代表。
关键字：电子二极管、电子三极管、晶体二极管、晶体三极管
一、电子管与晶体管的发明及发展历程
（1）电子管电子管，是一种最早期的电信号放大器件。早期应用于电视机、收音机扩音机等电子产品中，近年来逐渐被半导体材料制作的放大器和集成电路取代。
1883年，发明大王托马斯·爱迪生正在为寻找电灯泡最佳灯丝材料，曾做过一个小小的实验。他在真空电灯泡内部碳丝附近安装了一小截铜丝，希望铜丝能阻止碳丝蒸发。但是他失败了，他无意中发现，没有连接在电路里的铜丝，却因接收到碳丝发射的热电子产生了微弱的电流。当时爱迪生正潜心研究城市电力系统，没重视这个现象。但他为这一发现申请了专利，并命名为“爱迪生效应”。
1904年，世界上第一只电子二极管在英国物理学家弗莱明的手下诞生了，这使爱迪生效应具有了实用价值。弗莱明也为此获得了这项发明的专利权。
1906年，美国发明家德福雷斯特（De Forest Lee），在二极管的灯丝和板极之间巧妙地加了一个栅板，从而发明了第一只真空三极管．
1947年，美国物理学家肖克利、巴丁和布拉顿三人合作发明了晶体管——一种三个支点的半导体固体元件。
1904年，世界上第一只电子管在英国物理学家弗莱明的手下诞生了。弗莱明为此获得了这项发明的专利权。人类第一只电子管的诞生，标志着世界从此进入了电子时代。世界上第一台计算机用1.8万只电子管，占地170m*2，重30t，耗电150kW。
（2）晶体管晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。
1947年12月，美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组，研制出一种点接触型的锗晶体管。
1939年2月,Bell实验室有一个伟大的发现,硅PN结的诞生。
1942年,普渡大学Lark_Horovitz领导的课题组中一个名叫Seymour Benzer的学生,发现锗单晶具有其它半导体所不具有的优异的整流性能。这两个发现满足了美国政府的要求,也为随后晶体管的发明打下了伏笔。
1945年二战结束，Shockley等发明的点接触晶体管成为人类微电子革命的先声。为此，Shockley为Bell递交了第一个晶体管的专利申请。最终还是获得了第一个晶体管专利的授权。
Shockley在双极型晶体管的基础上,于1952年进一步提出了单极结型晶体管的概念,即今天所说的结型晶体管。
在1954年硅晶体管发明之后,晶体管的巨大应用前景已经越来越明显。科学家的下一个目标便是如何进一步把晶体管、导线及其它器件高效地连接起来。
1961年,MOS管的诞生。1962年,在RCA器件集成研究组工作的Stanley, Heiman 和Hofstein等发现，可以通过扩散与热氧化在Si基板上形成的导电带、高阻沟道区以及氧化层绝缘层来构筑晶体管,即MOS管。
1971，年英特尔公司在创立之初,目光仍然集中在内存条上。Hoff把中央处理器的全部功能集成在一块芯片上,再加上存储器;这就是世界上的第一片微处理器—4004。
二、电子二极管与晶体二极管的区别
（1）电子二极管只具有一个阴极与一个阳极（板极）的电子管。它是靠被灯丝加热的阴极发射电子导电的。具有单向导电性能，即阳极电位高于阴极时，阴极发射的电子在电场的作用下，向阳极运动形成电子流。而阴极电压比阳极高时，电子所受到的电场力是将电子拉回阴极的，不能产生电流，一般用于整流与检波，有真空与充
气（充有惰性气体）两种电子二极管。充气二极管也可以做稳压、指示、控制之用。
（2）晶体二极管固态电子器件中的半导体两端器件。这些器件主要的特征是具有非线性的电流-电压特性。此后随着半导体材料和工艺技术的发展，利用不同的半导体材料、掺杂分布、几何结构，研制出结构种类繁多、功能用途各异的多种晶体二极管。制造材料有锗、硅及化合物半导体。晶体二极管可用来产生、控制、接收、变换、放大信号和进行能量转换等。
