认识集成电路和微电子学

一、什么是集成电路

集成电路就是指半导体集成电路，即以半导体晶体材料为基片，经加工制造，将元件、有源器件和互连线集成在基片内部、表面或基片之上，执行某种电子功能的微型化电路，如图1-1所示，为集成电路的外形图。

微型化电路包括集成电路、厚膜电路、薄膜电路和混合型微型电路等多种形式。微型化电路也简称微电路。

单片集成电路指的是用一块半导体单晶片为基片，通常是硅（Si）或化合物半导体（如砷化镓（GaAs））制成的集成电路。

本书所讨论的集成电路实际是专指单片集成电路，在本书后续内容中，集成电路一词之前不再加单片两字。

图1-1　集成电路

集成电路的发明开创了将有源器件与某些元件集于一体的新阶段，使传统电子器件的概念发生了质的变化。这种新型的封装好的器件不仅具有体积很小、功耗很低的优势，而且具有独立的电路功能，甚至可具有某种系统功能。

集成电路的发明使电子学进入了微电子学时期，是电子学发展史上的一次重大飞跃。

二、什么是微电子学

微电子学是研究电子在半导体和集成电路中的物理现象、物理规律，并致力于这些物理现象、物理规律的应用，包括器件物理、器件结构、材料制备、集成工艺、电路与系统设计、自动测试以及封装、组装等一系列的理论和技术问题。微电子学研究的对象除了集成电路以外，还包括集成光电子器件、集成超导器件等。

如果有的读者到目前为止还没有见过集成电路，那么您可以打开PC机的主机箱，计算机主板上有各种各样的集成电路块，包括CPU、存储器、各种接口电路等，这些都是已经封装好了的集成电路。如果打开这些集成电路的封盖，可以看到在管壳内有一片微小的硅片，称之为芯片（英文名为die或chip）。在通常环境下，人们把已封装好的集成电路也叫做芯片。

想要用肉眼看清楚芯片上的图形几乎是不可能的，只有在高倍显微镜下才能观察它们的细节。芯片上这些线条和图形的集合，被称之为版图（layout）。版图所包含的线条和图形就是为了实现器件、元件和互连线而专门设计和制作的。

那么集成电路的能力有多强大呢？现以较早的1兆位（1Mb）只读存储器（ROM）为例，它采用1.5μm的工艺技术，集成了106万个晶体管，其芯片面积为5mm×5.6mm。一个1Mb只读存储器包含有220位，即1 048 576位。如果一个汉字用16×16点阵（即256位）来进行存储的话，一块1Mb只读存储器就足以存储4 000多个汉字。用两块这样的1Mb只读存储器就不仅可以存储我国标准二级汉字库所规定的7 000个汉字，还有多余的存储单元可以用来存储一些阿拉伯字母和其他符号。

三、集成电路的诞生

从人类发现半导体效应到集成电路的诞生经历了80多年的时间。1875年科学家第一次发现硒（selenium）具有整流作用和光电效应；1906年科学家提出了用硅（silicon）作为无线电波的检波器。1935年，硒整流器、硒光探测器和硅点接触二极管已相继在市场上出现。第二次世界大战期间，雷达技术获得了快速发展，这就使得硅和锗成为了研究重点，因为它们最适合用来制造雷达检测电路中的混频器和检波二极管。工业界开始致力于开发高纯硅和锗的生产技术。

1.集成电路发明的材料基础

绝对纯的硅晶体（通常被称为本征硅）在室温下基本是绝缘体，其电阻率约为2.5×105Ω·cm。但当硅中掺入元素周期表中的V族元素，如磷、砷、锑时，硅中就产生了能在晶体中自由运动的电子，这些自由电子在没有外加电场时能够凭借热能而随机运动，而施加电压后就会产生电流。这些V族元素通常被称为施主元素（donor），而掺有V族元素的硅就成为N型硅。而当硅晶体中掺入Ⅲ族元素（通常称为受主元素（acceptor）），例如镓、硼时，它将吸引硅原子中的一个电子，而硅原子中留下的空位也可以在晶体中自由移动，其行为非常像一个自由电子，只不过空穴携带的是正电荷。这种自由移动的空位常称为正空穴（positive hole），简称空穴。当施加电压后，空穴同样会产生电流，只是其电流的方向与电子电流方向相反。这种掺有III族元素的硅晶体被称为P型硅。N型硅中电子和P型硅中空穴的运动方向正好相反，如图1-2所示。

