电子科技大学集成电路原理讲义

集成电路原理与设计王向展电子科技大学微电子与固体电子学院教学大纲2《集成电路原理与设计》课程教学大纲课程编号：65030845学时：72（含实验16）学分：4.5先修课程：《电路分析基础》、《模拟电路基础》、《半导体器件物理》、《数字逻辑设计及应用》一、课程性质和任务本课程属专业方向选修课，是微电子学专业的主干课之一。其任务是：在巩固基础课及相关专业课程的前提下，学习并掌握双极型和MOS逻辑/模拟集成电路的基本单元结构、工作原理及其电学特性；能进行双极/MOS集成电路的电路拓扑及版图的分析与设计；了解VLSI测试与封装技术和VLSI系统设计的基本概念及思想；对现代VLSI集成电路中出现的新机制、新效应有较充分的认识。二、教学内容和要求第一部分：双极逻辑/模拟集成电路集成电路中的双极晶体管（npn、纵向/横向pnpBJT）的器件结构、特性及集成化所产生的寄生效应。以复习为主，却是学习后面课程内容的基础。通过对比、联系，掌握TTL、ECL和I2L电路的基本结构、工作原理、电学特性及设计特点，以便在应用时充分发挥各自优点。双极型模拟IC基本单元电路（如有源负载、恒流源、基准电压源、差分对等）的结构、工作原理和特性。为重点掌握内容，要求能在实际电路设计时正确选择适当的组态。双极型IC设计的工艺流程和版图设计规则。着重掌握集成BJT、二极管、SBD、肖特基晶体管的器件与版图设计。第二部分：MOS逻辑/模拟集成电路复习并巩固增强型、耗尽型P/NMOSFET的器件结构、交直流特性及其寄生效应。各种MOS反相器的结构、静态/瞬态特性的分析与比较，属重点内容。要求能概括总结出各自的优缺点，并能在应用中加以考虑和改进；了解CMOS传输门的工作原理。分析比较静态、动态和准静态CMOS电路的特性与特点；小尺寸高速IC中的互连延迟分析与计算；要求掌握几种CMOS变型电路的特点和用途。MOS模拟IC基本单元结构、工作原理和特性。能在实际设计时正确选择适当的组态。集成运放等模拟IC的性能分析与计算；根据给定的主要性能指标，设计出相应的MOS集成运算放大器并加以模拟验证。强调应用，属重点和难点内容。在掌握以上知识点的基础上，适当补充与开关电容电路、D/A、A/D等较复杂电路模块及低压低功耗LV/LP等新型电路技术原理及设计思想相关的内容，以拓宽学生视野，加深对VLSI电路与设计技术的理解。三、教材和参考资料教材：高等学校工科电子类规划教材：《半导体集成电路》，张开华，东南大学出版社，1995年。参考资料：1995年以前：1、《双极集成电路分析与设计基础》，贾松良，电子工业出版社，1987年。TN431146。2、《MOS集成电路分析与设计基础》，张建人，电子工业出版社，1987年。3、《CMOSVLSI设计原理和系统展望》，[美]，NeilWeste著，高教出版社。TN47W388。4、《超大规模集成物理学导论》，童勤义，电子工业出版社。TN471。5、《集成电路设计原理——模拟集成电路》，复旦大学微电子教研室，高教出版社。TN431.15222。6、《超大规模集成电路技术》，[美]，施敏，科学出版社。TN49S93。7、《双极与MOS模拟集成电路设计》，[美]，艾伦.B.格里本，上海交大出版社。TN431.19188。1995年及其以后：1.半导体集成电路，朱正涌，清华大学出版杜2001年1月第一版。2.数字集成电路设计透视（英文），J.M.Rabaey，清华大学出版社（影印），1999年2月第一版。教学大纲33.CMOS数字集成电路——分析与设计，S-M.Kang，清华大学出版社（影印），2004年8月第一版。4.CMOS模拟电路设计，P.E.艾伦，D.R.霍尔伯格，科学出版社，1995年3月第一版。5.CMOS模拟电路设计（英文），P.E.Allen，D.R.Holberg，电子工业出版社，2002年6月第二版。6.模拟CMOS集成电路设计，毕查德.拉扎维著，陈贵灿等译，西安交通大学出版社，2003年3月第一版。7.模拟集成电路的分析与设计，P.R.Gray等著，高等教育出版社，2003年10月第一版。4第一章绪论1.1集成电路的分类集成电路（IntegratedCircuit，IC），是指用半导体工艺，或薄膜、厚膜工艺（或这些工艺的组合），把电路的有源器件、无源元件及互连布线以相互不可分离的状态制作在半导体或绝缘材料基片上，最后封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有特定功能的电路、组件、子系统或系统。根据工艺和结构的不同，可将IC分为三类：·半导体IC或称单片（Monolithic）IC——集成度高、体积小、生产效率高，适合规模生产。难以制作高精度、高阻值、大容量电容、电阻以及电感。·膜IC，又可分为两种厚膜电路——用于制作电阻器、电容器以及相互间的电连接。比单片IC面积大，一般功率较大，频率较高（可达1GHz）。主要工艺为漏印（丝网印刷）。设备费用和材料费用低。膜层典型厚度约为20m，最小导电带宽度250m，最小电阻器宽度约1250m。薄膜电路——主要用以制作电阻器和电容器。可通过激光修条精确调整阻值，性能和温度特性优良。主要工艺涂敷、淀积、光刻、腐蚀等。所需设备复杂，费用较高。