作者：郝跃
出版社：电子工业出版社
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微电子概论(第2版)试读：
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得到迅速发展。国民经济信息化、对传统产业的改造、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和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同学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。本书编者曾在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》，至今已有8年。为了紧跟微电子技术的发展步伐，反映微电子的最新发展趋势，现对该教材进行全面的补充、修订，作为《微电子概论》（第2版）出版。本书列入“普通高等教育‘十一五’国家级规划教材”。
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，本教材以硅集成电路为中心，分6章，重点介绍半导体集成器件物理基础、集成电路制造基本工艺及其发展、集成电路设计和微电子系统设计、集成电路计算机辅助设计（CAD）。本教材的参考学时为46学时。
本教材在编写中注意体现下述特点：
全书总的编写指导思想是从物理概念入手，结合工程实例，介绍半导体集成器件物理、集成工艺原理，以及集成电路和系统的设计特点与方法，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。
介绍半导体集成器件物理原理时，突出物理概念，重点分析物理过程，同时给出定量结论，使同学们在理解器件原理时不至于感到太抽象。
在分析几种基本半导体器件工作原理的基础上，还进一步介绍了电路模拟软件Spice中采用的器件模型、主要模型参数的含义，有助于读者更有效地应用电路级模拟仿真软件。
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基础上同时介绍微电子工艺技术的最新发展情况。
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，使同学们能“看懂”基本的集成电路版图。同时介绍专用集成电路（ASIC）基本设计方法，为从事集成化工作打下基础。
结合实例介绍CAD设计系统时，一方面介绍微机级软件系统，使同学们在了解CAD方法和基本软件使用的基础上，能结合学校具有的微机级CAD软件进行上机练习。同时也介绍工作站CAD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。
主要章节后面有思考题和练习题，便于同学检查学习效果。
本教材由西安电子科技大学郝跃任主编并编写第1章，贾新章编写第2、3章，董刚编写第4、5章，史江义编写第6章，最后由郝跃统稿。
吴玉广教授任本教材主审，对本教材提出了许多有益的修改意见和评论，在此表示衷心的感谢。同时向本教材所引用的论文、图表和书籍的作者致以深切的谢意。
本教材适用于非微电子专业的电子信息科学类和电气信息类的本科生和研究生相关课程教材，也可供从事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。
由于本教材涉及面广，内容发展更新快，教材中难免有不妥和不足之处，敬请读者和老师批评指正。
编著者
2011年5月26日
第1章 概论
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得到迅速发展。国民经济信息化、对传统产业的改造、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速的增长势头。未来若干年，微电子技术仍然是发展最活跃的技术和增长最快的高新科技领域。其中硅微电子技术仍然是微电子技术的主体，至少20～30年内是这样。微电子技术的发展开辟了新的科学领域，带动了一系列相关高新科学的发展。其发展趋势呈现下述一系列特点：
微电子与机械工程结合使微机电系统（MEMS）得到快速发展，与光学工程的结合促使了微光学和集成光学的发展，与生物工程结合正导致生物微电子技术的发展，等等；
微电子器件的特征尺寸沿着微米、亚微米（小于1微米）、深亚微米（小于0.5微米）、超深亚微米（小于0.18微米）到纳米的方向发展，正逐步进入微观（量子态）态；
IC系统正进入系统集成（System on a Chip，SoC），单个芯片上汇聚传感、信息处理和驱动系统为一体将是发展方向，SoC和单片的多功能化将是未来相当长时期微电子发展的方向和热点；
化合物半导体随着通信的发展，其需求将进一步发展；
宽禁带半导体是未来新的技术生长点；
……
总之，微电子技术仍将保持不断进步和持续发展的势头。
微电子技术的发展改变了人类社会生产和生活方式，甚至影响着世界经济和政治格局，这在科学技术史上是空前的。
目前，微电子技术已经广泛应用于国民经济、国防建设、乃至家庭生活的各个方面。近30年来，以微电子技术为支撑的微电子产业的平均发展速度一直保持在15%以上，近几年来的发展速度更为迅速，并成为整个信息产业的基础。集成电路已经广泛地应用到国民经济和社会的一切领域，成为影响世界各国经济发展和国家安全的重要因素。目前国际上把VLSI技术称为“掌握世界的钥匙”，谁掌握了它，谁就掌握了世界，其产业规模和科学技术已成为衡量一个国家综合实力的标志之一。
