微電子概論與前沿技術

第1章　緒論 1
1.1　半導體器件的發展歷程 1
1.1.1 晶體管的發展歷程 1
1.1.2 半導體存儲器的發展歷程 3
1.1.3 微處理器的發展歷程 4
1.1.4 我國集成電路產業的發展歷程 6
1.2　集成電路的發展歷程 7
1.2.1 集成電路的概念 7
1.2.2 集成電路制造的流程 9
1.2.3 集成電路產業 10
1.3　微電子學的特點 11
第2章　半導體物理基礎 13
2.1　半導體的概念 13
2.1.1 半導體材料 13
2.1.2 半導體的基本類型 14
2.1.3 半導體的原子價鍵 16
2.2　半導體能帶理論 17
2.2.1 孤立原子的電子能量 17
2.2.2 自由空間和晶體的電子能量 17
2.2.3 絕緣體、半導體和導體的能帶 18
2.2.4 半導體的電子有效質量 19
2.3　半導體中的載流子分布規律 20
2.3.1 狀態密度 20
2.3.2 載流子的統計分布 22
2.3.3 導帶的電子濃度和價帶的空穴濃度 23
2.3.4 本征半導體和雜質半導體的載流子濃度 23
2.4　半導體輸運 26
2.4.1 載流子的漂移運動 26
2.4.2 摻雜濃度和溫度對遷移率和電阻率的影響 28
2.4.3 非平衡載流子和復合 30
2.4.4 載流子的擴散運動 31
2.4.5 愛因斯坦關系 32
第3章　半導體器件基礎 35
3.1　PN結 35
3.1.1 平衡狀態下的PN結 35
3.1.2 PN結的單向導電性 40
3.1.3 非平衡狀態下的PN結 40
3.1.4 PN結的擊穿 44
3.1.5 PN結的應用 46
3.2　金屬-半導體接觸 48
3.2.1 金屬-半導體接觸的能帶圖 49
3.2.2 界面態對肖特基勢壘的影響 52
3.2.3 鏡像力對肖特基勢壘的影響 53
3.2.4 金屬-半導體接觸整流理論 54
3.2.5 肖特基二極管與PN結二極管的比較 56
3.2.6 歐姆接觸 56
3.3　半導體異質結 57
3.3.1 半導體異質結的能帶結構 57
3.3.2 平衡狀態下半導體異質結的特性 61
3.3.3 半導體異質結的電流-電壓特性及註入特性 65
3.3.4 半導體異質結量子阱結構與應變異質結結構 72
3.4　雙極晶體管 74
3.4.1 雙極晶體管的基本結構 74
3.4.2 雙極晶體管的工作原理 76
3.4.3 雙極晶體管的非理想效應 79
3.4.4 雙極晶體管的擊穿特性 81
3.4.5 雙極晶體管的頻率響應 82
3.4.6 雙極晶體管的制備工藝 84
3.5　MOS管 85
3.5.1 MOS管的基本結構——MOS電容 85
3.5.2 MOS管的分類 90
3.5.3 MOS管的工作原理 91
3.5.4 MOS管的非理想效應 94
3.5.5 MOS管等比例縮小規則 98
3.5.6 CMOS工藝的簡述 99
第4章　半導體工藝 104
4.1　矽平面工藝類型 104
4.2　氧化工藝 106
4.2.1 二氧化矽薄膜的概述 106
4.2.2 矽的熱氧化 107
4.3　摻雜工藝 108
4.3.1 擴散工藝 108
4.3.2 離子註入工藝 110
4.4　半導體薄膜制備工藝 111
4.4.1 薄膜沈積 111
4.4.2 薄膜沈積的方法 112
4.4.3 半導體薄膜材料 112
4.5　外延工藝 113
4.5.1 外延生長的簡介 113
4.5.2 矽外延生長的基本原理 113
4.5.3 外延生長中的自摻雜 113
4.5.4 外延工藝的設備 114
4.6　光刻工藝與刻蝕工藝 115
4.6.1 光刻工藝與刻蝕工藝的簡介 115
4.6.2 光刻工藝的原理 115
4.6.3 光刻工藝的發展 116
4.6.4 刻蝕工藝 116
4.7　集成電路的測試技術與封裝技術 117
4.7.1 集成電路的測試技術 117
4.7.2 集成電路的封裝技術 120
第5章　集成電路設計基礎 124
5.1　集成電路的設計流程 124
5.1.1 集成電路的設計特點 124
5.1.2 模擬集成電路的設計流程 125
5.1.3 數字集成電路的設計流程 127
5.2　集成電路版圖的設計方法及設計規則 128
5.2.1 版圖的設計方法 128
5.2.2 版圖的設計規則 132
5.2.3 版圖設計中的失配問題 134
5.3　EDA工具 137
5.3.1 EDA技術的發展 137
5.3.2 集成電路設計的EDA工具 137
5.3.3 器件設計TCAD軟件 138
5.4　專用集成電路設計及SoC設計 140
5.4.1 專用集成電路設計 140
5.4.2 SoC設計 142
第6章　數字集成電路 144
6.1　組合邏輯電路 144
6.1.1 邏輯門和布爾代數 144
6.1.2 布爾代數和邏輯門的化簡 145
6.1.3 布爾代數到晶體管原理圖的轉換 146
6.2　時序邏輯電路 147
6.2.1 CMOS鎖存器 147
6.2.2 邊沿觸發的存儲元件 149
6.2.3 邊沿觸發器的時序規則 151
6.2.4 D-FF在集成電路中的應用 152
6.2.5 時鐘產生電路 153
6.3　存儲器電路 155
6.3.1 存儲器電路的結構 156
6.3.2 存儲單元 157
6.3.3 內存解碼器 158
6.3.4 讀操作 161
6.3.5 寫操作 161
6.3.6 DRAM 162
6.4　HDL與FPGA 164
6.4.1 HDL 164
6.4.2 PLC 165
6.4.3 高級可編程邏輯電路——FPGA 170

