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本书第2版于2021年评为首届全国教材建设奖全国优秀教材二等奖，本书是普通高等教育"十一五”国家级规划教材、集成电路新兴领域"十四五”高等教育教材。全书共6章，以硅集成电路为中心，重点介绍集成器件物理基础、集成电路制造工艺、集成电路设计、微电子系统设计、电子设计自动化。既介绍微电子器件的基本概念和物理原理，也介绍现代集成电路中先进器件结构、现代集成电路和系统设计方法以及纳米工艺等先进技术。提供配套微课视频、电子课件、教学大纲、模拟试卷等。

目    录
 
第1章　概论	1
1.1  微电子技术和集成电路的
发展历程	1
1.1.1  微电子技术与半导体
集成电路	1
1.1.2  发展历程	2
1.1.3  发展特点和技术经济规律	4
1.2  集成电路的分类	7
1.2.1  按电路功能分类	7
1.2.2  按电路的结构分类	8
1.2.3  按有源器件结构和工艺
分类	9
1.3  集成电路设计-制造特点和本书
学习要点	9
1.3.1  电路系统设计	9
1.3.2  版图设计和优化	10
1.3.3  集成电路的加工制造	11
1.3.4  集成电路的封装	12
1.3.5  集成电路的测试和分析	12
第2章　集成器件物理基础	14
2.1　半导体中的电子与空穴	14
2.1.1　半导体及其共价键结构	14
2.1.2　半导体的能带模型	18
2.1.3　费米分布与玻耳兹曼分布	21
2.2　半导体导电性与半导体方程	22
2.2.1　本征半导体	22
2.2.2　非本征载流子	24
2.2.3　半导体中的电流	29
2.2.4　非平衡载流子与载流子
寿命	32
2.2.5　半导体基本方程	35
2.3　PN结和PN结二极管	37
2.3.1　平衡状态pn结	37
2.3.2　pn结单向导电性物理过程
分析	44
2.3.3　pn结直流伏安特性	47
2.3.4　pn结交流小信号特性	52
2.3.5　pn结击穿	56
2.3.6　pn结模型与pn结应用	59
2.3.7　其他半导体二极管	62
2.4　双极型晶体管	64
2.4.1　双极型晶体管直流放大
原理	64
2.4.2　影响晶体管直流β0的
其他因素	71
2.4.3　晶体管的击穿电压	74
2.4.4　晶体管的频率特性	76
2.4.5　晶体管的功率特性	80
2.4.6　晶体管的开关特性	84
2.4.7　BJT模型和模型参数	91
2.4.8　先进双极型晶体管结构	93
2.5　JFET与MESFET器件基础	98
2.5.1　场效应晶体管概述	98
2.5.2　JFET结构与电流控制
原理	99
2.5.3　JFET直流特性定性分析	100
2.5.4　JFET直流特性定量
表达式	104
2.5.5　JFET等效电路和模型
参数	105
2.5.6　MESFET器件	107
2.6　MOS场效应晶体管	107
2.6.1　MOSFET导电沟道的
形成	108
2.6.2　MOSFET直流特性
定性分析	110
2.6.3　MOSFET直流特性
定量分析	113
2.6.4　MOSFET交流特性	115
2.6.5  MOSFET的阈值电压	116
2.6.6　MOSFET模型	119
2.6.7　影响MOSFET特性的
非理想因素	124
2.6.8　CMOS结构	127
2.6.9　现代IC中的先进MOSFET
