数字集成电路设计之集成电路设计概论

数字集成电路设计主讲教师主讲教师::董艳燕董艳燕[e-mail][e-mail]1313617218813136172188赛博北楼赛博北楼408408--22课堂教学40学时、实验10学时————课程概况课程概况课程概况课程概况一、课程安排学时数:52学时周次周次学时学时实验性质实验性质实验内容实验内容序号序号1313周周四周周四22验证验证与非门版图的设计和验证与非门版图的设计和验证441313周周一周周一22综合综合反向器，版图设计和验证反向器，版图设计和验证331212周周四周周四33综合综合反向器原理图的输入和仿真反向器原理图的输入和仿真221212周周一周周一33验证验证UNIXUNIX操作系统操作系统11实验10学时安排如下：333888222444555666777集成电路器件及模型集成电路器件及模型集成电路制作工艺集成电路制作工艺基本单元电路基本单元电路基本模块基本模块I/OI/O设计设计MOSMOS存储器存储器设计方法和版图设计设计方法和版图设计内容简介内容简介111绪论绪论————内容简介内容简介1、甘学温，赵宝瑛等著，集成电路原理与设计，北京大学出版社，2006年2、JanM.Rabaey等著，周润德等译，数字集成电路：电路、系统与设计(第2版)，电子工业出版社，2004年3、Sung-MoKang等著，王志功等译，CMOS数字集成电路分析与设计(第3版)，电子工业出版社，2004年4、R.JacobBaker等著，陈中建译，CMOS电路设计、布局与仿真，机械工业出版社，2006年5、J.Bhasker著，徐振林译，VerilogHDL硬件描述语言，机械工业出版社，2000年著作：参考文献参考文献————参考文献参考文献集成电路原理与设计微电子学概论课程学术期刊：半导体学报、电子学报、电路与系统学报固体电子学研究与进展、微电子学、半导体技术、微电子技术AppliedPhysics、JournalofAppliedPhysics、ThinSolidFilm、IEEEElectronDeviceLetters网络资源：参考文献参考文献————参考文献参考文献授课、成绩评定方法授课、成绩评定方法zz考试成绩考试成绩:70%:70%zz实实验验:20%:20%zz平时成绩平时成绩::10%10%答疑时间答疑时间::周五下午周五下午作业作业::每一个人准备一本作业本，严禁用单页纸交作业作业和实验作业和实验实验报告：实验报告：采用规定的实验报告单采用规定的实验报告单————作业和实验作业和实验绪论第一章第一章人类社会已经进入硅器时代！●1947年12月,美国贝尔实验室WilliamShockley领导的研究小组发现了晶体管效应●1948年6月向全世界公布硅器时代的进程-晶体管效应的发现获获19561956年年NobelNobel物理奖物理奖Ge材料点接触是金硅时代的奠基人：硅时代的奠基人：33位科学家位科学家W.W.SchokleySchokley,,J.BardeenW.BrattainW.BrattainThethreeinventorsofthetransistor:(lefttoright)WilliamShockley,JohnBardeen,andWalterBrattain,whowereawardedthe1956NobelPrizeinphysics.z1958年美国德州仪器TI公司ClairKilby研究小组发明了第一块集成电路，1T,3R,1C,锗半导体。1959年2月申请专利硅时代的飞跃-集成电路的诞生获获20002000年年NobelNobel物理奖物理奖衬底:Ge集成电路更先进的方案第一个单片平面集成电路1961年仙童公司set/resetflip-flop2Fairchildresistortransistorlogicintegratedcircuit.从沙子(硅)到晶圆地球上丰富度仅次于氧的硅是天然半导体，先拉成晶锭，后制作出晶圆沙子硅单晶棒硅片芯片制造过程芯片制造过程由氧化、淀积、离子注入或扩散等形成新的薄膜或膜层曝光刻蚀硅片带芯片的硅片用掩膜版重复20-30次集成电路的基础——MOSFETGateDrainSourcen+n+LeffLDrawnLDp-substrateSGDPolyOxideWn+n+线宽(Linewidth),特征尺寸(FeatureSize)指什么？沟道长度为沟道长度为0.150.15μμmm的晶体管的晶体管90nm栅长的晶体管的晶体管不同栅长的晶体管CMOS集成电路n-wellp-substrateSGDp+p+n+BBSGDn+n+p+VinVoutVDDGNDCLPMOSNMOSVDDVDDVoutVoutRonnRonpVin=VDDVin=GND100μm头发丝粗细50μm30μm1μm×1μm(晶体管的大小)比较：90年代生产的IC中晶体管大小与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小单晶硅和单晶硅片晶圆（晶圆（wafer)wafer)和裸片（和裸片（diedie））切割后、加工过电路的硅圆片die:waferdie:wafer上的每一单元上的每一单元实际的集成电路芯片显微照片裸片裸片键合(连接到封装的引脚)各种IC封装外型引脚细密；高电、热性能封装封装,,集成电路成品集成电路成品集成电路芯片（芯片（chipchip））放大的芯片内部结构电路图VddABOutz集成电路：IntegratedCircuit，缩写ICz芯片：chip—将晶体管、二极管和电阻、电容以及之间的互连线，“集成”在一块半导体单晶片，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能没有封装的集成电路基本概念—该类器件广泛应用于电子信息产业，几乎所有的电子产品均由集成电路装配而成什么是微电子技术™在1微米（um）尺度以下做文章。