超大規模內建電路實體學
一、前言
VLSI（超大規模內建）是一個電子領域，涉及大規模內建電路（IC）的設計，制造和實作。VLSI技術通過制造複雜而強大的電子裝置（如微處理器，存儲晶片和專用內建電路（ASIC））而徹底改變了電子行業。
VLSI技術背後的實體原理對于在微觀水準上了解電子裝置的行為和操作至關重要。以下是VLSI實體學中的一些關鍵概念：
半導體實體：VLSI技術嚴重依賴半導體材料，通常是矽（Si）。半導體具有介于導體和絕緣體之間的特性。半導體的行為受能帶理論、電子能級、摻雜（添加雜質以控制電導率）和載流子傳輸（電子和空穴的運動）等概念的支配。
CMOS技術：互補金屬氧化物半導體（CMOS）是VLSI中使用的主導技術。它采用p型和n型金屬氧化物半導體場效應半導體（MOSFET）來建立數字電路。CMOS器件基于栅極電壓控制、門檻值電壓和形成導電通道來控制電流的原理工作。
MOSFET 操作：金屬氧化物半導體場效應半導體 （MOSFET） 是 VLSI 電路的基本構模組化塊。了解MOSFET工作在VLSI實體中至關重要。MOSFET的操作涉及通過施加栅極電壓來控制電流，進而導緻半導體材料中導電通道的形成或耗盡。
器件擴充：VLSI技術不斷努力減小電子裝置的尺寸，以提高內建密度并提高性能。器件縮放是指縮小IC中半導體和其他元件的實體尺寸的過程。随着器件的縮小，新的挑戰也随之而來，例如漏電流、短通道效應和制造變化。
互連和寄生效應：VLSI電路包含許多金屬互連，可在半導體和其他元件之間提供電氣連接配接。互連的行為受到電阻、電容和電感等寄生效應的影響，這可能導緻信号延遲、功耗和串擾。
工藝技術：VLSI制造涉及一系列複雜的工藝，包括光刻，蝕刻，沉積和摻雜。每個步驟都有助于形成各種元件，例如半導體、互連和隔離結構。了解工藝技術對于優化裝置性能和産量至關重要。
這些隻是VLSI實體學的幾個關鍵方面。随着新技術和材料的開發，該領域是廣闊的，并且不斷發展，以推動內建電路設計和制造的極限。
以下是與VLSI實體相關的一些更重要的概念：
電路設計：VLSI電路設計涉及使用各種元件（如半導體，電阻器，電容器和互連）建立複雜的數字和模拟電路。設計人員使用專門的計算機輔助設計 （CAD） 工具對電路進行模組化和仿真，同時考慮功耗、速度、面積和噪聲等因素。
功耗和能源考慮因素：功耗是VLSI設計中的一個關鍵因素，尤其是在對低功耗器件的需求不斷增加的情況下。功耗是由開關活動、漏電流和動态電容充電等因素引起的。采用電壓調節、時鐘門控和電源門控等技術來降低功耗并提高能效。
半導體器件模組化：半導體器件的精确模組化對于電路仿真和分析至關重要。器件模型捕獲半導體和其他元件的電氣行為，使設計人員能夠預測器件性能并優化電路設計。模型可能包括門檻值電壓、跨導和電容等參數。
制造可變性：在VLSI制造中，工藝參數和材料屬性可能會發生變化，進而導緻裝置性能變化。可變性會影響半導體特性、時序、功耗和良率。統計分析技術和設計政策（如備援和糾錯碼）有助于減輕制造變化的影響。
可靠性和故障機制：VLSI器件受到各種可靠性問題的影響，包括電遷移、熱載流子效應和氧化物擊穿。這些現象會降低器件性能、導緻故障或縮短內建電路的使用壽命。可靠性工程技術旨在確定VLSI裝置的長期功能和魯棒性。
VLSI實體場涵蓋了廣泛的主題，包括器件實體、電路設計、制造技術和系統級考慮因素。它需要對半導體實體學、材料科學、電氣工程和計算機科學有深入的了解。VLSI技術的進步不斷突破電子技術的界限，使更強大和更複雜的內建電路得以開發。
二、筆者觀點
VLSI實體學涵蓋了超大規模內建領域內建電路（IC）的設計、制造和操作的基本原理和概念。它涉及了解半導體實體學，特别是半導體的行為，摻雜和載流子傳輸。總體而言，VLSI實體結合了各種學科，以實作複雜，高性能內建電路的開發。
參考文獻：
【1】“CMOS VLSI Design原理：系統視角”，作者：Neil H.E. Weste和Kamran Eshraghian。
本書全面介紹了CMOS VLSI設計原理，涵蓋了半導體操作、電路設計、互連、存儲器等主題。
【2】“半導體實體與器件：基本原理”，作者：Donald A. Neamen。
本書提供了對半導體實體學的透徹了解，包括能帶、載流子傳輸、p-n結、MOSFET以及與VLSI相關的其他基本概念。
【3】Marius Grundmann的“半導體實體學：包括納米實體學和應用的介紹”。
本書探讨了半導體的實體學，包括量子阱、量子點和納米結構等進階主題，進而更深入地了解半導體器件。