第7章　模擬集成電路 172
7.1　基本電流鏡和放大電路 172
7.1.1 簡單CMOS電流鏡 172
7.1.2 共源放大器 174
7.1.3 源極跟隨器 175
7.1.4 共柵放大器 176
7.1.5 源極負反饋的電流鏡 178
7.1.6 高輸出阻抗的電流鏡 180
7.1.7 共源共柵增益級 181
7.2　比較器 183
7.2.1 運放比較器 183
7.2.2 電荷註入效應 185
7.2.3 鎖存比較器 191
7.2.4 CMOS和BiCMOS比較器的例子 194
7.3　數字轉換器的原理 199
7.3.1 理想D/A轉換器 199
7.3.2 理想A/D轉換器 200
7.3.3 量化噪聲 201
7.3.4 符號編碼 204
7.3.5 性能限制 204
第8章　新型材料與器件 208
8.1　後摩爾器件 208
8.1.1 摩爾定律及低功耗的概念 208
8.1.2 SOI器件 210
8.1.3 FinFET 212
8.1.4 TFET 216
8.1.5 NCFET 218
8.2　二維材料及器件 220
8.2.1 二維材料的概念 220
8.2.2 二維材料的制備 222
8.2.3 二維材料器件 225
8.3　柔性電子器件 229
8.3.1 柔性電子技術的概念 229
8.3.2 柔性電子制備技術 230
8.3.3 柔性電子器件及其應用 235
第9章　微電子與光電信息 239
9.1　太陽能電池與光伏產業 239
9.1.1 太陽能 239
9.1.2 太陽能電池的基本原理 240
9.1.3 染料敏化太陽能電池 242
9.1.4 鈣鈦礦太陽能電池 244
9.2　光電探測器 247
9.2.1 光電探測器的概述 247
9.2.2 光電探測器的分類及性能參數 249
9.2.3 石墨烯光電探測器 250
9.2.4 氧化鎵光電探測器 251
9.3　發光二極管 252
9.3.1 電光源基礎知識 252
9.3.2 LED定義 253
9.3.3 LED重要參數和測試方法 255
9.4　光通信 256
9.4.1 光通信的概述 256
9.4.2 VLC系統的組成 258
第10章　微電子與航空航天 261
10.1　航空微電子系統的概述 261
10.1.1 航空電子系統 261
10.1.2 航空微電子 266
10.1.3 航空微電子的特征 269
10.1.4 航空計算系統 271
10.2　抗輻射集成電路與加固技術 275
10.2.1 抗輻射集成電路 275
10.2.2 加固技術 279
10.3　航空專用集成電路 285
10.3.1 存儲器 285
10.3.2 核心處理器 287
10.3.3 協處理器 288

第11章　微電子與智能生物 292
11.1　神經形態器件與人工智能芯片 292
11.2　智能生物傳感器 294
11.2.1 生物傳感器 294
11.2.2 智能可穿戴生物傳感器的應用 296
11.3　微流控芯片技術 298
11.3.1 基於微流控的即時診斷 298
11.3.2 細胞操控和材料合成微流控芯片 299
參考文獻 302