微电子概论

《微电子学概论》1.晶体管是谁发明的？肖克利、巴丁和布拉顿2.集成电路的分类？·按结构分：单片集成电路：它是指电路中所有的元器件都制作在同一块半导体基片上的集成电路在半导体集成电路中最常用的半导体材料是硅，除此之外还有GaAs等混合集成电路：厚膜集成电路薄膜集成电路·按功能分：数字集成电路(DigitalIC)：它是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路模拟集成电路(AnalogIC)：它是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路线性集成电路：又叫做放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路数模混合集成电路(Digital-AnalogIC)：例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等·按应用领域分类数字模拟混合电路非线性电路线性电路模拟电路时序逻辑电路组合逻辑电路数字电路按功能分类GSIULSIVLSILSIMSISSI按规模分类薄膜混合集成电路厚膜混合集成电路混合集成电路BiCMOSBiMOS型BiMOSCMOSNMOSPMOS型MOS双极型单片集成电路按结构分类集成电路3.微电子的特点？微电子学以实现电路和系统的集成为目的，故实用性极强。微电子学中的空间尺度通常是以微米(m,1m＝10－6m)和纳米(nm,1nm=10-9m)为单位的。微电子学是一门综合性很强的边缘学科微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向微电子学的渗透性极强，它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如微机电系统(MEMS)、生物芯片等4.什么是半导体集成电路？集成电路就是将电路中的有源元件，无源元件以及他们之间的互连引线等一起制作在半导体的衬底上，形成一块独立的不可分的整体电路。集成电路的各个引出端就是该电路的输入，输出，电源和地线等的接线端。5.集成电路的性能是有什么描述的？集成度速度、功耗特征尺寸可靠性6.什么是光刻？在衬底表面淀积材料层之后，通常需要将部分区域的材料层保留下来，而将部分区域的材料层去掉，这个衬底表面上定义不同区域的过程就是光刻。7.光刻的常见方法？接触式光刻：分辨率较高，但是容易造成掩膜版和光刻胶膜的损伤。接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙(10～25m)，可以大大减小掩膜版的损伤，分辨率较低投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上的曝光方法，目前用的最多的曝光方式8.光刻的三要素？光刻胶、掩膜版和光刻机9.什么是摩尔定律？1．集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番。2．微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一半。3．用一个美元所能买到的电脑性能，每隔18个月翻两番。10.集成电路的设计特点？·是为解决特定问题构思一个电路的创造性过程。对电路进行分析和比较能够更好地理解设计。将有源元件和无源元件集成在同一个衬底上，几何尺寸受设计者控制；对设计的正确性更为严格，无法用电路试验板验证，使用计算机仿真；设计受工艺水平的约束；引脚有限，检测困难；特有的布局、布线及版图设计；采用层次化设计及模块化设计。11.集成电路的设计流程？·功能设计层次：是最高层次的设计。目标：确定芯片的设计要求，包括：功能、性能、尺寸、功耗等。过程：功能块划分。目的：实现芯片的功能。方法：主要在RTL级进行，依照设计要求，根据经验，使用RTL级行为描述语言（VHDL、Verilog等），对功能块和相互关系进行描述，通过RTL级模拟检验正确性，反复迭代，直到达到要求为止。输出：语言或功能图。·逻辑和电路设计确定满足一定逻辑或电路功能的由逻辑或电路单元组成的逻辑或电路结构。输出：一般是网表和逻辑图或电路图。对于数字电路设计：RTL级描述——逻辑综合软件——标准单元库——门级逻辑网表——逻辑模拟与验证，时序分析和优化。设计前应先决定流片工艺，然后决定与之对应的单元库。·版图设计大多数基于单元库实现，由底向上过程。包括：布图规划布局时钟树产生布线功能块——布线规划——布局——生成时钟树——布线。12.集成电路的版图设计规则？以为单位：把大多数尺寸（覆盖，出头等等）约定为的倍数。与工艺线所具有的工艺分辨率有关，线宽偏离理想特征尺寸的上限以及掩膜版之间的最大套准偏差，一般等于栅长度的一半。优点：版图设计独立于工艺和实际尺寸。