三、电子三极管与晶体三极管的区别
（1）电子三极管电子管的一种，是一种在气密性封闭容器（一般为玻璃管）中产生电流传导，利用电场对真空中的电子流的作用以获得信号放大或振荡的电子器件。（2）晶体三极管一种电流控制电流的半导体器件·其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关。晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。
四、电子管的优点以及电子管目前的应用场合
（1）电子管的优点1、电子管负载能力强2、线性性能优于晶体管3、工作频率高4、高频大功率领域的工作特性要比晶体管更好。
（2）目前的应用场合一些高保真的音响器材中，仍然使用低噪声、稳定系数高的电子管作为音频功率放大器件；还有某些大功率无线电发射设备，高频介质加热设备仍然使用电子管。
参考文献：
https://www.doczj.com/doc/206145387.html,/link?url=6vOD-sYDnApMi_jFVsZjdpIEwgjSG73h5jt9MpSTC oJ1Om2Bwx7D6Uz-Rm12t-0Fu74T0jiZERABgr65KKqXgq#13电子管
https://www.doczj.com/doc/206145387.html,/link?url=nyK4Oh30I5kLqqhcw4tsS3VVcyH6-TYIOMhvxwU0P sB6Uk11YqDt2kePt4oxsiUwdBaBHBxjg_3-L5OUPK6MK6bfU_1n4mrTDWEGD9PdKlC#2晶体管
集成电路发展历史以及趋势的探讨 前言 历史上第一个晶体管于60年前—1947年12月16日诞生于美国新泽西州的贝尔实验室(Bell Laboratories)。发明者威廉·肖克利(William Shockley)、约翰·巴丁(John Bardeen)和沃尔特·布拉顿(Walter Brattain)为此获得了1956年的诺贝尔物理学奖。 固态半导体(solid-state)的发明使得之后集成电路的发明成为可能。这一杰出成就为世界半导体产业的发展奠定了基础。之后的60年里，半导体技术的发展极大地提升了劳动生产力，促进了世界经济的发展，改善了人们的生活水平。 美国半导体协会(SIA)总裁乔治·斯卡利思(George Scalise)曾经说过：“60年前晶体管的发明为这个不断发展的世界带来了巨大的变革，这一历史性的里程碑式的发明，意义不容小觑。晶体管是无数电子产品的关键组成部分，而这些电子产品几乎对人类生活的各个方面都带来了革命性的变化。2007年，全世界的微电子行业为地球上每一个男人、女人和小孩各生产出9亿个晶体管—总计达6,000,000,000,000,000,000(六百亿亿)个, 产业销售额超过2570亿美元”。 回顾晶体管的发明和集成电路产业的发展历程, 我们可以看到，60年前晶体管的发明并非一个偶然事件，它是在世界一流的专业技术人才的努力下，在鼓励大胆创新的环境中，在政府的鼓励投资研发的政策支持下产生的。同时，我 们也可以看到集成电路产业从无到有并高速发展是整个业界相互合作和共同创新的结果。 1.１发现半导体技术 1833年，英国物理学家迈克尔·法拉第(Michael Faraday)在研究硫化银晶体的导电性时，发现了硫化银晶体的电导率随温度升高而增加这一“特别的现象”。这一特征正好与铜和其他金属的情况相反。迈克尔·法拉第(Michael Faraday)的这一发现使人们对半导体效应开始有了认识。1874年，德国物理学家费迪南·布劳恩(FerdinandBraun)在研究晶体和电解液的导电性质时发现电流仅能单方向通过金属探头和方铅晶体的接触点。费迪南·布劳恩(Ferdinand Braun)记录和描述了这一半导体二极管的“触点式整流效应”。