结构	129
2.7　异质结半导体器件	135
2.7.1　异质结	135
2.7.2　异质结双极型
晶体管（HBT）	137
2.7.3　高电子迁移率晶体管	139
练习及思考题	139
第3章　集成电路制造工艺	142
3.1　平面工艺流程	142
3.1.1　集成电路与平面工艺	142
3.1.2　平面工艺基本流程	144
3.1.3　集成度与工艺节点	153
3.2　氧化工艺	155
3.3　光刻与刻蚀工艺	159
3.4　扩散掺杂工艺	165
3.5　离子注入掺杂工艺	169
3.6　外延工艺	172
3.7　金属化	174
3.8　引线封装	179
3.9　隔离技术	183
3.10　CMOS工艺流程示例	187
练习及思考题	191
第4章　集成电路设计	192
4.1  集成电路版图设计规则	192
4.2  集成电路中的无源元件	199
4.2.1  集成电阻	199
4.2.2  集成电容	202
4.2.3  片上电感	203
4.2.4  互连线	204
4.3  双极集成器件与电路设计	206
4.3.1  双极型晶体管结构	207
4.3.2  双极型晶体管的寄生
参数	208
4.3.3  npn晶体管纵向
结构设计	209
4.3.4  npn晶体管横向
结构设计	210
4.3.5  双极集成电路版图设计	210
4.3.6  版图设计实例	211
4.4  CMOS集成器件与电路设计	213
4.4.1  硅栅CMOS器件	213
4.4.2  CMOS集成电路中的
寄生效应	215
4.4.3  CMOS版图设计实例	216
4.5  双极集成电路和CMOS集成
电路比较	218
练习及思考题	219
第5章　微电子系统设计	220
5.1　双极数字集成电路单元电路	220
5.1.1　TTL电路	220
5.1.2　ECL电路和I2L电路	221
5.2　CMOS数字电路单元电路	222
5.2.1　静态CMOS电路	222
5.2.2　CMOS有比电路和
动态电路	224
5.3　半导体存储器电路	225
5.3.1　只读存储器	225
5.3.2　随机存取存储器	229
5.4　专用集成电路设计方法	230
5.4.1　全定制设计方法	230
5.4.2　半定制设计方法	230
5.4.3　可编程逻辑设计方法	235
5.5　系统级芯片设计方法	240
5.5.1　SoC的设计过程	240
5.5.2　SoC的设计问题	241
练习及思考题	243
第6章　电子设计自动化	244
6.1　EDA的基本概念	244
6.1.1　电子设计自动化	244
6.1.2　EDA技术的优点	245
6.1.3　现代集成电路产品
生命周期	247
6.2　数字系统EDA技术	248
6.2.1　传统ASIC设计流程	248
6.2.2　并行交互式数字集成电路
设计流程	249
6.2.3　IP核	252
6.3　数字集成电路设计平台	255
6.3.1　EDA工具软硬件平台	255
6.3.2　数字集成电路设计关键
工具简介	256
6.3.3　版图数据文件生成	263
6.4　数字集成电路设计实例	264
6.4.1　UART IP功能规划与
原理分析	264
6.4.2　系统架构设计	266
6.4.3　验证方案设计	268
6.4.4　逻辑综合与结果分析	271
6.5　模拟与射频集成电路CAD技术	274


