图1-2　P型硅、N型硅及电流方向

当P型硅和N型硅相互接触时，硅晶体中就形成了一个PN结（junction）。PN结具有一系列特性，其中最重要的特性就是单向导电性。在PN结的P型部分上加正电压而N型部分上加负电压时，该PN结上可以流过很大的电流，达到毫安量级（称正向电流），并且PN结上只有很小的正向压降（约为0.65V）。当外电压极性相反时，PN结上流过的电流就非常小，通常为微安量级（称反向电流），而反向电压可以加得很大，达到几十伏至几百伏。

2.晶体管的发明

第二次世界大战以后，在美国贝尔实验室（Bell Lab），由威廉·肖克莱（William Shockley）领导的一个小组展开了对固体物理学的研究。在1947年12月23日，研究小组成员约翰·巴丁（John Bardean）和沃尔特·布拉顿（Walter Brattain）在研究半导体材料锗的表面特性的过程中，“不经意间”发明了点接触式三极管，这是世界上的第一个晶体三极管。图1-3为三极管的发明者，图1-4为他们发明的世界上第一个晶体管，它具有电流放大的功效。1948年7月他们正式将此项发明公之于众。受限于当时的工艺条件，这种点接触式三极管的性能比较差，工作不稳定，但它毕竟标志着电子工业从电子管时代进入了晶体管时代。上述三人也因此项重大发明而获得1956年的诺贝尔物理奖。

图1-3　晶体管的发明人

图1-4　第一个晶体管

在发明点接触式晶体管的基础上，威廉·肖克莱（William Shockley）于1949年又提出了性能更好的结型晶体管的理论模型。结型晶体管的结构就是把两个PN结相背并使它们共用一个很窄的N区（称为基区），从而形成PNP结构的晶体管，其三个端分别称为发射极E（emitter）、基极B（base）和集电极C（collector）。1950年依据理论模型，成功制造出了结型晶体管。与点接触晶体管相比，结型晶体管具有结构简单、性能好、可靠性高、噪声小等优点，并且特别适合于大批量生产，因此迅速得到了大规模应用。在晶体管其后的发展历程中，虽然出现了各种不同的结构形式，但双极型晶体管的基本理论并未发生根本变化。(www.xing528.com)

1952年肖克莱发明了生长型晶体管，其结构特点是在晶体生长过程中形成NPN晶体管。生长型晶体管生长工艺的示意图见图1-5。同年萨拜（Saby）提出了合金结结型晶体管，其结构特点是将铟球放置在锗片的两边，在高温下熔解锗而形成两个PN结。合金结结型晶体管具体工艺过程见图1-6。1954年贝尔实验室提出了采用气相扩散方法制备台面型结型晶体管，生产工艺过程如图1-7所示。

但是上述3种工艺所制造出来的晶体管都有一个共同的严重缺陷，即它们的PN结都暴露在半导体的表面，因而会造成PN结漏电。虽然采用各种不同的涂敷物来减少漏电，但效果都不理想。

图1-5　生长型晶体管示意图

a-晶体被切为一半用于检测；b-从晶体中部切割成薄片，它含有发射区、基区以及集电区；c-将薄片再切割成条状（典型尺寸为0.76mm×0.76mm×3.8mm）；d-基区接触是把铝丝熔在硅上而形成与基区的欧姆接触

1960年10月硅平面型结型晶体管的出现标志着当代集成电路制造技术获得了关键性进步，硅平面型结型晶体管有效地解决了PN结的保护问题。通过设法在硅的表面“就地”生长出一层二氧化硅层，PN结就被掩藏在热生长出的二氧化硅层的下面，硅平面型结型晶体管具体生产工艺过程如图1-8所示。引入平面工艺后，晶体管的可靠性得到了极大提高，成品率也明显有了改进，再加上硅材料具有本征半导体高温特性，这些优点都是锗器件不具备的，此后锗器件的生产开始衰退，当代集成电路也不再采用锗材料作为主要材料。