基于这个发现，印度加尔各答大学总统学院物理学教授博斯爵士(Jagadis Chandra Bose)提出了把“半导体晶体整流器”用作探测无线电波的应用并申请了专利(1901年)。波兰出生的美国物理学家朱利叶(Julius Lilienfeld)在研究硫化铜半导体特性时，设想了一个三极半导体器件“场效应晶体管”，并在1926年提交了一项基于硫化铜半导体特性的三极放大器专利。在以后的几十年中，人们一直尝试着去制作这样的器件。半导体物理现象的发现，激发了人们对其理论上的研究。1931年，当时在德国做研究的英国剑桥大学物理学家艾伦·威尔逊(Alan Wilson)发表了用量子力学解释半导体基本特性的观点并出版了《半导体电子理论》。七年后，鲍里斯(Boris Davydov)(苏联)，莫特(Nevill Mott) (英国)和沃尔特(Walter Schottky) (德国)也独立地解释了半导体整流这一特性。 在20世纪30年代中期，美国贝尔实验室的电化学家拉塞尔(Russell Ohl)在研究用硅整流器件探测雷达信号时，发现硅整流器探测信号的能力随着硅晶体纯度的提高而增强. 并且，在1940年2月的一次实验中，拉塞尔(Russell Ohl)
半导体集成电路典型试题 绪论 1、什么叫半导体集成电路？ 【答案：】 通过一系列的加工工艺，将晶体管，二极管等有源器件和电阻，电容等无源元件，按一定电路互连。 集成在一块半导体基片上。封装在一个外壳内，执行特定的电路或系统功能。 2、按照半导体集成电路的集成度来分，分为哪些类型，请同时写出它们对应的英文缩写 【答案：】 小规模集成电路（SSI），中规模集成电路（MSI），大规模集成电路（VSI），超大规模集成电路（VLSI），特大规模集成电路（ULSI），巨大规模集成电路（GSI） 3、按照器件类型分，半导体集成电路分为哪几类？ 【答案：】 双极型（BJT）集成电路，单极型（MOS）集成电路，Bi-CMOS型集成电路。 4、按电路功能或信号类型分，半导体集成电路分为哪几类？ 【答案：】 数字集成电路，模拟集成电路，数模混合集成电路。 5、什么是特征尺寸？它对集成电路工艺有何影响？ 【答案：】 集成电路中半导体器件的最小尺寸如MOSFET的最小沟道长度。是衡量集成电路加工和设计水平的重要标志。它的减小使得芯片集成度的直接提高。 6、名词解释：集成度、wafer size、die size、摩尔定律？ 【答案：】 7、分析下面的电路，指出它完成的逻辑功能，说明它和一般动态组合逻辑电路的不同,分析它的工作原理。 【答案：】
该电路可以完成NAND逻辑。与一般动态组合逻辑电路相比，它增加了一个MOS管M kp，它可以解决一般动态组合逻辑电路存在的电荷分配的问题。对于一般的动态组合逻辑电路，在评估阶段，A=“H” B=“L”, 电荷被OUT处和A处的电荷分配，整体的阈值下降，可能导致OUT的输出错误。 该电路增加了一个MOS管M kp，在预充电阶段，M kp导通，对C点充电到V dd。在评估阶段，M kp 截至，不影响电路的正常输出。 8、延迟时间 【答案：】 时钟沿与输出端之间的延迟 第1章集成电路的基本制造工艺 1、四层三结的结构的双极型晶体管中隐埋层的作用 【答案：】 减小集电极串联电阻，减小寄生PNP管的影响 2、在制作晶体管的时候，衬底材料电阻率的选取对器件有何影响 【答案：】 电阻率过大将增大集电极串联电阻，扩大饱和压降，若过小耐压低，结电容增大，且外延时下推大 3、简单叙述一下pn结隔离的NPN晶体管的光刻步骤 【答案：】 第一次光刻：N+隐埋层扩散孔光刻 第二次光刻：P隔离扩散孔光刻 第三次光刻：P型基区扩散孔光刻 第四次光刻：N+发射区扩散孔光刻 第五次光刻：引线孔光刻
