微電子學(xué)概論復(fù)習(xí)題.doc

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第一章 緒論 1.畫出集成電路設(shè)計(jì)與制造的主要流程框架。 2.集成電路分類情況如何？ 答： 3.微電子學(xué)的特點(diǎn)是什么？ 答：微電子學(xué)：電子學(xué)的一門分支學(xué)科 微電子學(xué)以實(shí)現(xiàn)電路和系統(tǒng)的集成為目的，故實(shí)用性極強(qiáng)。 微電子學(xué)中的空間尺度通常是以微米(mm, 1mm＝10－6m)和納米(nm, 1nm = 10-9m)為單位的。 微電子學(xué)是信息領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)學(xué)科 微電子學(xué)是一門綜合性很強(qiáng)的邊緣學(xué)科 涉及了固體物理學(xué)、量子力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、材料科學(xué)、電子線路、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、測試與加工、圖論、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科 微電子學(xué)是一門發(fā)展極為迅速的學(xué)科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微電子學(xué)發(fā)展的方向 微電子學(xué)的滲透性極強(qiáng)，它可以是與其他學(xué)科結(jié)合而誕生出一系列新的交叉學(xué)科，例如微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、生物芯片等 第二章 半導(dǎo)體物理和器件物理基礎(chǔ) 1.什么是半導(dǎo)體？特點(diǎn)、常用半導(dǎo)體材料 答：什么是半導(dǎo)體？ 金屬：電導(dǎo)率106～104(W?cm-1)，不含禁帶； 半導(dǎo)體：電導(dǎo)率104~10-10(W?cm-1)，含禁帶； 絕緣體：電導(dǎo)率<10-10(W?cm-1)，禁帶較寬； 半導(dǎo)體的特點(diǎn)： （1）電導(dǎo)率隨溫度上升而指數(shù)上升； （2）雜質(zhì)的種類和數(shù)量決定其電導(dǎo)率； （3）可以實(shí)現(xiàn)非均勻摻雜； （4）光輻照、高能電子注入、電場和磁場等影響其 電導(dǎo)率； 半導(dǎo)體有元素半導(dǎo)體，如：Si、Ge（鍺） 化合物半導(dǎo)體，如：GaAs（砷化鎵）、InP （磷化銦） 、ZnS 硅：地球上含量最豐富的元素之一，微電子產(chǎn)業(yè)用量最大、也是最重要的半導(dǎo)體材料。硅(原子序數(shù)14)的物理化學(xué)性質(zhì)主要由最外層四個(gè)電子（稱為價(jià)電子）決定。每個(gè)硅原子近鄰有四個(gè)硅原子，每兩個(gè)相鄰原子之間有一對電子，它們與兩個(gè)原子核都有吸引作用，稱為共價(jià)鍵。 化合物半導(dǎo)體：III族元素和V族構(gòu)成的III-V族化合物，如，GaAs(砷化鎵)，InSb(銻化銦)，GaP(磷化鎵)，InP(磷化銦)等，廣泛用于光電器件、半導(dǎo)體激光器和微波器件。 2.摻雜、施主/受主、P型/N型半導(dǎo)體（課件） 3.能帶、導(dǎo)帶、價(jià)帶、禁帶（課件） 4.半導(dǎo)體中的載流子、遷移率（課件） 5.PN結(jié)，為什么會(huì)單向?qū)щ姡蛱匦?、反向特性，PN結(jié)擊穿有幾種（課件） 6.雙極晶體管工作原理，基本結(jié)構(gòu)，直流特性（課件） 7.MOS晶體管基本結(jié)構(gòu)、工作原理、I-V方程、三個(gè)工作區(qū)的特性（課件） 8.MOS晶體管分類 答：按載流子類型分： ? NMOS: 也稱為N溝道，載流子為電子。 ? PMOS: 也稱為P溝道，載流子為空穴。 按導(dǎo)通類型分： ? 