以微米为单位：每个尺寸之间没有必然的比例关系，提高每一尺寸的合理度，但简化度不高。13.数字设计电路的流程？数字电路而言，一般采用自顶向下的设计过程，主要包括三个阶段：功能设计（BehavioralDesign）逻辑和电路设计（LogicandCircuitDesign）版图设计（PhysicalDesign）14.集成电路的设计方法？·全定制设计方法版图设计时采用人工设计，对每个器件进行优化，芯片性能最佳、尺寸最小。设计周期长，设计成本高，适用于性能要求极高或批量很大的产品，如：模拟电路，高性能数字电路等。符号式版图设计：用一组事先定义好的符号来表示版图中不同层版之间的信息，通过自动转换程序转换。符号图：棍图、固定栅图、虚网格图等。·标准单元设计方法（SC方法）概念：从标准单元库中调用事先经过精心设计的逻辑单元，并排列成行，行间留有可调整的布线通道，再按功能要求将各内部单元以及输入/输出单元连接起来，形成所需的专用电路。需要全套掩膜版，属于定制设计方法。可变的单元数、压焊块数、通道间距，布局布线的自由度增大。较高的芯片利用率和连线布通率依赖于标准单元库，SC库建立需较长的周期和较高的成本，尤其工艺更新时适用于中批量或者小批量但是性能要求较高的芯片设计·积木块设计方法（BBL方法）布图特点：任意形状的单元（一般为矩形或“L”型）；可放置在任意位置，更高的布图密度；无布线通道。特点较大的设计自由度，采用兼容设计思想,可以在版图和性能上得到最佳的优化。可由几个功能块组成电路。标准单元与BBL结合，不同部分采用不同方法设计。布图算法正在发展中，通道不规则，连线端口在单元四周，位置不规则·门阵列设计方法（GA方法）优点：设计周期短；设计成本低，适合设计适当规模、中等性能要求；设计时间短、数量相对较少的电路。不足：设计灵活性较低；门利用率低；芯片面积浪费；速度低、功耗大。·可编程逻辑器件设计方法概念：用户通过生产商提供的通用器件自行进行现场编程和制造，或者通过对与或矩阵进行掩膜编程，得到所需的专用集成电路。（现场编程，掩膜编程）1）可编程阵列逻辑（PAL）PAL：固定或矩阵（八个输入端即可满足逻辑组合要求），可编与矩阵（输入项可增多）。结构简化、工艺简单；现场编程；不同输出结构选用不同的PAL器件。2）通用阵列逻辑（GAL）GAL：固定或矩阵。提高可编程速度和器件速度；电擦写，可重复编程，不需要窗口式的封装；输出逻辑单元有一些考虑：可编程可重新配置；有安全保护单元；现场编程。3）现场可编程门阵列（FPGA）集成度高，可达上百万门；使用灵活，引脚数多，可多达上百个，可以实现更为复杂的逻辑功能4）系统内编程逻辑器件（IS-PLD）具有GAL和HDPLD的可编程、再配置功能；可编程、再配置在系统内或PCB板上进行；消除管脚多次弯曲；易于进行电路版级测试；一块电路板有不同功能：硬件软件化。14.什么是VHDL？标准硬件描述语言特点：设计可按层次分解；每个设计元素既有良好的定义界面（为了与其他元素连接），又有精确的行为描述（为了模拟它）；行为描述即可用算法也可用实际硬件结构来定义元素的操作。例如：元素——算法定义——验证——硬件定义；并行性、定时和时钟都可被模型化。VHDL可以处理异步、也可以处理同步时序电路结构。设计的逻辑操作和定时特性都可被模拟。15.综合？概念：通过附加一定的约束条件，从设计的高层次向低层次转换的过程，是一种自动设计的过程。分类：1）高级综合：算法——RTL。核心：分配（ALLOCATION）：给定性能、面积/功耗条件下，确定硬件资源：执行单元、存储器、控制器、总线等，产生数据通道。调度（SCHEDULING）：确定这些结构的操作次序。目标：找到代价最小的硬件结构，使性能最佳综合过程：编译RTL级描述。编译结果转换成中间数据结构。（控制数据流图）利用数据流综合子系统、控制流综合子系统，得到数据通道和控制部分。（RTL级网表）利用RTL两级工艺映射，得到工艺相关的结构最终得到逻辑图综合中的优化问题（黑箱）：资源共享、连接优化、时钟分配等。优化目标：面积、速度、功耗、可测试性。2）逻辑综合。综合过程：设计描述。设计编译。逻辑化简和优化：完成逻辑结构的生成与优化，满足系统逻辑功能的要求。利用给定的逻辑单元库进行工艺映射，对生成的逻辑网络进行元件配置，进而估算速度、面积、功耗，进行逻辑结构的性能优化。得到逻辑网表。综合中的优化问题：数学方程的化简。优化目标：面积、速度、功耗、可测试性。物理综合：逻辑图或电路图到版图，严格说应该是同级驱动。16.逻辑、电路、时序、混合模拟的特点？1）逻辑模拟：逻辑模拟的基本概念：将逻辑设计输入到计算机，用软件方法形成硬件的模型，给定输入波形，利用模型算出各节点和输出端的波形，判断正确与否。主要作用：验证逻辑功能和时序的正确性。分类：根据所模拟逻辑单元规模的大小。寄存器传输级模拟：总体操作正确性。功能块级模拟：加法器、计数器、存储器等。门级模拟：基本逻辑单元：门、触发器等。开关级模拟：晶体管：后仿真。