晶体管的诞生 1936年，在号称"工程师的摇篮"的美国麻省理工学院，一位不速客悄悄推开了博士生肖克利的房门。来者自报家门，说明他来自贝尔实验室，名叫凯利。肖克利吃了一惊，他久闻这位著名物理学家的大名。 "小伙子，愿意来贝尔实验室工作吗？"凯利快人快语，毫不掩饰自己来麻省"挖人"的意图。凯利的话使肖克利怦然心动。贝尔实验室在电子学方面开展着世界上规模最大的基础研究，发明专利的注册已达近万项之多。毕业后，肖克利毫不迟疑地打点行装，来到了新泽西。 贝尔实验室里早就有位青年人---布拉顿。布拉顿先后取得过理学硕士和哲学博士学位，从1929年起就加盟贝尔实验室。肖克利专攻理论物理，布拉顿则擅长实验物理，知识结构相得益彰，大有相见恨晚的感觉。工作之余，他们也常聚在一起"侃大山"。凡是涉及到当时电子学中的热门话题无话不谈。直到有一天，肖克利讲到一种"矿石"时，思想碰撞的火花终于引燃了"链式反应"。肖克利说："有一类晶体矿石被人们称为半导体，比如锗和硅等等，它们的导电性并不太好，但有一些很奇妙的特性，说不定哪天它们会影响到未来电子学的发展方向。"布拉顿心领神会，连连点头。 如果不是第二次世界大战爆发，肖克利和布拉顿或许更早就"挖掘"到了"珍宝"，然而，战争毕竟来临了，肖克利和布拉顿先后被派往美国海军部从事军事方面的研究，刚刚开始的半导体课题遗憾地被战火中断。 1945年，战火硝烟刚刚消散，肖克利一路风尘赶回贝尔，并带来了另一位青年科学家巴丁。巴丁是普林斯顿大学的数学物理博士，擅长固体物理学。巴丁的到来，对肖、布的后续研究如虎添翼，他渊博的学识和固体物理学专长，恰好弥补了肖克利和布拉顿知识结构的不足。贝尔实验室迅速批准固体物理学研究项目上马，凯利作为决策者在课题任务书上签署了大名。由肖克利领衔，布拉顿、巴丁等人组成的半导体小组把目光盯住了那些特殊的"矿石"。肖克利首先提出了"场效应"半导体管实验方案，然而首战失利，他们并没有发现预期的那种放大作用。 1947年的圣诞节即将来临，这天晌午时分，布拉顿和巴丁不约而同地走进实验室。在此之前，由于有巴丁固体表面态理论的指导，他俩几乎接近了成功的边缘。实验表明，只要将两根金属丝的接触点尽可能地靠近，就可能引起半导体放大电流的效果。但是，如何才能在晶体表面形成这种小于0．4毫米的触点呢？布拉顿精湛的实验技艺开始大显神威。他平稳地用刀片在三角形金箔上划了一道细痕，恰到好处地将顶角一分为二，分别接上导线，随即准确地压进锗晶体表面的选定部位。 电流表的指示清晰地显示出，他们得到了一个有放大作用的新电子器件！布拉顿和巴丁兴奋地大喊大叫起来，闻声而至的肖克利也为眼前的奇迹感到格外振奋。布拉顿在笔记本上这样写道："电压增益100，功率增益40……实验演示日期1947年12月23日下午。"作为见证者，肖克利在这本笔记上郑重地签了名。 1948年，美国专利局批准了贝尔实验室这种被命名为晶体管的发明专利。然
一切尽在掌握之中 ——从晶体管到集成电路 他们的故事已经成为传说，激励着一代又一代的工程师和掘金者。他们是半导体产业历史上最伟大的三位发明家，他们和众多天才的科学家一起，开创半导体产业历史上激动人心的“发明时代”。他们是集成电路之父，他们是硅谷的开创者，他们 改变了我们的世界。如今，他们已经全部远去，然而，他们创造的半导体产业，年产值已经超过2100亿美元，并且仍在他们开辟的大路上高速前进，为这个世界带来日新月异的变化。 1947年12月23日，在贝尔实验室科学家肖克莱、巴丁和布拉顿组成的研究小组证明了20世纪最重要的发明：第一只真正的晶体管,从此人类步入了飞速发展的电子时代。 在20世纪最初的10年，半导体材料已经开始在通信系统应 用。20世纪上半叶，在无线电爱好者中广泛流行的矿石收音收，就采用矿石这种半导体材料进行检波。同时，半导体的电学特性也在电话系统中得到了应用。 集成电路工艺突飞猛进 一朵绚丽多彩的奇葩