增強(qiáng)（常閉）型：必須在柵上施加電壓才能形成溝道。 ? 耗盡（常開）型：在零偏壓下存在反型層導(dǎo)電溝道，必須在柵上施加偏壓才能使溝道內(nèi)載流子耗盡的器件。 四種MOS晶體管：N溝增強(qiáng)型；N溝耗盡型；P溝增強(qiáng)型；P溝耗盡型 第三章 大規(guī)模集成電路基礎(chǔ) 1． 集成電路制造流程、特征尺寸（課件） 2． CMOS集成電路特點(diǎn)（課件） 3． MOS開關(guān)、CMOS傳輸門特性（課件） 4． CMOS反相器特性(電壓傳輸特性、PMOS和NMOS工作區(qū)域) （課件） 5． CMOS組合邏輯：基本邏輯門、復(fù)合門（課件） 6． 反相器、二輸入與非、或非門（課件） 7． 閂鎖效應(yīng)起因？（課件） 第四章 集成電路制造工藝 1． 集成電路工藝主要分為哪幾大類，每一類中包括哪些主要工藝，并簡述各工藝的主要作用 答：圖形轉(zhuǎn)換：將設(shè)計(jì)在掩膜版(類似于照相底片)上的圖形轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體單晶片上 摻雜：根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，將各種雜質(zhì)摻雜在需要的位置上，形成晶體管、接觸等 制膜：制作各種材料的薄膜 圖形轉(zhuǎn)換： ? 光刻：接觸光刻、接近光刻、投影光刻、電子束光刻 ? 刻蝕：干法刻蝕、濕發(fā)刻蝕 摻雜： ? 離子注入 退火 ? 擴(kuò)散 制膜： ? 氧化：干氧氧化、濕氧氧化等 ? CVD：APCVD、LPCVD、PECVD ? PVD：蒸發(fā)、濺射 2． 簡述光刻的工藝過程 答：光刻工序：光刻膠的涂覆→爆光→顯影→刻蝕→去膠 第五章 集成電路設(shè)計(jì) 1． 層次化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)概念，集成電路設(shè)計(jì)域和設(shè)計(jì)層次 2． 集成電路設(shè)計(jì)流程，三個(gè)設(shè)計(jì)步驟 n 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) n 邏輯和電路設(shè)計(jì) n 版圖設(shè)計(jì) 3． 模擬電路和數(shù)字電路設(shè)計(jì)各自的特點(diǎn)和流程 4． 版圖驗(yàn)證和檢查包括哪些內(nèi)容？ 5． 版圖設(shè)計(jì)規(guī)則概念，為什么需要指定版圖設(shè)計(jì)規(guī)則，版圖設(shè)計(jì)規(guī)則主要內(nèi)容以及表示方法。 6． 集成電路設(shè)計(jì)方法分類 全定制、半定制、PLD 7． 標(biāo)準(zhǔn)單元/門陣列的概念，優(yōu)點(diǎn)/缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)流程 8． PLD設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)，F(xiàn)PGA/CPLD的概念 第六章 集成電路設(shè)計(jì)的EDA系統(tǒng) 1． ICCAD主要有哪幾類，主要作用（課件） 2． VHDL語言的用途 答：VHDL的作用 VHDL是一門設(shè)計(jì)輸入語言；設(shè)計(jì)描述 VHDL是一門仿真模型語言；建模 VHDL是一門測試語言；設(shè)計(jì)驗(yàn)證 VHDL是一門網(wǎng)表語言；設(shè)計(jì)交換 VHDL可以作為文檔語言；設(shè)計(jì)合同 VHDL是一門標(biāo)準(zhǔn)語言，與EDA工具無關(guān)，與工藝無關(guān)； 3． VHDL設(shè)計(jì)要素：實(shí)體、結(jié)構(gòu)體、配置、程序包和庫，各自的概念和作用（課件） 4． VHDL并行信號(hào)賦值語句的硬件行為模型（課件） 5． VHDL描述電路的風(fēng)格 答：結(jié)構(gòu)體對電路描述的方式： 結(jié)構(gòu)描述：描述電路由哪些模塊、如何連接構(gòu)成的； 數(shù)據(jù)流描述：使用VHDL內(nèi)建的運(yùn)算符描述電路的輸入輸出關(guān)系； 行為描述：使用進(jìn)程語句，描述電路的行為或者算法； 6． 