半导体集成电路原理与设计-绪论

1、半导体集成电路原理与设计参考书目：集成电路原理与设计 甘学温 北京大学微电子技术基础双极、场效应晶体管原理 曹培东 电子工业超大规模集成电路设计 宋玉兴 中国电力集成电路设计与九天EDA工具应用 王志功 东南大学 一、培养目标 本专业培养具备坚实的数理基础及创新精神，掌握微电子学专业所必需的基础知识、基本理论和实验技能，掌握大规模集成电路及其它半导体器件的设计方法和制造工艺、电路与系统的设计知识，能在微电子学及相关领域从事科研、教学、科技开发、工程技术、生产管理与行政管理等工作的高级专业人才。二、基本规格要求 本专业学生主要学习微电子学的基本理论和基本知识，受到科学实验与科学思维的基本训练，具

2、有良好科学素质，掌握大规模集成电路及其他半导体器件的设计、制造及测试所必需的基本理论和方法，具有电路与系统设计、电路分析、器件工艺设计与分析和版图设计等基本能力。毕业生应获得以下几方面的知识和能力：1. 掌握数学、物理等方面的基本知识和基本理论；2. 掌握半导体物理、半导体器件和VLSI设计与制造等方面的基本理论和基本知识，掌握集成电路和其它半导体器件的原理与设计方法，具有VLSI制造的基本知识与技能，掌握新型设计软件；3. 掌握电子电路技术、计算机原理与应用、软件设计与制作等基本知识，以能适应在相应专业（如通信、电子技术、自动控制、计算机应用等）的工作要求；4. 掌握微电子学基本实验技能；5

3、. 了解VLSI和其它新型半导体器件的理论前沿、应用前景和最新发展动态以及电子产业发展状况；6.掌握资料查询、文献检索及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法；具有一定的实验设计，创造实验条件，归纳、整理、分析试验结果，撰写论文参与学术交流的能力。7. 熟悉国家电子产业政策、国内外有关的知识产权及其他法律法规。 绪 论电子元器件发展历程1、电子管2、晶体管：第一个点接触型晶体管于1947年12月诞生 现代晶体管3、集成电路：1958年年以德克萨斯仪器公司的科学家比尔为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，共有12个器件。 集成电路分为小规模（102）、中规模（102103）、大规模（103

4、105）、超大规模（105107）、特大规模（107109）和巨大规模（大于109）集成电路等。现在进入了特大规模集成电路时代。 电子管收音机晶体管收音机1832年诞生了第一台手摇计算机 电子管计算机：第一台计算机ENIAC由18000个电子管组成，占地150m2，重30吨，功率140kw，速度5000次/秒，平均稳定运行时间7分钟。 晶体管计算机现代计算机集成17亿元件的安腾2处理器GPU:集成2.2亿晶体管的N40核心集成电路的分类按功能分类 通用集成电路 专用集成电路ASIC 专用标准电路ASSP按设计制造方法分类 全定制Full Custom 半定制Semi-Custom 可编程Pro

5、grammable ASIC 常规集成电路设计流程1）芯片功能、性能定义2）系统设计、算法设计3）行为级描述，行为级优化4）逻辑综合，逻辑优化，门级仿真，测试生成5）布局布线，参数提取，后仿真，制版数据生成6) 芯片测试，封装。芯片功能定义用户提出芯片功能、性能要求，如：1）CPU芯片：位数、总线宽度、每秒执行指令数、数据传输速率、I/O驱动能力、功耗、工作温度2）视频解码芯片：编解码方式，高清晰度标准清晰度、输入输出信号、控制性号。3）智能卡：存储器容量，签名认证方案，芯片面积，芯片厚度，引脚数，工作电压，接触式非接触式，管脚静电保护，信息保持时间。系统设计、算法设计行为级描述门级描述晶体管

6、级描述芯片版图单元 简单电路的设计555电路的设计及生产过程逻辑功能设计逻辑设计电路设计版图设计工艺设计流片测试封装电路设计封 装全定制设计方法适用于得到最高速度、最低功耗、最省面积的芯片设计。是基于晶体管级的设计，从管子的尺寸、安放位置及管子间的互连着手设计，花费的人工最多，周期最长，适合于大批量生产的芯片设计。可以得到性能最好的VLSI和ASIC。标准单元和门阵列母片都是采用全定制方式精心设计的。半定制设计方法包括门阵列设计法、标准单元设计法、可编程逻辑器件设计法和可编程门阵列设计法。1、门阵列设计法：适用于设计周期短、成本低、批量小的芯片。母片为门阵列或门海，母片上预先已生成固定的晶体管

7、阵列、固定的输入输出压焊块和固定的布线通道。设计人员只需根据电路性能要求完成布线设计。缺点是门的利用率低，芯片占用面积大。2、标准单元法：适用于指标较高、生产批量比较大的芯片。设计时根据要求从单元库中调出所需单元电路和外围单元，进行自动布局布线，完成版图。芯片面积小、设计自由度大。但建立（或引进）一个单元库，初始投资大、成本较高。3、可编程逻辑器件设计方法：利用制造商提供的专用芯片，由设计人员根据电路要求，通过开发工具进行“再加工”，实现特定逻辑。开发周期短，主要包括可编程只读存储器（PROM）、可编程逻辑阵列（PLA）、通用阵列逻辑（GAL）和可编程时序机等。4、可编程门阵列设计方法：现场可

8、编程门阵列（FPGA）近年来得到迅速发展，它集PLD器件现场可编程的设计灵活性和门阵列的高密度于一体。FPGA规模大，适用于时序、组合等各种逻辑电路应用场合，可以替代几十甚至几百块通用集成电路芯片。其单片逻辑门数为1200-20000门，最高达100万门，整个设计过程采用最先进的CAD技术，具有很高的一次成功率。本课程研究内容：（1）数字集成电路原理双极：TTL,ECL,I2L电路等MOS：各种MOS和CMOS电路学习它们特性及分析方法，各种逻辑系列之间的电平转换电路，同学们应对各种电路的特点及适用场合有一个基本的了解。（2）模拟集成电路原理 运放 集成稳压电源 A/D,D/A变换电路，（模数

9、混合电路）（3）设计 版图设计规则 双极、 MOS 正向设计全过程 芯片解剖 可靠性设计 可测性设计逻辑设计-电路设计-版图设计-工艺设计-流片学习IC设计，必须熟练掌握电路部分的基础知识行业发展现状：1、国内IC设计企业已经有400余家，上海地区 136 家、北京地区 122 家、广东地区 60 家、江苏地区 32 家、陕西地区 29 家、四川地区 15 家、浙江地区 15 家、其他地区 27 家。2、半导体工艺引进线：中芯国际（8寸wafer）、上海宏力（8寸wafer）、首钢微电子（8寸wafer）、首都信创（8寸wafer）、天津摩托罗拉、杭州士兰、苏州AMD、苏州INTEL等芯片生产厂。华尔街日报2003年04月01日：中国快速增长的半导体行业已开始令竞争对手屏息观望，台湾花了约