晶体管的发明，最早可以追溯到1929年，当时工程师利莲费尔德就已经取得一种晶体管的专利。但是，限于当时的技术水平，制造这种器件的材料达不到足够的纯度，而使这种晶体管无法制造出来。 基于电子管处理高频信号的效果不理想，人们就想办法改进矿石收音机中所用的矿石触须式检波器。在这种检波器里，有一根与半导体矿石表面相接触的金属丝，它既能让信号电流沿一个方向流动，又能阻止信号电流朝相反方向流动。在第二次世界大战爆发前夕，贝尔实验室在寻找比早期使用的方铅矿晶体性能更好的检波材料时，发现掺有某种极微量杂质的锗晶体的性能不仅优于矿石晶体，而且在某些方面比电子管整流器还要好。 在第二次世界大战期间，不少实验室在有关硅和锗材料的制造和理论研究方面，也取得了不少成绩，这就为晶体管的发明奠定了基础。 第二次世界大战结束后，为了克服电子管的局限性，贝尔实验室加紧了对固体电子器件的基础研究。肖克莱等人探讨用半导体材料制作放大器件的可能性，决定集中研究锗、硅等半导体材料。 巴丁 (左)，肖克利 (坐)和布拉顿共同发明了晶体管晶体管的发展变迁
晶体管电压调节器和集成电路电压调节器 一、概述 晶体管电压调节器是利用晶体管的开关作用，控制发电机励磁电路的通、断，在发电机转速发生变化时，调节励磁电路的电流，使发电机电压保持稳定。这种调节器没有触点，使用过程中无需保养和维护，结构简单，体积小，重量轻，目前已经逐步取代触点式调节器。 由1～2个稳压管、1～3个二极管、2～3个晶体管、若干个电阻、电容等元件组成。由印制电路板连成电路，外壳由薄而轻的铝合金制成，表面有散热片，外有三个接线柱，分别为“+“(或火线、电枢)接线柱，“-”(或搭铁)接线柱，“F”(或磁场)接线柱，分别与发电机的三个接线柱对应连接。 二、JFTl06型晶体管电压调节器 这种调节器为14V负极外搭铁，可以配用14V、750W的9管交流发电机，也适用于14V、功率小于1000W的6管发电机。调节电压为13．8～14．6V，图示为这种调节器的原理图： 1．结构 电阻R1、R2、R3构成分压器，R4和稳压管VS2构成电压敏感电路，晶体管VTl与复合连接的晶体管VT2、VT3构成两个开关电路，开关控制由VTl承担。R4、R5、R6、R7是晶体管的偏置电阻，保证晶体管正常工作。 二极管VD3构成的自感电流闭合回路，保护了VT3管。 VD2为温度补偿二极管，用来减少温度对调节器调压值的影响。
二极管VD1接在稳压管VS2之前，当交流发电机端电压过高时，能限制稳压管电流不致过大而被烧坏。当发电机端电压降低时，二极管VD1能迅速截止，保证稳压管可靠截止。 R6是正反馈电阻，用来提高VT3的导通和截止的速度，使调节电压稳定。 电容器C1和C2用来降低的开关频率，减少功率损耗。 稳压管VS1接在发电机的输出端，当负载发生变化时，使调节电压保持稳定。 2．工作原理flash动画 接通点火开关，发动机起动点火前及点火后发电机电压低于调压值时，蓄电池电压经点火开关作用在分压器两端，稳压管VS2承受反向电压。由于蓄电池电压低于调压值，反向电压低于VS2的反向击穿电压，因此，此时VS2截止，晶体管VT1也截止，“b”点电位近似于电源电位，二极管VD2承受正向电压而导通，于是晶体管VT2、VT3也导通，接通了发电机励磁绕组的电路。其电路为：蓄电池“+”→点火开关→“F1”→励磁绕组→“F2”→调节器“F”接线柱→VT3的集电极→VT3的发射极一搭铁→蓄电池“-”极。 发动机转速逐步上升，发电机转速也随之上升。当发电机电压升高到规定值时，作用在分压器“a”点的电压，即稳压管VS2承受的反向电压，超过其反向击穿电压而被反向击穿导通，晶体管VT1也导通。VTl的导通使“b”电位降低，二极管VD2承受反向电压而褂止，使VT2、VT3也截止，切断了发电机的励磁电路，励磁电流中断，发电机磁场消失，发电机电压下降。当电压下降到调压值以下时，稳压管VS2又截止，于是VTl也截止，VT2、VT3又导通，发电机电压重新升高。这样反复循环，控制励磁电路的通断，使发电机在转速变化时，能保证发电机电压保持恒定。 三、JFTl26A型晶体管调节器 JFTl26A型晶体管调节器与天津大发微型汽车的交流发电机相配套，为内搭铁式。调节器中所有电子元件均焊接在印制电路板上，印制电路总成则固定在钢板冲制的盒内，装配后，盒内注满107硅橡胶。硅橡胶固化后，可起固定元件和散热作用。调节器的引线采用接线板结构，在其盒盖上有与接线板对应的“正极”，“磁场”，“负极”字样，其电路如图所示。
