第3章 大规模集成电路基础

第三章大规模集成电路基础§1

半导体集成电路概述

集成电路：IntegratedCircuit，缩写IC

通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能。集成电路的各个引出端（又称管脚，pins）就是该电路的输入、输出、电源和地线等接线端。集成电路发展的特点：性能提高、价格降低集成度速度、功耗特征尺寸可靠性主要途径：缩小器件的特征尺寸增大硅片面积功耗延迟积集成电路发展的原动力：不断提高的性能/价格比集成电路的性能指标：芯片（Chip,Die）：是指没有封装的单个集成电路。硅片（Wafer）：是指包含成千上百个芯片的大圆硅片。集成电路的成品率：Y=硅片上好的芯片数硅片上总的芯片数100%成品率的检测决定工艺的稳定性，成品率对集成电路厂家很重要。成品率受集成电路制作工艺、电路设计、芯片面积、硅片材料质量、指标要求等因素的影响。定义电路的输入输出（电路指标、性能）原理电路设计电路模拟(SPICE)布局(Layout)考虑寄生因素后的再模拟原型电路制备测试、评测产品工艺问题定义问题不符合不符合集成电路的制造过程：设计工艺加工测试封装计算机辅助设计（CAD）（ComputerAidedDesign

）计算机辅助制造（CAM）（ComputerAidedManufacturing

）计算机辅助测试（CAT）（ComputerAidedTest

）§2

双极集成电路基础有源元件（activeelement）：双极晶体管无源元件（passive

element）：电阻、电容、电感等集成电路中的双极晶体管是基于平面工艺，在硅片表面加工制作出来的，由于集成电路中的各种晶体管、二极管、电阻和电容等都是制作在同一个硅片上的，必须使这些器件互相绝缘而成为各自独立的器件，通常的隔离方法有：反向pn结隔离、全介质沟槽隔离、等平面pn结-介质混合隔离以及场氧隔离等等，然后用金属导电薄膜将它们按电路要求互相连接起来。根据使用目的的不同可将双极晶体管分为两大类：放大晶体管和开关晶体管。它们主要的差别是放大管的工作电压较高，由于工作电压的差别，放大管要求的击穿电压较高，因此放大管的外延层厚度和电阻率较大，同时其芯片面积较大。由于电子迁移率大于空穴迁移率，双极集成电路中的基本器件是npn双极晶体管，但在某些电路如模拟电路中为了形成互补电路等也往往需要pnp管。双极数字集成电路基本单元：逻辑门电路双极逻辑门电路类型：电阻-晶体管逻辑(RTL)（resistortransistorlogic）二极管-晶体管逻辑(DTL)（diode-transistorlogic）晶体管-晶体管逻辑(TTL)（transistor-transistorlogic）集成注入逻辑(I2L)（integratedinjectionlogic）发射极耦合逻辑(ECL)（EmitterCoupledLogic）名称基本逻辑工作特点特点RTL或非门饱和型逻辑电路速度慢、负载能力和抗干扰能力差DTL与非门饱和型逻辑电路速度慢TTL与非门饱和型逻辑电路在速度和延迟功耗积方面有所提高I2L或非门饱和型逻辑电路集成密度高、功耗低、延迟功耗积小ECL或/或非门非饱和型逻辑电路速度快、逻辑功能强、抗辐射性能好双极模拟集成电路一般分为：线性电路（输入与输出呈线性关系）非线性电路接口电路：如A/D、D/A、电平位移电路等§3

MOS集成电路基础基本电路结构：MOS器件结构集成电路中MOSFET:按沟道的导电类型分：pMOS,nMOS,CMOS按栅材料分：铝栅和硅栅此外还有DMOS,VMOS,SOIMOSFET,双栅MOSFET硅栅MOS器件的性能远好于铝栅MOS器件基本电路结构：CMOS优点：功耗低、易集成、可按比例缩小。MOS数字集成电路:基本单元是MOS开关和反相器。MOSFET处于大信号时，有导通和截止两种工作状态，因此可以把它作为电子开关。I为输入端，接驱动信号；O为输出端，接负载电容；G为控制端，接控制信号。VG-VT>0VI<VG-VTVO=VI形成沟道导通VG-VT>0VI>VG-VTVO<VG-VT输入端沟道被夹断；输出端沟道仍存在导通VG-VT>0VI>VG-VTVO=VG-VT输出端沟道被夹断截止1、MOS开关2、反相器：输出信号和输入信号反相，能执行逻辑“非”的功能。3、开关串并联的逻辑特性：单个MOS开关及其串并联电路的逻辑状态由施加在开关栅上的控制信号决定。串联的开关的等效逻辑关系可表示为逻辑“与”。G1G2VO~VIG00OFF001OFF010OFF011ON1并联的开关的等效逻辑关系可表示为逻辑“或”。G1G2VO~VIG00OFF001ON110ON111ON14、传输门逻辑：当MOS开关导通时，信号可以从一端传送至一端，所以又把MOS开关称为传输门。5、存储器：MOS可以组成存储器。包括：只读存储器（Read-Only-Memory,ROM）；随机存储器（Random-Access-Memory,RAM）；可编程只读存储器（ProgrammableROM,PROM）。CMOS集成电路:利用nMOSFET和pMOSFET互补的电特性构成CMOS开关，可以弥补单沟道MOS开关在传输高电平时存在着的阈值电压损失问题。与单沟道MOS一样会形成开关、反相器以及逻辑门等。在CMOS集成电路中由于寄生晶体管效应引起CMOS电路的自锁效应（Latch-up）,这是CMOS集成电路的缺点。BiMOS集成电路:双极型集成电路中等速度、驱动能力强、模拟精度高、功耗比较大。CMOS集成电路低的静态功耗、宽的电源电压范围、宽的输出电压幅度（无阈值损失），具有高速度、