1微米=1/1000毫米=1/100人的头发™微电子学是半导体中的固体电子学。（金属＜ρ半导体＜绝缘体）™微电子技术的尺度划分分子原子纳米材料ULSIMEMS０.1nm100nm1um10um０.5um印制板+分离元器件数字及模拟电路半导体（硅）芯片数字及模拟电路™对比电子技术微电子技术微电子学光纤通信集成电路（LD，PD）微波集成电路（MMIC）传感器IC（光敏，力敏，压敏，磁敏）存储器（DRAM．SRAM．ROM）中央处理单元（主板-CPU．单片机-MCU）通用模拟集成电路（运放等）专用集成电路（ASIC）特种集成电路硅集成电路（IC）半导体器件半导体材料元素半导体—锗(Ge)，硅(Si)化合物半导体纳米新材料—晶体管，MOS管，光电器件，微波器件，传感器件集成电路应用集成电路对人类的影响航空航天军事汽车生产科研学习,生活……集成电路是整个信息产业的核心和基础，而且已经成为高科技产业的支柱，集成电路发展水平完全能够反应一个国家的科技水平，军事水平和综合实力！卫星通信接收机GPS接收机队内外收音机高频甚高频接收机战场笔记本激光瞄准仪热成像仪夜间战术图像系统夜视镜单兵作战需要集成电路为核心的高科技装备!现代信息社会的基础现代信息社会的基础ICIntel的CPU验证摩尔定律埃尼雅克(ENIAC)电子数字集成计算器1946年2月宾夕法尼亚州立大学莫尔学院占地：150mm2速度：5000次/秒，重量30吨功耗：174千瓦，平均无故障时间2.5h1）第一台通用计算机集成电路发展历程18,000个真空电子管70000个电阻10000个电容60000个继电器第一代电子计算机：ENIAC–这样的计算机能够进入办公室、车间和家庭？当时有的科学家认为全世界只要4台ENIAC1.11.1集成电路的发展集成电路的发展–缺点:电子管多,整体失效率高,电子管寿命短,耗电量高(飞机、导弹上问题大)启动要预热不利于军事装备–比人工计算快了20万倍,被放置在美国弹道实验室,完成了许多军事课题:氢弹–目前，全世界计算机不包括微机在内有几百万台，微机总量约6亿台，每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量Intel公司,1971年4004中央处理器(CPU)2,300晶体管,硅栅PMOS工艺，10μm线宽,108KHz时钟第一块微处理器标志着进入大规模集成电路时代usedintheAltairusedintheAltaircomputer.computer.manufacturedinamanufacturedinasilicongateNMOSsilicongateNMOSprocesswithprocesswith66µµmmlinewidthslinewidths,1,1polysiliconlayerpolysiliconlayerandand11metallayermetallayer,,6,0006,000transistorstransistors,a2MHz,a2MHzclockspeedandaclockspeedanda20.0mm2diesize20.0mm2diesize1974-Intel808080808080IBMfortheIBMPC,thebiggestsemiconductordesignwinever.manufacturedinasiliconGateNMOSprocesswith3µm，1polysiliconlayerand1metallayer,29,000transistors,a5to10MHzclockspeed19781978--Intel8086/8088Intel8086/808880868086微处理器的性能8080808080868086802868028680386803868048680486PentiumPentiumPentiumProPentiumProPentiumIIIPentiumIIIItaniumItaniumPentiumIVPentiumIV1.11.1集成电路的发展集成电路的发展Moore’sLaw…ContinuestoPowertheNetMooreMoore’’sLawsLaw……ContinuestoPowertheContinuestoPowertheNetNet20032001Productionready0.13µmGatewidth200565nm200932nm200745nm70n70nmm30nm30nm20nm20nm15nm15nmRaisedRaisedSource/Source/DrainDrain30nm30nmSiliconSiliconOxideOxideGateGateHighHigh--kGatekGateDielectricDielectricTerahertzTransistorStructureFullyDepletedFullyDepletedChannelChannel90nm0.35µm0.25µm0.18µm199919971995.13.13μμmm50n50nmm.20.20μμmm.35.35μμmmSource:Intel划分集成电路规模的标准数字集成电路类别MOSIC双极IC模拟集成电路SSI＜102＜100＜30MSI102～103100～50030～100LSI103～105500～2000100～300VLSI105～107＞2000＞300ULSI107～109GSI＞109●代表：动态存储器DRAM（及SRAM、ROM、E2PROM）中央处理单元CPU（及MCU）专用集成电路ASIC（及FPGA、PLD、单片机）ThenumberofcomponentsperICdoubl