摘要 集成电路广泛应用于生活生产中，对其深入了解很有必要，在此完论文中整的阐述集成电路原理及其制造工艺本报告从集成电路的最初设计制造开始讲起全面讲述了集成电路的整个发展过程制造工艺以及集成电路未来的发展前途。集成电路广泛应用于生活的各个领域，特别是超大规模集成电路应用之后，使我们的生活方式有了翻天覆地的变化。各种电器小型化智能化给我们生活带来了各种方便。所以对于电子专业了解集成电路的是发展及其制造非常有必要的。关键词集成电路半导体晶体管激光蚀刻 集成电路的前世今生 说起集成电路就必须要提到它的组成最小单位晶体管。1947 年在美国的贝尔实验室威廉·邵克雷、约翰·巴顿和沃特·布拉顿成功地制造出第一个晶体管。晶体管的出现使电子元件由原来的电子管慢慢地向晶体管转变，是电器小型化低功耗化成为了可能。20 世纪最初的10 年，通信系统已开始应用半导体材料。开始出现了由半导体材料进行检波的矿石收音机。1945 年贝尔实验室布拉顿、巴丁等人组成的半导体研究小组经过一系列的实验和观察，逐步认识到半导体中电流放大效应产生的原因。布拉顿发现，在锗片的底面接上电极，在另一面插上细针并通上电流，然后让另一根细针尽量靠近它，并通上微弱的电流，这样就会使原来的电流产生很大的变化。微弱电流少量的变化，会对另外的电流产生很大的影响，这就是“放大”作用。第一次在实验室实际验证的半导体的电流放大作用。不久之后他们制造出了能把音频信号放大100 倍的晶体管。晶体管最终被用到了集成电路上面。晶体管相对于电子管着它本身固有的优点： 1.构件没有消耗：无论多么优良的电子管，都将因阴极原子的变化和慢性漏气而逐渐老化。由于技术上的原因，晶体管制作之初也存在同样的问题。随着材料制作上的进步以及多方面的改善，晶体管的寿命一般比电子管长100 到1000 倍。2.消耗电能极少：耗电量仅为电子管的几十分之一。它不像电子管那样需要加热灯丝以产生自由电子。一台晶体管的收音机只要几节干电池就可以半年。 3.不需预热：一开机就工作。用晶体管做的收音机一开就响，晶体管电视机一开就很快出现画面。电子管设备就做不到这一点。4.结实可靠：比电子管可靠100 倍，耐冲击、耐振动，这都是电子管所无法比拟的。晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一，放热很少，可用于设计小型、复杂、可靠的电路。晶体管的制造工艺虽然精密，但工序简便，有利于提高元器件的安装密度。光有了晶体管还是不够，因为要把晶体管集成到一片半导体硅片上才能便于把电路集成把电子产品小型化。那怎么把晶体管集成呢，这便是后来出现的集成芯片。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性化。集成电路经过30 多年的发展由开始的小规模集成电路到到大规模集成电路再到现在的超大规模乃至巨大规模的集成电路，集成电路有了飞跃式的发展集成度也越来越高，从微米级别到现在的纳米级别。模拟集成电路主要是指由电容、电阻、晶体管等组成的模拟电路集成在一起用来处理模拟信号的集成电路。有许多的模拟集成电路，如运算放大器、模拟乘法器、锁相环、电源管理芯片等。模拟集成电路的主要构成电路有：放大器、滤波器、反馈 电路、基准源电路、开关电容电路等。数字集成电路是将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统。用来产生、放大和处理各种数字信号（指在时间上和幅度上离散取值的信号）。而集成电路的普及离不开因特尔公司。1968 年：罗伯特·诺