图1-6　合金结结型晶体管示意图

a-在室温时的状态；b-在156℃，铟开始融化；c-在550℃时铟融入锗内；d-在冷却时，掺有铟的锗再生长，因而形成集电极-基区结和发射极-基区结

图1-7　台面型结型晶体管示意图

图1-8　硅平面型结型晶体管示意图

3.集成电路的发明

在集成电路发明以前，所有的电子线路需要将晶体管、二极管、电阻、电容、电感等分立电子元件按一定要求用导线连接而成。虽然采用了简化制造、增加封装密度、增多印刷电路板的层数等改进措施，但基本设计与生产思路仍必须是先制造分立的元器件，再把独立封装的分立元器件连接在一起构成电路。

革命性的变化发生在晶体管发明以后不到5年，英国皇家雷达研究所的杜默（G.W.A.Dummer）于1952年5月在美国工程师协会的一次座谈会上发表的论文中首次提出了集成电路的理论设想，该文中说道：“可以想象，随着晶体管和一般半导体工业的发展，电子设备可以在一个固体块上实现，而不再需要连接线。这种固体块可以由绝缘体、导体、整流、放大等材料层构成。”

1958年9月美国的杰克·基尔比（Jack Kilby）将集成电路由理论变为现实，他发明了第一个锗集成电路（Germanium integrated circuit），如图1-9所示。1960年3月基尔比所在的德州仪器公司（Texas Instrument Inc.）正式发布了人类首个集成电路产品（TIType 502），该产品是一种多谐振荡器，能够用作二进制计数器、移位寄存器等。它包括2个晶体管、4个二极管、6个电阻和4个电容，全部器件封装在0.25英寸×0.12英寸的管壳内，厚度为0.03英寸。集成电路产品的发明掀开了半导体科学与技术史上全新的篇章。基尔比也由于做出了划时代的贡献而获得了2000年的诺贝尔物理奖。

与基尔比同一时代，另两位科学家也对集成电路诞生做出了杰出贡献。一位是库尔特·莱霍维克（Kurt Lehovec），1959年4月他提出了用PN结来隔离集成电路中的各个晶体管和其他元件，解决了集成电路制造工艺中的一个关键问题。另一位是美国仙童公司（Fairchild Semiconductor）的罗伯特·诺意斯（Robert Nocye），1959年7月他提出了用平面工艺来制作硅集成电路，并在氧化膜上制作互连线的方法，如图1-10所示。他们的方案奠定了如今半导体集成电路的技术基础。正是通过硅平面工艺技术并采用PN结作为器件隔离，单片集成电路才得以在工业上实现规模化生产。

图1-9　基尔比发明的第一块集成电路

图1-10　第一块商用集成电路

4.MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）的发明

另外一件在集成电路发展史上有重要影响的事件是，1960年美国贝尔实验室宣布发明了具备实用性的金属-氧化物-半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET）。MOSFET的结构与结型晶体管不同，有漏极D（drain）、源极S（source）和栅极G（gate），结构见图1-11，其中图（a）为N沟型，图（b）为P沟型。MOSFET栅极的尺寸通常被称为MOS集成电路的特征尺寸（feature size）。MOSFET的工作原理也与结型晶体管不同，在结型晶体管中有两种载流子（即电子与空穴）同时起作用，而在MOSFET中只有一种载流子（电子或空穴）对电流传输起主要作用。因此结型晶体管被称为双极晶体管（bipolar junction transistor，BJT），而MOS晶体管被称为单极晶体管。1962年Wanlass、C.T.Sah制造出了第一块MOS集成电路，它包含16个N沟硅MOS晶体管，实现了MOSFET集成电路的实用化。

经过数十年的发展，目前，双极型和MOS型集成电路由于各有其特点，始终处于互相竞争、互相促进、共同发展的状态。

图1-11　MOS晶体管及其表示方法