20世纪70年代，集成电路产业初步形成，1975年，世界GDP总量与集成电路产业规模的关系约为1000∶1，其后，由于集成电路产业以远高于GDP的增长速度发展，其产业规模急剧扩大，该比例以平均每年约6%的速度递减。预计到2020年，GDP、电子工业、集成电路产业规模的关系为100∶10∶1。随着电子信息产品的广泛应用，集成电路的需求量一直呈大幅上升势头。据美国半导体工业协会（SIA）分析，2000年以来世界集成电路市场得到快速发展，销售总额已经突破2500亿美元。根据SIA和Nikkei Business的预测，到2020年世界GDP和电子工业产值分别为60万亿美元和5万～6万亿美元，世界集成电路工业总产值为5000亿～6000亿美元。
近十年，中国集成电路市场平均增长率为40%，约为世界集成电路市场增长率的3倍。2005年，中国集成电路市场总额为3803亿元，占世界市场24%，成为世界第一大市场；预计未来5～10年，该市场将扩大到5000亿元以上，占世界集成电路市场将大于31%。在当前集成电路技术及产业的发展态势下，我国集成电路产业将实现大的发展，随着集成电路产业国际大转移的时机到来，中国将成为集成电路产业大国。在这种情况下，就要求电路与系统设计人员在掌握微电子基本概念和技术的基础上，和微电子专业技术人员一道，共同进行集成电路的设计和研制。我们希望能从IC设计开始，真正实现我国的IC产业腾飞。
1.1 微电子技术和集成电路的发展历程
1.1.1 微电子技术与半导体集成电路微电子技术是利用微细加工技术，基于固体物理、器件物理和电子学理论和方法，在半导体材料上实现微小型固体电子器件和集成电路的一门技术。其核心是半导体集成电路及其相关技术。
集成电路包括半导体集成电路和混合集成电路两类。
半导体集成电路是用半导体工艺技术将电子电路的元件（电阻、电容、电感等）和器件（晶体管、传感器等）在同一半导体材料上“不可分割地”制造完成，并互连在一起，形成完整的有独立功能的电路和系统。
混合集成电路是将不同的半导体集成电路和分立电子元器件通过混合集成电路工艺和微细加工方法，将它们分别固化到同一基板（陶瓷材料、半导体材料等）上，用互连的方式将它们集成为完整的有独立功能的电路和系统。
本书主要介绍半导体集成电路的理论基础、制造工艺、元件和器件结构与原理、设计方法等相关知识和技术。1.1.2 发展历程
实际上，早在1900年前后，人们就发现了一类具有整流性能的半导体材料，并成功地用它们制出了检波器。但这些早期的晶体检波器性能不稳定，很快被淘汰了。到了20世纪30年代，由于微波技术的发展，为了适应超高频波段的检波要求，半导体材料又引起了人们的注意，并制出了锗和硅微波二极管。为了改善这些器件的稳定性和可靠性，第二次世界大战后，在美国的Bell实验室，由W.Shockley、J.Bardeen和W.Brattain组成的研究小组展开了对固体表面的研究。1947年12月23日，该小组在对半导体特性研究的过程中发明了点接触三极管，这是世界上第一只晶体三极管，它标志着电子技术从电子管时代进入晶体管时代迈开了第一步。在此基础上，W.Shockley提出了pn结和面接型晶体管的基本理论，接着发明了具有实用价值的面结型晶体管。为此这三位科学家于1956年荣获诺贝尔奖。图1.1为三人研究小组和世界上第一只晶体管的照片。
晶体管发明后不到5年，英国皇家研究所的塔姆于1952年5月在美国工程师协会举办的一次座谈会上发表的论文第一次提出了关于IC的设想。文中说到：“可以想象，随着晶体管和一般半导体工业的发展，电子设备可以在固体上实现，而不需要连接线。这块电路可以由绝缘、导体、整流放大等材料层组成”。在此后几年，随着工艺水平的提高，美国得克萨斯仪器公司（TI）公司的J.S.Kilby于1958年宣布研制出了第一块IC（当时该电路实际上是一个仅包含12个元件的混合集成电路）。从此，微电子技术进入了IC时代。J.S.Kilby于2000年获得诺贝尔奖。图1.2为J.S.Kilby和世界上第一块集成电路。图1.1 Shockley三人小组和世界上第一只晶体管（三人中坐着的为Shockley，后面从左分别为Bardeen 和Brattain）图1.2 Kilby 和世界上第一块集成电路
1947年晶体管的发明并没有引起人们过多的注意，仅仅是在当时的《纽约时报》上有一条短消息。由于工艺和结构问题，最初发明的点接触晶体管达不到实用的要求。真正引起了一次新的技术革命，是人们对半导体器件及其制造工艺的研究不断深入。首先是在20世纪50年代初，面结型晶体管达到实用程度，开始工业化生产。在随后的几年中，通过对半导体表面效应的深入掌握，1958年制造出了金属—氧化物—半导体场效应晶体管（MOSFET）。尽管MOS晶体管的诞生比双极晶体管晚了近10年，但是由于它体积小、功耗低、制造工艺简单，为集成化提供了有利条件。随着硅平面工艺技术的发展，1965年英特尔公司主要创始人摩尔提出了著名的“摩尔（Moore）定律”，他预言：集成电路的晶体管密度每18～24个月翻一番。每个芯片的成本将会每年下降一半。确实，MOS集成电路基本遵循 Moore定律（见图1-3）飞速地发展。现在已经可以把几亿乃至几十亿个MOS晶体管集成在一个芯片里。以CMOS集成电路为代表的微电子技术及其产业突飞猛进，日新月异，给人类的工作和生活带来了巨大变革。根据预测，直至21世纪上半叶，它仍将是主流技术。2007年，英特尔公司推出45nm处理器，革命性地采用基于铪的高-k栅介质和金属栅晶体管，这是40年来晶体管材料和工艺的又一次重大革新，将摩尔定律推向又一个新的发展阶段，可将“摩尔定律”再延长10年。表1.1给出了微电子技术和集成电路发展的主要里程碑。表1.1 微电子技术和集成电路发展的主要里程碑（续表）1.1.3 发展特点和技术经济规律
集成电路从诞生到现在仅仅50余年的时间，它的发展带动信息社会的发展，成为国民经济发展强大的倍增器。其发展规律和主要特点为：（1）集成度不断提高。集成电路的发展基本按照摩尔定律，即每隔3年，特征尺寸缩小30%，集成度（每个芯片上集成的晶体管和元件的数目）提高4倍。其中专用集成电路（ASIC）和存储器每1～2年其集成度和性能均翻番。图1.3给出了集成电路典型代表产品微处理器（MPU）和存储器集成度逐年发展的曲线，说明按摩尔定律发展的规律。图1.3 集成电路发展曲线