第一章 1）什么是DRAM半节距？MPU/ASIC半节距？ 答：DRAM半节距是指DRAM中位线的“线宽+间距”的一半。 MPU/ASIC半节距是指微处理器或专用集成电路中多晶硅线的“线宽+间距”的一半。 2）集成电路发展定律：集成电路的发展一直遵循着摩尔定律（芯片每8个月集成度翻一番，价格降一半） 3）金属氧化物场效应管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，简称MOSFET） 4）CMOS（Complementary MOS）集成电路：把p沟道MOS晶体管和n沟道MOS晶体管结合起来构成互补MOS 集成电路。P2 MOS晶体管比起双极晶体管结构简单、占用面积小，特别是MOS晶体管工作电流小功耗低，且便于隔离，这些优点非常有利于集成化。MOS晶体管和双极晶体管不同，工作室只有一种载流子参与导电，对NMOS是电子导电，对PMOS是空穴导电，因此，MOS晶体管又叫做单极晶体管。P19 第二章 1）掺杂作用：a通过扩散或离子注入改变材料的电阻率，或改变局部的杂质类型，形成pn结； b掺杂工艺对集成电路也是非常重要的，因为半导体的导电性能与其中的杂质类型和杂质数量及分布 密切相关； C为了避免高温过程对器件和电路性能的影响。P17 2）MOS晶体管的源区、沟道区和漏区统称为有源区，它是MOS晶体管的有效工作区。有源区以外统称为场区。 P22 3）一个MOS晶体管有4个引出端：栅极（G）、源极（S）、漏极（D）和体端即衬底（B）。 MOS管由源区、沟道区和漏区3个区域构成。 由于栅极通过二氧化硅绝缘层和其他区域隔离，MOS晶体管又叫做绝缘栅场效应晶体管。P18 4）什么是闩锁效应？P27 答：如果外界噪声或其他干扰使V out高于Vdd或低于0，则引起寄生双极晶体管Q3或Q4导通，而Q3或Q4导通又为Q1或Q2提供了基极电流，并通过Rw或Rs使Q1或Q2的发射结正偏，导致Q1或Q2导通。由于Q1和Q2交叉耦合形成正反馈回路，一旦其中有一个晶体管导通，电流将在Q1和Q2之间循环放大。若Q1和Q2的电流增益乘积大于1即β1β2>1，将使电流不断加大，最终导致电源和地之间形成极大的电流，并使电源和地之间锁定在一个很低的电压（V on+Vces），这就是闩锁效应。其中V on是双极晶体管发射结导通电压，Vces是双极晶体管饱和压降。图见P27（b） 5）防止闩锁效应的主要措施：P27 答：1减小阱区和衬底的寄生电阻Rw和Rs，合理选择阱区和衬底掺杂选度； 2降低寄生双极晶体管的增益，增大基区宽度可以降低双极晶体管的增益； 3使衬底加反向偏压； 4加保护环； 5用外延衬底； 6采用SOICMOS技术是消除闩锁效应的最有效途径。 6）CMOS版图设计规则尺寸限制：P28 1各层图形的最小尺寸即最小线宽； 2同一层次图形之间的最小间距； 3不同层次图形之间的对准容差，或叫套课间距。 第三章 1）MOS晶体管的阈值电压定义为沟道区源端半导体表面达到强反型所需要的栅压，假定源和沉底共同接地（对NMOS）。P87 阈值电压公式：Tt=V fb+2φf-Qbm/C ox; P88 公式组成：MOS结构的平带电压+栅氧化层上电压降（2倍半导体衬底的责米势）+半导体表面耗尽层上的电压降2)影响阈值电压的因素：P89 1栅电极材料，不同栅电极材料与硅衬底之间的功函数差不同。2栅氧化层，栅氧化层的质量和厚度都会影响阈值电压。3衬底掺杂浓度，提高衬底掺杂浓度，可以增大本征阈值。 3）体效应？P91 当MOS晶体管加有衬底偏压时，其阈值电压将发生变化，衬底偏压对阈值电压的影响叫做衬偏效应或体效应。 作用：对深亚微米及纳米器件则可以利用体效应实现动态阈值控制。 在电路工作时加小的正向衬底偏压，使Vt减小，电流增大，有利于提高速度。 在器件截止时，加较大的负衬底偏压，使Vt增大，减小亚阈值电流，有利于降低功耗。