6.5.1　模拟集成电路CAD技术	274
6.5.2　模拟集成电路CAD工具	275
6.5.3　射频集成电路CAD技术及
工具	278
6.6　模拟集成电路设计实例	281
6.6.1　电路图设计与参数估算	281
6.6.2　电路仿真	284
6.6.3　版图设计	285
6.7　工艺和器件仿真以及统计分析	289
6.7.1　工艺仿真	290
6.7.2　器件仿真	291
6.7.3　统计分析	292
练习及思考题	293
参考文献	294

前    言
微电子（Microelectronics）技术和集成电路（Integrated Circuit，IC）是20世纪的产物，是人类智慧的结晶和文明进步的体现。信息社会的发展，使得作为信息社会“粮食”的集成电路，俗称“芯片”，得到迅速发展。国民经济信息化、传统产业改造、国家信息安全、国民消费电子和军事电子等领域的强烈需求，使微电子技术继续呈现高的增长势头。未来若干年，微电子技术仍然是发展最活跃和技术增长最快的高新科技领域之一，也是国家重点支持发展的重大项目之一。在这种情况下，越来越多的线路和系统设计人员参与到微电子系统的研制中，或者需要将其已开发的线路和系统实现集成化。微电子技术已成为非微电子专业的电子信息科学类和电气信息类的本科生与研究生应该掌握的专业基础知识，越来越多的大学为非微电子专业的学生开设了关于微电子基础教育的课程，需要有相关的合适教材。
我们曾在1995年出版了“八五”统编教材《微电子技术概论》。为了适应微电子技术的发展，于2003年又编写出版了“普通高等教育‘十五’国家级规划教材”《微电子概论》。2011年修订为《微电子概论》（第2版），列入普通高等教育“十一五”国家级规划教材，并于2021年评为首届全国教材建设奖全国优秀教材二等奖。为了紧跟微电子、集成电路技术的发展步伐，反映技术最新发展趋势，适应当前“芯片热”的需求，结合集成电路工艺进步和我国集成电路产业现状，修订为《微电子概论》（第3版），列入集成电路新兴领域“十四五”高等教育教材。
考虑到未来相当一段时期硅微电子技术仍然是微电子技术的主体，本书以硅集成电路为中心，分为6章，重点介绍集成器件物理基础、集成电路制造工艺、集成电路设计、微电子系统设计、电子设计自动化。本书的参考学时为32/48学时。
本书在编写中注意体现以下特点。
① 全书总的编写指导思想是从物理概念入手，结合工程实例，介绍集成器件物理基础、集成工艺原理，以及集成电路和系统设计的特点与方法，对学生进行微电子技术方面的全方位教育，为以后参与微电子系统研制工作奠定必要的基础。
② 介绍集成器件物理基础时，突出物理概念，重点分析物理过程，同时给出定量结论，使学生在理解器件原理时不至于感到太抽象。在分析基本原理的基础上同时介绍先进的器件结构，如基区采用重掺杂SiGe材料的异质结双极晶体管、FinFET等先进器件。
③ 在分析几种基本半导体器件工作原理的基础上，还进一步介绍电路模拟软件中采用的SPICE器件模型、主要模型参数的含义，有助于学生更有效地应用电路级模拟仿真软件。
④ 介绍集成电路工艺原理时，同时介绍双极和CMOS工艺过程，以CMOS为主。在介绍基本工艺原理的基础上同时介绍现代纳米工艺节点阶段工艺技术的最新发展，如纳米级线条图形的光刻等普遍关注的热点问题。
⑤ 介绍集成电路和系统设计时，一方面结合集成电路设计实例，分别介绍模拟集成电路和数字集成电路底层设计中主要元器件的图形结构设计，使学生能“看懂”基本的集成电路版图；另一方面，以CMOS数字集成电路的基本原理、电路特点、设计流程与方法为核心，阐述集成电路系统构建与电路实现方法，分析集成电路性能指标实现原理，结合实例介绍基于现代设计工具的集成电路设计方法与设计流程，使学生能够对集成电路设计目标、设计过程、质量评价等概念有一个轮廓的认知。
⑥ 结合实例介绍电子设计自动化（EDA）设计系统时，一方面介绍微机级软件系统，使学生在了解EDA方法和基本软件使用的基础上，能结合学校的微机级EDA软件进行上机练习；另一方面介绍工作站EDA软件系统概况，这样到工作时，不致对工作站软件感到太陌生。
本书主要章节后附练习及思考题，便于学生检查学习效果。
为了配合全书内容的学习，还录制了145个知识点的授课视频，可扫描右侧二维码学习视频课程。本书提供配套电子课件、教学大纲、模拟试卷等，请登录华信教育资源网（http://www.hxedu.com.cn）免费注册下载。
本书由西安电子科技大学郝跃院士统稿并编写第1章，贾新章教授编写第2、3章，史江义教授编写第4～6章。吴玉广教授、董刚教授任本书审校，对本书提出了许多有益的修改意见和评论，在此表示衷心的感谢。同时向本书所引用的论文、图表和书籍的作者致以深切的谢意！
本书可作为微电子、集成电路、电子信息、电气信息等专业本科生与研究生相关课程的教材，也可供从事电子线路和系统集成化工作的技术人员参考。特别是对于将要从事集成化工作的非微电子专业毕业的工程技术人员，本书更是一本合适的入门教材。
由于本书涉及面广，内容发展更新快，书中难免有不妥和不足之处，敬请读者批评指正。

编著者
2024年4月19日

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微电子概论（第3版）