1971年制造出的第一块4位的微处理器芯片，单个芯片上集成有2.3k个晶体管。1981年生产的16位微处理器芯片集成度达到29k。图1.4分别给出了20世纪70年代Intel公司第一块微处理器芯片4004和90年代末的“奔腾”PⅣ微处理器芯片的版图，其集成的晶体管数从4004的2300个发展到PⅣ的4200多万个，足以说明微电子技术日新月3异的变化和发展。同样，在70年代存储器的集成度为Kbit（10）规6模，到80年代中期发展到Mbit（10）规模，1994年已研制出9Gbit（10）规模的DRAM芯片。预计到2031年左右将达到1Tbit的集成度。随机逻辑电路由于结构复杂其集成度增长不像存储器那样快，大约每5年增长10倍。但是其发展速度也是相当惊人的。图1.4 Intel 4004 MUP（左）和Intel PⅣ（右）芯片（2）小特征尺寸和大圆片技术不断适应发展需要。目前直径为300mm圆片、特征尺寸为65～90nm的集成电路已经批量生产。表1.2给出了近年特征尺寸预测变化情况，说明在2000年前后技术发展明显有超前的趋势，但在2005年以后，技术发展基本与预期是一致的。伴随微细加工和大圆片技术发展，集成电路的技术发展如表1.3所示。表1.2 特征尺寸变化趋势（nm）注：表中SIA代表Semiconductor Industry Association，即美国半导体工业协会；ITRS代表International Technology Roadmap for Semiconductors，即国际半导体技术发展趋势表1.3 集成电路技术发展趋势（3）半导体产品的高性能化和多样化。这些表现为容量、集成度和速度性能的迅速提高，以及功耗和工作电压性能的明显改善。
半导体存储器正继续围绕大容量、高密度和低压工作方向不断推进。4G DRAM采用了0.15μm微细加工技术，集成44亿个元器件，工作电压仅为2～2.5V。为了适应MPU高速化和多媒体应用的需要，除工艺方面进行改进外，还开发了同步DRAM（SDRAM）等新的结构技术，使其速度性能可与SRAM相当。
微处理器（MPU）是IC产品技术与市场竞争的焦点。随着系统性能要求的提高，开发高性能MPU是必然的发展趋势和任务，尤其高速度已成为其发展的重点和方向。新型微处理器芯片主频可达3GHz，集成晶体管数达到2000～5000万个。从2005年以后，为了进一步提高芯片的处理能力和降低功耗，出现了多核的处理器并有了产品，其目的是克服仅仅依靠提高工作频率提高芯片处理速度（这样会增加芯片功耗，同时对芯片的功率有更高的要求）。目前，双核和四核的CPU已有产品，更新的多核处理器也有重大进展。图1.5是Intel公司的80核的CPU，浮点运算能力1.01TFloFs（每秒万亿次），相当于1万颗Pentium Pro 运算能力。图1.5 Intel公司的80核CPU Tera-Scale 80
产品多样化是增强市场竞争力，适应电子设备市场不断发展需要的重要途径。所以许多企业都十分重视新产品的开发和多种经营。近几年IC技术和市场竞争激烈，DRAM价格下跌急速，这种趋势更突出，因而在微电子产品市场上出现许多新的热点。如闪速存储器（FLASH）和铁电存储器（FRAM）可望成为非易失性存储器新的增长点。尤其FLASH近年发展很快，目前已批量生产16G产品，64G的产品正在开发中。由于其优异的性能而可能逐步取代EPROM和EEPROM等传统非易失性存储器，可能成为仅次于MPU的第二位产品。
此外，ASIC领域的FPGA/PLD，模拟IC和数模混合IC领域的通信电路等近年发展也比较活跃，以AD/DA转换器电路为代表的模拟集成电路是Si集成电路发展的典型代表，其发展趋势为高位和高速。同时，SiGe/Si和GaAs材料的AD/DA转换器电路已成为商品。（4）微电子技术发展的多功能化。随着电子设备与系统的发展，特别是网络技术和多媒体技术的发展，传统芯片在速度性能和功能上已不能完全满足需要，所以，除提高速度性能外，实现单片上多功能化也是势在必行。多媒体芯片和系统集成芯片（SoC）的开发正是实现此目标的重要途径，也是这种技术发展趋势的反映。
从1995年开始，众多公司就涉足于多媒体芯片的设计和开发，有的公司把多媒体的设计融入传统的MPU芯片设计，有的则开发独立的多媒体芯片。发展迹象表明，具有较强的声音、三维图形、通信和图像处理能力的新型多媒体芯片将是未来芯片的主流。
被喻为21世纪重要技术之一的SoC近年已引起工业界的关注，并已成为IC技术发展的一个重要方向。特别是ASIC技术的进步，为SoC实现和发展提供了技术条件。目前已经有在同一芯片上集成DSP、MCU、DRAM、SRAM、FLASH和ROM等多功能的SoC。从发展来看，SoC今后将呈快速度发展的势头。（5）化合物和宽禁带半导体的新发展。砷化镓器件仍然是当前主要的化合物半导体器件，但至今工艺远不如硅成熟，市场还很小。然而其优于硅的某些特性，以及能实现硅器件所不能完成的某些功能，故其重要地位十分突出，尤其在超高速、微波和毫米波领域发展较快，在军用半导体领域其地位不可动摇。材料工艺技术日趋成熟，砷化镓圆片直径已全面转向150mm，设计线宽达到90nm以下。今天，砷化镓技术最引人注目的市场是蜂窝电话、个人通信系统、局域网、卫星、宽带调谐器、汽车传感器和先进的空间系统。高速计算和光纤通信也需要大量高性能的砷化镓器件。可见，砷化镓半导体市场前景依然广阔。