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半导体 集成电路学校：西安理工大学 院系：自动化学院电子工程系专业：电子、微电 时间：秋季学期
第2章集成电路中的晶体管及 其寄生效应 ?双极晶体管的单管结构及工作原理 ?理想本征双极晶体管的EM模型 ?集成双极晶体管的有源寄生效应 ?集成双极晶体管的无源寄生效应?MOS晶体管的单管结构及工作原理?MOS集成电路中的有源寄生效应
2.1双极晶体管的单管结构及工作原理 ?双极器件：两种载流子（电子和空穴）同时参与导电 发射区N+ 集电区 N 基区 P 发 射 结 收 集 结 发射极 集 电 极 基极 B E C n p N+ 结构特点：1. 发射区掺杂浓度最大，基区次之，集电极最小 2.基区宽度很窄
N N P E C B 当发射结正偏（V BE >0)，集电结反偏（V BC <0)时，为正向工作区。 电子流 空穴流 I X I I +=)()()(21X I X I I n p e +=cbo rb p b I I X I I -+=)(1I e =I c +I b e cbo e c I I I I αα≈+=α αβ-= 1令则 b c I I β≈共基极短路电 流增益 共射极短路电 流增益
正向工作区 ?发射结正偏，发射极发射电子，在基区中扩散前进，大部分被集电极反偏结收集：( 接近于1）?具有电流放大作用： b c I I β≈e cbo e c I I I I αα≈+=α
当发射结正偏（V BE >0)，集电结也正偏（V BC >0)时(但注意，V CE 仍 大于0)，为饱和工作区。 N N P E C B 1. 发射结正偏，向基区注入电子，集电结也正偏，也向基区注入电子（远小于发射区注入的电子浓度），基区电荷明显增加（存在少子存储效应），从发射极到集电极仍存在电子扩散电流，但明显下降。 2.不再存在象正向工作区一样的电流放大作用，即 不再成立。 3. 对应饱和条件的V CE 值，称为饱和电压V CES ，其值约为0.3V ，深饱和时V CES 达0.1～0.2V 。 b c I I β≈
历史上第一个晶体管于60年前—1947年12月16日诞生于美国新泽西州的贝尔实验室(Bell Laboratories )。发明者威廉 ·肖克利(William Shockley )、约翰 ·巴丁(John Bardeen )和沃尔特 ·布拉顿(Walter Brattain )为此获得了1956年的诺贝尔物理学奖。 固态半导体(solid-state )的发明使得之后集成电路的发明成为可能。这一杰出成就为世界半导体产业的发展奠定了基础。之后的60年里，半导体技术的发展极大地提升了劳动生产力，促进了世界经济的发展，改善了人们的生活水平。美国半导体协会(SIA )总裁乔治·斯卡利思(George Scalise )曾经说过：“60年前晶体管的发明为这个不断发展的世界带来了巨大的变革，这一历史性的里程碑式的发明，意义不容小觑。晶体管是无数电子产品的关键组成部分，而这些电子产品几乎对人类生活的各个方面都带来了革命性的变化。2007年，全世界的微电子行业为地球上每一个男人、女人和小孩各生产出9亿个晶体管—总计达6,000,000,000,000,000,000(六百亿亿)个, 产业销售额超过2570亿美元”。回顾晶体管的发明和集成电路产业的发展历程, 我们可以看到，60年前晶体管的发明并非一个偶然事件，它是在世界一流的专业技术人才的努力下，在鼓励大胆创新的环境中，在政府的鼓励投资研发的政策支持下产生的。同时，我们也可以看到集成电路产业从无到有并高速发展是整个业界相互合作和共同创新的结果。 前言 SEMICONDUCTOR INDUSTRY ASSOCIATION 资料来源：美国半导体生产商协会（SIA ）