信號(hào)、變量的區(qū)別（課件） 7． 什么是進(jìn)程語句，什么是敏感量表（課件） 8． 什么是事件，什么是模擬周期（課件） 9． 如何用VHDL產(chǎn)生信號(hào)激勵(lì)，時(shí)鐘激勵(lì)（課件） 10． 什么是綜合？綜合過程有幾個(gè)步驟。 答：綜合是從設(shè)計(jì)的高層次向低層次轉(zhuǎn)換的過程，是一種自動(dòng)設(shè)計(jì)的過程，一種專家系統(tǒng)。 綜合過程： 1. 設(shè)計(jì)描述 2. 設(shè)計(jì)編譯 3. 邏輯化簡和優(yōu)化：完成邏輯結(jié)構(gòu)的生成與優(yōu)化，滿足系統(tǒng)邏輯功能的要求。 4. 利用給定的邏輯單元庫進(jìn)行工藝映射，對生成的邏輯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行元件配置，進(jìn)而估算速度、面積、功耗，進(jìn)行邏輯結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)化 5. 得到邏輯網(wǎng)表 11． 什么是電路模擬？其在IC設(shè)計(jì)中的作用 答：電路模擬：根據(jù)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元件參數(shù)將電路問題轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方程并求解，根據(jù)計(jì)算結(jié)果檢驗(yàn)電路設(shè)計(jì)的正確性 模擬對象：元件 優(yōu)點(diǎn)：不需實(shí)際元件、可作各種模擬甚至破壞性模擬 在集成電路設(shè)計(jì)中起的作用： 版圖設(shè)計(jì)前的電路設(shè)計(jì)，保證電路正確(包括電路結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)) 有單元庫支持：單元事先經(jīng)過電路模擬 無單元庫支持的全定制設(shè)計(jì)：由底向上，首先對單元門電路進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、電路模擬，依此進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)，直至整個(gè)電路 后仿真：考慮了寄生參數(shù)，由電路模擬預(yù)測電路性能 典型軟件：SPICE、HSPICE 12． SPICE主要可以完成哪些主要的電路分析 答：直流分析：典型的是求解直流轉(zhuǎn)移特性(.DC)，輸入加掃描電壓或電流，求輸出和其他節(jié)點(diǎn)（元件連接處）電壓或支路電流；還有 .TF、.OP、.SENSE 交流分析(.AC)：以頻率為變量，在不同的頻率上求出穩(wěn)態(tài)下輸出和其他節(jié)點(diǎn)電壓或支路電流的幅值和相位。噪聲分析和失真分析 瞬態(tài)分析(.TRAN)：以時(shí)間為變量，輸入加隨時(shí)間變化的信號(hào)，計(jì)算輸出和其節(jié)點(diǎn)電壓或支路電流的瞬態(tài)值。 溫度特性分析(.TEMP)：不同溫度下進(jìn)行上述分析，求出電路的溫度特性 電路模擬軟件的基本結(jié)構(gòu)：輸入處理、元器件模型處理、建立電路方程、方程求解和輸出處理 第七章 幾種重要的特種微電子器件 1. 光電器件主要包括哪幾類？ ? 答：光電子器件：光子和電子共同起作用的半導(dǎo)體器件，其中光子擔(dān)任主要角色。主要包括三大類： 發(fā)光器件：將電能轉(zhuǎn)換為光能 發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，縮寫為LED) 半導(dǎo)體激光器 太陽能電池：將光能轉(zhuǎn)換為電能 光電探測器：利用電子學(xué)方法檢測光信號(hào)的 2.半導(dǎo)體發(fā)光器件的基本原理是什么？ ? 答：半導(dǎo)體發(fā)射激光，即要實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射，必須滿足下面三個(gè)條件： 通過施加偏壓等方法將電子從能量較低的價(jià)帶激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶，產(chǎn)生足夠多的電子空穴對，導(dǎo)致粒子數(shù)分布發(fā)生反轉(zhuǎn) 形成光諧振腔，使受激輻射光子增生，產(chǎn)生受激振蕩，導(dǎo)致產(chǎn)生的激光沿諧振腔方向發(fā)射 滿足一定的閾值條件，使電子增益大于電子損耗，即激光器的電流密度必須大于產(chǎn)生受激發(fā)射的電流密度閾值 第八章 微機(jī)電系統(tǒng) 1．MEMS工藝與微電子工藝技術(shù)有哪些區(qū)別。 答：Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)以及電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)。 MEMS — 微小型、智能、集成、高可靠 ? MEMS是人類科技發(fā)展過程一次重大的技術(shù)整合 微電子技術(shù)、精密加工技術(shù)、傳感器技術(shù)、執(zhí)行器技術(shù) ? 微小型化、智能化、集成化、高可靠性 ? MEMS能夠完成真正意義上的微小型系統(tǒng)集成 在芯片上實(shí)現(xiàn)了力、熱、磁、化學(xué)到電的轉(zhuǎn)變 ? MEMS極大地改善了人類生活的質(zhì)量 大批量、低成本的傳感器生產(chǎn)方式給人們更多的保護(hù) ? MEMS將會(huì)帶動(dòng)一個(gè)充滿活力的產(chǎn)業(yè)迅速成長 不是鋼鐵、汽車、微電子，而是微系統(tǒng) ? MEMS用批量化的微電子技術(shù)制造出尺寸與集成電路大小相當(dāng)?shù)姆请娮酉到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)和非電子系統(tǒng)的一體化集成 從根本上解決信息系統(tǒng)的微型化問題 實(shí)現(xiàn)許多以前無法實(shí)現(xiàn)的功能 2、列舉幾種你所知道的MEMS器件，并簡述其用途。 ? 答：慣性MEMS器件 加速度計(jì) 陀螺 壓力傳感器 ? 光學(xué)MEMS器件 微光開關(guān) 微光學(xué)平臺(tái) ? 微執(zhí)行器 微噴 微馬達(dá) ? 生物MEMS器件 第九章 微電子技術(shù)發(fā)展的規(guī)律及趨勢 1.敘述Moore定律的內(nèi)容 答：集成電路的集成度每三年增長四倍， 特征尺寸每三年縮小 倍 2.解釋等比例縮小定律 答：（1）基本指導(dǎo)思想是：保持MOS器件內(nèi)部電場不變：恒定電場規(guī)律，簡稱CE律 按比例縮小器件的縱向、橫向尺寸，以增加跨導(dǎo)和減少負(fù)載電容，提高集成電路的性能 電源電壓也要與器件尺寸縮小相同的倍數(shù) 恒定電場定律的問題 ? 閾值電壓不可能縮的太小 ? 源漏耗盡區(qū)寬度不可能按比例縮小 ? 電源電壓標(biāo)準(zhǔn)的改變會(huì)帶來很大的不便 （2）恒定電壓等比例縮小規(guī)律(簡稱CV律) 保持電源電壓Vds和閾值電壓Vth不變，對其它參數(shù)進(jìn)行等比例縮小 按CV律縮小后對電路性能的提高遠(yuǎn)不如CE律，而且采用CV律會(huì)使溝道內(nèi)的電場大大增強(qiáng) CV律一般只適用于溝道長度大于1mm的器件，它不適用于溝道長度較短的器件。 （3）準(zhǔn)恒定電場等比例縮小規(guī)則，縮寫為QCE律 CE律和CV律的折中，世紀(jì)采用的最多 隨著器件尺寸的進(jìn)一步縮小，強(qiáng)電場、高功耗以及功耗密度等引起的各種問題限制了按CV律進(jìn)一步縮小的規(guī)則，電源電壓必須降低。同時(shí)又為了不使閾值電壓太低而影響電路的性能，實(shí)際上電源電壓降低的比例通常小于器件尺寸的縮小比例 器件尺寸將縮小k倍，而電源電壓則只變?yōu)樵瓉淼膌/k倍