在砷化镓日趋成熟之际，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）和氮化铝（AlN）等为代表的新一代宽禁带半导体，近年的研究开发工作也取得突破性的进展，氮化镓和碳化硅已从材料研究进入器件应用阶段，SiC材料主要是在工作频率为3GHz以下，是移动通信的主要应用领域。氮化镓以其材料的固有优点在光电器件、高频和高温器件等方面备受青睐，所以被认为是一种可与砷化镓竞争的技术，是第三代半导体新技术，它的发展和应用可望把现有的微电子、光电子技术推进到新的阶段。氮化镓光电器件目前是半导体照明主要的LED器件，同时在3GHz以上的微波大功率器件方面具有独特的优势。（6）多学科融合的微纳系统芯片将使微电子技术的应用得到进一步拓展。随着微电子技术的进一步发展，利用三维集成技术，未来可以使集成电路、传感器、微光机电系统，甚至生物芯片集成到同一个芯片上，实现多学科融合的微纳系统芯片。目前，这方面的研究有了明显进展，这是下一代微电子技术发展的又一重要方向，预示微电子技术的前景将更加广阔（图1.6是一个典型的微纳系统芯片结构）。图1.6 微纳系统芯片
1.2 集成电路的分类
集成电路发展到今天，其种类繁多，工艺也不相同。通常为了区分其工艺、结构和规模，将集成电路分为若干类型。1.2.1 按电路功能分类
集成电路按功能可以分为数字集成电路、模拟集成电路和混合信号集成电路。（1）数字集成电路是指仅对数字信号进行处理的一类电路，通常也称逻辑电路。这类电路目前是半导体集成电路的主流。产品主要包括处理器（微处理器（MPU）、微控制器（MCU）、协处理器和数字信号处理器（DSP）等）、存储器（RAM、ROM等）、接口电路和其他逻辑电路。它们通常是由基本的逻辑门电路单元构成。（2）模拟集成电路是指完成对模拟信号（连续变化信号）进行放大、转换、调制、运算等功能的一类集成电路。由于早期这类电路主要用于信号线性处理，所以又称为线性电路。包括放大器、模拟乘法器、模拟开关和电源电路等。（3）混合信号集成电路是可以同时处理数字和模拟两种信号的电路。混合信号集成电路主要包括：A/D变换器、D/A变换器等。1.2.2 按电路结构分类
集成电路按结构划分可以分为半导体集成电路和混合集成电路两类。
1.半导体集成电路
根据使用材料的不同，半导体集成电路主要分为硅半导体集成电路和化合物半导体集成电路。硅集成电路目前是主流。化合物集成电路主要是GaAs化合物半导体集成电路，其他材料的集成电路也在不断发展。半导体集成电路是所有电子元器件在同一半导体材料上制作完成。2.混合集成电路
根据制造工艺和材料的不同，混合集成电路主要包括薄膜IC，厚膜IC，薄厚膜IC，多芯片组装（MCM）等。混合集成电路中的主要电子元器件是分别贴装在同一基板上制作完成。为有别于混合集成电路，半导体集成电路又称单片集成电路（Monolithic IC）。
厚膜集成电路是采用厚膜工艺制作的混合集成电路（通常厚度大于1μm的膜称为厚膜）。厚膜工艺可以制作厚膜电阻、厚膜电容和厚膜绝缘层。它是采用丝网印刷和烧结等厚膜工艺，在玻璃或陶瓷基片上制作电阻、电容、无源网络，并在同一基片上组装分立的半导体器件芯片或单片集成电路或其他微型元件，然后进行封装，组成混合集成电路。厚膜集成电路的特点是工艺简单，成本低廉，适合于多品种、小批量产品。
薄膜混合集成电路是采用薄膜工艺制成的混合集成电路。通常厚度小于1μm的膜称为薄膜。它是采用真空蒸发或溅射技术在硅片、玻璃或陶瓷基片上制作薄膜电阻和薄膜电容，然后用铝膜条把它们与装在基片上的分立半导体器件或半导体集成电路芯片连接起来，最后进行封装。薄膜元件的优点是电阻、电容的数值范围大、精度高。缺点是工艺比较复杂，生产效率较低，成本较高，仅用于要求较高的整机上。
多芯片组装（MCM）使用高密度多层互连基板，层间由通孔互连，基板上组装多个IC裸芯片，通常是LSI、VLSI或ASIC芯片，以及其他片式元件，经过封装后成为一个高密度、多功能的微电子组件，属于混合大规模集成电路或混合特大规模集成电路范围。目前，MCM主要有MCM-L、MCM-C、MCM-D、MCM-C/D、MCM-L/D五大类。MCM-L是印制电路板技术的延伸，它把多层PCB叠合起来，上面安装各种元器件，制造工艺比较成熟，主要用于30MHz以下的产品。MCM-C是用共烧多层基板制成的。有低温和高温两种，低温是发展重点。MCM-D是硅基板或陶瓷基板上利用半导体工艺和薄膜沉积导体和介质材料而制成，其技术难度大，组装密度最高，是MCM的高级产品，但成本较高。MCM-C/D是MCM-C和MCM-D两种工艺的结合。兼有两者的优点。其中所用的基板采用共烧陶瓷基板上制作薄膜多层布线的混合基板，它与目前其它几种MCM相比，具有最佳的性能价格比。图1.7是一个混合集成电路内部照片实例。图1.7 混合集成电路内部照片实例1.2.3 按有源器件结构和工艺分类
集成电路按器件结构和工艺可以分为双极型集成电路和MOS集成电路。
1.双极型集成电路
双极型集成电路采用双极晶体管作为有源器件。之所以称为双极晶体管是由于晶体管工作依赖于两种极性的载流子（电子和空穴）。双极型集成电路中的晶体管分为npn管和pnp管。在某些电路中采用多发射极npn管，超β晶体管、可控增益pnp管、复合晶体管，以及结型场效应晶体管（JFET）。
2.MOS集成电路
MOS集成电路主要是用MOS（金属氧化物半导体）晶体管作为有源器件。由于MOS工作时只有一种载流子参加导电，所以称之为单极晶体管。MOS晶体管是单极型电压控制器件，而双极晶体管是电流控制器件。
为了同时发挥双极和MOS两类器件的共同优点，一种混合结构的集成电路，即双极MOS集成电路（BiMOS）已经成为新的器件和电路结构。1.2.4 按电路的规模分类
按电路的规模分类，集成电路可以分为：小规模集成电路（Small Scale Integration，SSI），中规模集成电路（Medium Scale Integration，MSI），大规模集成电路（Large Scale Integration，LSI），超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，VLSI），特大规模集成电路（Ultra Large Scale Integration，ULSI），以及巨大规模集成电路（Gigantic Scale Integration，GSI）。
不同集成电路工艺（双极集成电路、MOS集成电路等），不同电路结构（数字电路、模拟电路等）其电路规模的划分标准是不同的。不同国家和组织对集成电路规模的定义也不尽相同，目前尚无统一的标准，表1.4给出了通常采用的划分标准。表1.4 集成电路规模划分
1.3 集成电路制造特点和本书学习要点
集成电路无论工艺如何不同，结构如何差异，品种如何繁多，归纳起来其设计研制共分5个阶段，即电路系统设计、版图设计和优化、集成电路芯片加工制造、集成电路封装、以及成品测试和分析。1.3.1 电路系统设计
电路系统设计的目的是根据电路系统的指标要求，构成可集成化的集成电路系统。系统设计可利用现有成熟工具从零开始设计，也可以利用已有的电路系统库中的成熟单元进行拼接或裁剪，形成新的系统。后者是目前的SoC设计方法。
一个好的集成电路设计除了电路本身设计外，必须使所设计的电路适合集成工艺，否则制造出来的电路很难保证高的成品率，甚至不能采用已有的集成电路工艺完成。对于模拟和射频（RF）集成电路设计尤其需要注意。
关于集成电路系统设计及其基本方法将在本书第5章介绍。1.3.2 版图设计和优化
集成电路的版图设计和优化是将设计好的线路系统转化为具体的物理版图的过程。集成电路设计的目标是设计正确（包括电路功能和性能）、芯片利用率高、电路的成品率高、设计周期短、设计成本低，其目的是尽可能快的市场反应和高的综合经济效益。
集成电路的工艺技术不断推动集成电路设计方法学的变革，工艺技术的每一次变革都推动了集成电路设计技术的一次飞跃。到目前为止，以版图设计和优化为中心的集成电路设计技术已经历了四代。
在20世纪70～80年代之交，3～5μm工艺是集成电路的主体技术，与之相适应的第一代集成电路计算机辅助设计（ICCAD）技术是以版图输入、设计检查为特点。
80年代中期，集成电路进入1.5～3μm工艺阶段，推动了以门阵列和标准单元为主的半定制设计方法的出现，不是以版图设计为主，而是把主要精力转向设计分析、验证和可制造性，这一代设计技术以网表输入、仿真验证、自动布局布线、单元电路库为特点，从此专用集成电路（ASIC）开始登上历史舞台。
80年代末，90年代初，0.6μm CMOS FPGA和EPLD出现，导致了可编程设计方法的出现，推动了以FPGA作为ASIC原形的设计，用增量设计法缩短了设计验证的周期，这一代设计技术是以自顶向下（Top-down）的系统设计为主要特征，以高层次行为描述、行为仿真、综合优化为设计模式，并注意从系统级验证设计和考虑设计的可测性。
90年代中期，0.35μm的深亚微米CMOS工艺导致了第四代设计技术的产生，即以CPU（或DSP）核（Core）为核心的集成系统设计方法，注意编程和软件的固化，以互连线作为问题的核心，用算法开发和数据流与控制流的方式描述系统，完成系统设计规范的结构转化，在虚拟的原形设计环境中验证系统并实现系统集成，并将设计和测试融为一体。
早期的版图设计采用的手工设计方法，其设计周期和成本随集成度呈指数上升，而且设计中出现错误的概率显著增大。如用5μm NMOS技术，设计一个5000门的电路，设计工作量约为10人年，设计一个25000门到50000门的CMOS VLSI芯片，其耗费远大于100人年。所以早期的人工设计已逐渐被计算机辅助设计（CAD）所取代。
集成电路CAD是指设计工程师借助于一套计算机软件系统完成集成电路的系统设计、逻辑设计、电路设计、版图设计和测试码生成。这套软件称为CAD工具。也有人将ICCAD称为IC设计自动化。
集成电路的设计可分为正向和逆向两种。正向设计是所谓的“自顶向下”设计方法，即从高层综合或原理图输入开始，直至完成电路的掩膜版图设计。逆向设计则正好相反，是以分析的方法，从低到高。即对实际芯片进行解剖分析、照相，从照片中提取出电路的逻辑和电路，从纵向结构中得到电路各元件的参数，然后按照原设计的思路进行设计。目前，由于知识产权保护法的实施，原来意义上的全逆向设计已经行不通，必须在逆向设计进行到一定的程度时转入正向设计。通常是在实际的逻辑提取后，再转入正向设计，实现逻辑功能相同但布局布线完全不同的新设计。
集成电路的设计分为全定制设计和半定制设计两种。半定制设计是针对专用集成电路的。全定制设计技术通常利用人机交互图形系统，由版图设计人员人工地完成各个器件连线的版图设计、输入和编辑，实现电路图到版图的转换。由于是基于人工设计，将设计芯片中的每一个管子均予以优化，所以它需要较高的设计成本和较长的设计周期，但它能使芯片面积最小，性能最好，并可以用来满足某些特殊的要求，如模拟电路、高压电路，传感器等。
本书在第2章介绍半导体器件工作原理的基础上，在第4章介绍双极集成电路和MOS集成电路的设计，主要介绍两类集成电路版图结构和基本设计方法。介绍集成电路中几种无源元件（电阻、电容和电感）和有源器件的设计方法与版图结构。第5章的设计方法学与本问题有密切的联系，这是本书的重点之一。
本书第6章介绍集成电路计算机辅助设计的概念和基本方法。集成电路设计包括系统和电路设计以及集成电路版图设计两部分。对于数字集成电路目前版图设计自动化已经到了相当成熟的水平，因此完成数字集成电路设计的关键是系统和电路设计。但是，要设计出高水平的数字集成电路，在版图设计方面也需要有所改进。特别是对模拟集成电路设计，版图自动设计软件的实用化还较差，在完成电路设计后，主要由设计人员完成版图设计。而大部分从事电路和系统设计的工程技术人员对版图设计尚比较生疏，因此本书的重点是给电路和系统设计的工程技术人员介绍必要的微电子基本概念和版图设计技术。1.3.3 集成电路的加工制造
集成电路的加工制造是将设计好的版图，通过工艺加工最终形成集成电路芯片。工艺加工主要是在集成电路工艺线完成的。目前，国际上有很多集成电路专用加工线（又称代工线，英文名称为Foundry，如台湾地区的 TSMC、UMC等公司），它们专门完成将设计好的版图或电路逻辑图加工为IC芯片。我国内地目前也有数十条集成电路工艺线。迄今为止，集成电路制备基本上仍然采用平面工艺。平面工艺的核心要点是在半导体材料的表面生长一层氧化层，再采用光刻技术在SiO层上刻出窗口，利用SiO对杂质的掩蔽特性，实现Si中的选择性22掺杂，形成所需要的元器件。然后金属互连技术将所有元器件按要求连接，实现完成功能的集成电路。
IC工艺技术的发展趋势是实现低温化（或高温快速化）处理，平面化加工，干法、低损伤刻蚀，以及低缺陷密度（提高成品率）的控制。隔离和多层互连是是当今工艺技术中的两大课题。随着集成电路特征线宽的不断缩小，电路的门延迟越来越小，而互连线延迟却在逐渐增大。在目前的深亚微米阶段，互连RC延迟已经显著大于门延迟，在设计方面需要对布线进行几何优化，在工艺方面需要降低互连线的电阻率以及线间和层间电介质的介电常数。
有关集成电路制造工艺将在本书的第3章介绍。1.3.4 集成电路的封装
集成电路的封装又称集成电路的后道工艺。主要是指圆片加工完之后的组装工艺。包括晶片减薄、划片、芯片粘接、键合、封装等主要工艺。对于塑封器件，还必须进行去毛刺、外引线镀锡和成形等后处理工序。通过这一系列的加工，将IC芯片组装成为实用的单片集成电路。封装的目的是使集成电路芯片免受机械损伤和外界气氛的影响而能长期可靠地工作。常见的封装形式有TO金属封装、TO塑料封装、SOT塑料封装、双列直插塑料封装（PDIP）、双列直插陶瓷封装（CDIP）、扁平封装（QFP、QFC）、栅状阵列（PGA），以及球栅阵列（BGA）等。其中用于表面组装集成电路的封装形式有小型封装（SOP）、塑料无引线载体（PLCC）、塑料扁平四边带引线封装（QFP）、陶瓷无引线芯片载体（LCCC）等。
早期由于集成电路的规模不大，集成电路的引脚数不多，IC的后道工艺并没有引起人们的重视。但随着集成度的提高，集成电路的引脚数目增多，引线间距减小，相应地功耗也增加，要求散热性能更好，导致封装难度增大，并开始成为限制集成电路发展的重要因素。所以最近几年，集成电路的封装也和集成电路的设计和制造一样得到高度重视。
关于封装的介绍由于内容繁多，不是本书的主要介绍内容，仅仅在第3章中作为制造技术简单介绍。但它在集成电路产业中的重要性远非如此。1.3.5 集成电路的测试和分析
在集成电路制造圆片阶段的测试称为中测（中间测试），电路封装好以后的测试称为成测（成品测试）。测试技术对于集成电路很重要，它直接关系到产品的成本和可靠性。尤其随着集成电路规模的提高和功能的增强，能在较短时间内对每个芯片和成品电路进行功能和性能的测试是不容易的。可测性设计是专门针对集成电路测试的技术，目的是通过测试码的生成与优化，或利用电路自身特点与在芯片中嵌入简单电路相结合，实现对复杂电路系统的测试，力求使电路测试时间短、功能和故障覆盖率高。
有关集成电路测试是一门专门的科学，本书限于篇幅仅仅做了很少的介绍。将要从事集成电路设计工作的读者，对于集成电路测试和可测性设计应有所了解。
过去集成电路设计、制造、封装和测试基本上是在同一公司完成的。随着IC的发展已经发生了产业专门化分工，并以此形成了集成电路产业链。集成电路设计更多的由从事电子整机研制和生产的系统设计人员完成，他们依靠丰富的系统知识，利用功能先进的EDA工具，可以非常好地实现系统设计。集成电路制造则由专门的制造公司完成，他们利用先进的集成电路工艺线，不断改善工艺，提高服务质量和圆片成品率，实现加工的利润最大化。现在测试和集成电路封装也有专门的公司和工厂，负责将IC圆片测试并封装为集成电路成品。
集成电路的发展也加速了集成电路设计和服务业的发展。出现了一批专门设计集成电路的公司（Design House），它们可以承担用户委托设计，并不断为用户提供集成电路产品，这样的公司被称为无制造厂的芯片制造公司（Fabless）。还有一些公司专门开展IC工艺线和设计公司之间的中介服务，利用IC制造厂的工艺数据，结合IC设计需要的集成电路宏单元，为用户提供IC设计所需的电路中间件（电路逻辑或版图，称为IP核），使新设计IC的周期能够大大缩短。这样的中介公司又称为Chipless，即只提供设计需要的IC中间件，不做具体集成电路产品。
第2章 集成器件物理基础
构成集成电路的核心是半导体器件，因此理解半导体器件的基本原理是理解集成电路特性的重要基础。为此，本章重点介绍当代集成电路中的主要半导体器件，包括pn结、双极型晶体管（BJT）、金属—氧化物—半导体场效应晶体管（MOSFET）和结型场效应晶体管（JFET）等器件的工作原理和特性。
为了理解半导体器件工作原理，本章首先介绍半导体材料的重要物理性质，特别是关于半导体材料的导电机构、能带的概念，以及半导体中载流子的运动规律。
集成电路的成功研制离不开对电路的计算机模拟验证，因此，本章在介绍器件工作原理的基础上，同时给出电路模拟软件中描述这些器件特性的模型和基本模型参数。
2.1 半导体及其能带模型
微电子器件主要是采用半导体单晶材料制造的。之所以能够采用半导体材料制造出神通广大的微电子器件，是因为半导体材料具有一系列不同于导体和绝缘体的特点。本节介绍半导体材料的基本特性，并从能带的角度说明半导体材料的特点。2.1.1 半导体及其共价键结构
本节首先基于普通物理的概念介绍半导体材料的特性。
1.半导体材料（1）半导体导电性的基本特点是“半”导体
物质导电能力的强弱用其电导率表示。电导率的倒数称为电阻率。按照电阻率的大小可将自然界中的物质分为导体、半导体和绝缘体三类，传统的划分“标准”如表2.1所示。表2.1 导体、半导体和绝缘体的划分
需要指出的是，表格中给出的只是一个大概的范围，不存在严格的划分界限。特别是，随着科学技术的进步，人们通过“掺杂”等方法，可以改变一些传统认为是绝缘体的材料（例如氧化铝“陶瓷”）的导电特性，制成半导体器件，因此现在也将这类“绝缘体”材料作为“半导体”材料。（2）半导体导电性的突出特点不仅仅是“半”导体
需要指出的是，在微电子技术中，半导体材料之所以在微电子领域起着突出的作用，并不是由于其导电能力在“数量”上介于导体和绝缘体之间，而是因为它在导电特性上与导体、绝缘体存在有下述重要的“质”的区别。（a）在半导体中加入微量的其他元素原子（称为“掺进杂质”，简称为“掺杂”），可以在很大范围内改变半导体的导电能力。
以目前集成电路生产中使用最多的半导体材料硅为例，室温下理515想的纯硅材料电阻率为2.3×10Ω·cm。但是只要掺入浓度约为5×10/3cm的杂质磷原子，就可以得到电阻率约为1Ω·cm的硅单晶。硅的原223子密度为5×10/cm，这就是说，尽管硅中磷原子的相对含量只为10—7，即只占千万分之一，而导电能力却提高了20多万倍。由此可见，杂质原子的含量虽然微小，但对半导体材料的导电能力却起了决定性的作用。半导体的导电特性可以通过掺杂来控制是采用半导体材料能制成各种半导体器件和集成电路的一个重要原因。
由于半导体材料中包含的微量杂质对材料的导电特性起决定性作用，而且有些杂质还会影响半导体的其他特性，因此在集成电路生产中，要求生产环境必须“超净”。（b）温度也能显著改变半导体的导电特性。
随着温度增高，半导体的导电能力会急剧增强。如半导体材料硅在200℃的电阻率是室温下电阻率的几千分之一，有些半导体材料的电阻率变化更大。电子温度计、自动控制中采用的温敏元件等器件的工作原理都是基于半导体材料的这一特性。
与此形成强烈对比的是，随着温度增高，金属材料电阻却是增大，导电能力减弱。（c）在外界某些因素作用下，如光照、压力等，半导体材料特性也会发生很大变化。基于这一特性，可以制作多种传感器元件。
如半导体材料硫化镉受一般灯光照射后导电能力能提高几十到几百倍。自动控制中的光敏元件的工作原理就是基于半导体材料的这一特性。（3）半导体材料的类型
目前集成电路中采用的半导体材料有元素半导体和化合物半导体材料两类。元素半导体材料主要包括硅（Si）、锗（Ge）等；化合物半导体材料包括砷化镓（GaAs）、碳化硅（SiC）、磷化铟（InP）、氮化镓（GaN）、铝镓砷（AlGaAs）、铟镓砷（InGaAs）等。
目前制造集成电路的主要材料是单晶硅。化合物半导体在微波集成电路中正发挥越来越大的作用。
2.集成电路中常用元素的原子结构
制造集成电路的主要材料是半导体单晶，同时还需要其他材料，特别是三价和五价元素。基于原子结构可以对半导体材料的特性进行初步的直观解释。（1）半导体材料硅的原子结构
在普通物理的原子结构部分已经指出，原子中有一个带正电的原子核和许多个带负电荷的电子。电子在核外分层分布，绕核运动。原子核所带的正电荷正好与电子所带的负电荷总数相等，互相中和，因此整个原子并不显示带电而保持电中性。各种原子之间的差别在于核所带的正电荷数及核外电子数不同。半导体器件生产中常用的硅元素的原子结构模型如图2.1所示，每个硅原子包含有14个电子，在原子核四周分层排列，其中最外层有4个电子。（2）常用元素原子结构简单示意图
由于原子中内层电子离核较近，正负电荷间相吸作用使内层电子受束缚比较紧，不易离开原子而自由活动。实际上在微电子器件工作中起作用的只是最外层的电子，化学上又称为价电子。因此，为了方便起见，通常分析问题时就不需要画出整个原子的结构图，只需画出包含有最外层电子结构的简单示意图。原子最外层有几个价电子就称它为几族元素。按此划分，目前集成电路制造中使用最多的半导体材料硅（Si）是Ⅳ族元素，集成电路生产中使用较多的其他材料磷（P）是Ⅴ族元素，硼（B）是Ⅲ族元素。生产中常用的Ⅴ族元素还有锑（Sb）、砷（As），常用的Ⅲ族元素还有铝（Al）、镓（Ga）等。
图2.2是硅（Si）、磷（P）、硼（B）的原子结构简化示意图。图2.1 硅的原子结构图图2.2 原子结构的简化表示
3.硅晶体中的共价键
按内部原子的排列方式不同，物质可分为晶体和非晶体两大类。原子无规则排列所组成的物质就是非晶体。而晶体是由原子规则排列所组成的。用于制造晶体管和集成电路的半导体材料硅、锗等都是晶体，这就是中文名称“晶体管”的由来。原子结合在一起形成晶体的作用力随晶体种类的不同而异。下面主要介绍硅原子组成晶体的一种作用：“共价键”。
硅晶体的特点是两个原子间靠两个共有价电子构成的共有电子对而连接。硅原子最外层有4个价电子，正好和4个邻近的硅原子组成4对共有电子对。共有电子对称为“共价键”。靠共价键作用形成的晶体结构如图2.3所示。这种晶体称为共价晶体。
4.单晶和多晶
按照原子在整个晶体内的排列形式不同，晶体又分成单晶体和多晶体两种。单晶是指在整个晶体内原子都是周期性的规则排列。而多晶是指在晶体内不同局部区域里原子是周期性的规则排列，但不同局部区域之间原子的排列方向并不相同。因此多晶体也可以看成是由许多取向不同的小单晶体（又称为晶粒）组成的。这也就是多晶体名称的含义。图2.4是多晶体结构的示意图。半导体硅器件生产中所用的原始材料基本上都是单晶体硅，通常称为单晶硅。在MOS集成电路生产中通常采用多晶硅作为栅电极，并作为金属材料以外的另一种互连材料。图2.3 硅共价晶体结构图2.4 多晶结构示意图
5.半导体的导电机构
下面以硅为例，说明半导体的导电机构。（1）热激发
硅单晶是一种共价键晶体结构，与绝缘体一样，每个原子的最外层电子都处于共价键的束缚状态中。因此，纯净的半导体硅，在不受外界作用时实际上与绝缘体类似，内部自由电子很少，导电能力很差。但是与绝缘体不同的是，在半导体中这种束缚作用要弱得多。图2.5 热激发示意图
晶体中的价电子虽然是处于共价键的束缚之中，但在一定的温度下，价电子在键中并不是静止不动，平时称这种运动为热运动。由于硅晶体共价键中价电子所受的束缚较弱，因此，在室温下，处于热运动的价电子中有一部分会因为具有较大的热运动能量，而冲破共价键的束缚成为一个自由电子，与此同时破坏了一个共价键，在该共价键上留下了一个电子“空位”，如图2.5所示。这个过程称为“热激发”。价电子冲破束缚所需要的最小能量称为“激活能”。
显然，如果有外加电场作用，由热激发产生的自由电子会因电场力的作用而定向运动，形成电流，对导电有所贡献。因此，自由电子是半导体材料中的一种主要导电粒子，又称为载流子。
下面分析在共价键上留下的电子“空位”将呈现什么特点，并由此引出一种新的导电载流子—空穴。半导体中同时存在电子和空穴两种载流子是半导体材料区别于导体的一个突出特点。（2）“空穴”的概念
正常情况下，原子核所带的正电荷数与核外电子所带的负电荷总数相等，整个原子是电中性的，不显电性。由于热激发使共价键上一个电子被激发，脱离原来原子的束缚，成为自由电子。这样由于原来处于空位位置的电子跑了，少了一个单位负电荷（—q），就破坏了电中性，等效结果是空位带一个正电荷（+q）。
由于电子无论在哪个键的束缚中所具有的能量都是相近的，因此当晶体中某处共价键上出现一个空位后，与此空位相邻的共价键上的电子就很容易出现在这个空位上。这样，其邻近的价键上就形成了一个新的空位。其效果就好像空位从原来的位置移动到了其附近的价键上去了一样。然后新的空位又会被其附近的价键上的价电子所填充而重复上述过程。这个过程持续下去，就可以等效为这个带单位正电荷（+q）的空位也可以在晶体中运动一样。
由于在晶体中填补空位的是其他价键上带负电荷的电子，在有外加电场E的作用时，负电荷要受到一个逆电场方向的力的作用。因此，这时价电子将逆着电场方向来依次填补空位，其效果相当于带单位正电荷（+q）的空位沿着电场方向运动。这种运动是定向运动，就能形成电流，对导电有所贡献。
尽管空位的运动是价电子依次填充运动的结果，但是为了处理问题的方便，可以将空位的运动看成是一个带单位正电荷（+q）的“粒子”的运动，这个“粒子”就称为“空穴”。
图2.6采用一维示意图简要说明上述“空穴”的概念。假设许多价电子排成一列，其中最左是一个缺少价电子的空位，如图2.6（a）所示。如果左侧第二个电子向左移动，填补该空位，则左侧第二个位置成为空位，相当于空位向右移动了一个位置，如图2.6（b）所示。以此类推，持续上述过程，经过一系列电子左移运动，等效为空位移动到达最右位置，如图2.6（c）所示。
实际上，在日常生活中我们也会遇到类似情况。例如图2.7（a）表示一个装满水的瓶子，只在顶部有个气泡。气泡就是缺少水的空位置。如果像图2.7（b）那样将瓶子倒过来，瓶里的水要发生运动，总效果是气泡从瓶口到达瓶底。因此，只要说“气泡从瓶口跑到了瓶底”就代表了瓶子里所有水的运动效果。图2.6 空穴导电示意图图2.7 气泡的运动（3）半导体中的载流子
由上分析可见，半导体中存在有电子和空穴两种导电“粒子”，统称它们为载流子。理论分析结果表明，在分析半导体材料内部的电流输运机理时，只要将自由电子看成具有一定质量的带负电荷的粒子，将空穴看成具有一定有效质量的带正电荷的粒子即可。从本章后面器件物理分析可知，半导体具有的一系列特性正是由于内部有“电子”和“空穴”两种载流子的结果。2.1.2 半导体的能带模型
上面从原子结构和共价键的角度简要分析了半导体材料中的载流子。如果引入基于量子力学和固体物理理论的半导体能带概念，将可以比较严谨地引入“空穴”。在分析半导体器件特性时也常常用到半导体能带的概念，这是在一种更高的层次上分析半导体材料的导电特性。下面首先引入原子能级的概念，再以对比方式介绍能带的概念和相关结论。
1.能级和能带（1）原子能级
原子中的电子分层绕核运动。从能量的角度看，在各层轨道上运动的电子具有一定的能量，因此能量是不连续的。不同轨道上电子对应的能量只能取某些确定的数值，通常称之为能级。因此可以用电子的能级来描述这些材料。图2.8（a）是硅原子的原子结构图，图2.8（b）则用能级表示硅原子中电子的能级情况，处于第三层的最外层4个价电子位于n=3的能级上。虚线表示的能级代表离开原子核束缚成为自由电子的能量状态。n=1、n=2两个层次则对应于内层束缚电子的能级。（2）晶体中的能带
当原子组成晶体时，根据量子力学原理，单个原子中的每个能级都要分裂，形成能带。严格地说，能带也是由一系列能级构成的，但能带中的能级是如此之多，以至于同一个能带内部各个能级之间的间隔非常小，因此完全可将能带看成是连续的。图2.8（c）为硅晶体的能带图。每个能带分别对应于单个原子中的一个能级。图2.8 原子能级和晶体能带图（3）价带、导带和禁带
与最外层价电子能级对应的能带称为价带。硅原子组成硅晶体后，晶体中价电子正好完全填满了与最外层价电子能级对应的价带。
价带上方是完全没有电子的空能带。根据量子力学理论，价电子到达该空带后将能参与导电，因此该空能带又称为导带。
价带下方是与内层束缚电子对应的能带。各能带之间的间隔中不存在电子能态，因此又称之为禁带。禁带能隙宽度记为E。g
对半导体导电特性起决定性作用的是价带、导带及其间的禁带，故一般能带图中就不再绘出内层电子的能带，只给出价带、导带及其间的禁带，如图2.8（d）所示。记价带顶部能量为E，导带底能量记v为E，则禁带宽度E=E—E。禁带中央的能量位置记为E。cgcvi
2.能带图上表示的自由电子和空穴
引入能带概念后，可以在更高的层次上理解前面介绍的“热激发”过程，以及“自由电子”和“空穴”的概念。
前面从共价键的角度说明，硅晶体中价电子位于价键中，不能参与导电。从能带角度分析，这些价电子填满了价带。根据量子力学理论，如果一个能带完全被电子填满，即使有外加电场作用，这些电子也不会对电流有贡献。
室温下，由于热激发使一部分价电子脱离共价键束缚，成为“自
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