典型膜厚1000500Å。·混合IC（HybridIC）——指将两个或更多的不同类型集成电路芯片、有时也包括一些分立元件，组合成一个整体，密封在一个管壳内，构成所谓HIC。HIC一般体积较大，但性能得以提高。本课程的研究对象为半导体集成电路。如按集成度高低分类，则半导体IC可分为：表1-1IC按集成度的分类分类标准SSIMSILSIVLSIULSIGSI5集成度102102103103105105107107108109其中，集成度是指在单块晶片上或单个封装中构成的IC所包含的最大元器件（包括有源和无源元件）数。而SSI，MSI…GSI等分别为各分类的英文缩写，即SmallScaleIntegration，MediumScaleIntegration…GiantScaleIntegration。此外，还有按其他标准的一些IC分类，如按电路功能和所处理信号的不同，可分数字或逻辑IC（Digital/LogicIC）、模拟IC（AnalogIC）和数模混合IC（Digital-AnalogMixedIC）；根据所采用晶体管的不同，又可分为双极型IC和MOS型IC。1.2半导体集成电路发展概况与国内外现状1.2.1IC历史回顾与展望1947年发明第一只点接触式晶体管（1947年12月23日）1948年发明结型晶体管（[美]BELL实验室的肖克莱W.Shockley，于1948年1月提出结型晶体管模型和场效应理论，并研制出第一只结型晶体管，因此与布拉顿W.H.Brattain、巴丁J.Bardeen一起荣获1956年诺贝尔物理学奖）50年代晶体管得到大发展（材料由GeSi）1958年发明了第一块简单IC（1958年9月12日，TI公司的JackS.Kilby在德州仪器半导体实验室展示了一个构造较为简单的设备。第一次将所有有源和无源元器件都集合到只有一个曲别针大小（不足1/2英寸见方）的半导体材料上。Kilby本人也因此与赫伯特·克勒默和俄罗斯的泽罗斯·阿尔费罗夫一起荣获2000年度诺贝尔物理学奖）1959年美国仙童公司Fairchilds的诺依斯开发出用于IC的平面工艺技术，从而推动了IC制造业的大发展。60年代TTL、ECL出现并得到广泛应用1966年MOSLSI发明（集成度高，功耗低）70年代MOSLSI得到大发展（出现集成化微处理器，存储器）80年代VLSI出现，使IC进入了崭新的阶段。（其标志为特征尺寸CD2m，集成度105个元件/片）90年代ASIC、ULSI和巨大规模集成GSI等代表更高技术水平的IC不断涌现，并成为IC应用的主流产品。21世纪系统集成SOC、纳米器件与电路等领域的研究已经展开，（展望）可望突破一些先前认为的IC发展极限，对集成电路IC的涵义也将有新的诠释。1.2.2世界半导体行业概况61、世界主要半导体公司INTEL[美]TI（德州仪器）[美]NEC[日]FUJITSU（富士通）[日]TOSHIBA（东芝）[日]三菱电机[日]MOTOROLA[美]PHILIPS[荷]HITACHI（日立）[日]松下[日]AMD[美]IBM[美]NS[美]OnSemi[美]SAMSUNG[韩]ADI[美]FreeScale[美]MAXIM[美]InfineonTechnologies[德]（原Siemens公司的半导体分部）SGS-ThomsonMicroelectronics[意、法]（即STM，与赛格SEG合资在深圳创建了赛意法STS公司，STM控股）EricssonComponents[瑞典]2、全球半导体行业状况总结晶体管发明于美国、半导体集成电路也首先在美国诞生。IC诞生后四十多年中，除了80年代后半期日本曾一度超过美国之外，美国一直在世界上占绝对优势。现在仍是日本第二。美国在4英寸线中（占45％）和8英寸线中（占31％）名列世界第一；而日本在5英寸线中（占47％）和6英寸线中（占43％）名列世界第一。韩国在80年代以倾国的财力发展IC之后，跃居到世界第三，尤其是在DRAM存储器生产方面走在世界的前列。我国台湾省自1987年台积电实行Foundry以来，台湾的IC代工业在最近十几年来发展迅速，整个IC产业产值已上升到世界第四位，正在接近并可能赶上韩国。而我国内地的IC业产值目前在世界上还排不上名次。1.2.3中国半导体工业发展与现状1、主要的工厂：北京：774厂（东方）、878厂锦州：777江苏：742厂华晶（无锡）无锡微电子科研中心（原中央研究所）矽科微电子公司（原工厂）江西：南昌746厂湖南：长沙4435厂贵州：873、4433厂四川：970（亚光）871厂青川773（红光）甘肃：749厂871厂天光（天水）7华越（绍兴）西安：877（卫光）、2、主要研究所：中电集团13所（石家庄）：微波、GaAsFET中电集团24所（重庆）：模拟IC中电集团55所（南京）：微波、GaAsFET中电集团47所（沈阳）：数字IC中电集团58所（无锡）：数字、模拟IC兵器部214所（蚌埠）：军品航天部771所（西安）、772所（北京）：军品、航空航天中科院上海冶金所3、“8.5”期间的发展：华晶“908”工程华越上无14厂+外资PHILIPS贝岭（中资85%）上无26厂+外资PHILIPS菲利浦（外资51%）首钢+NEC首钢NEC（日方控股）4、“9.5”期间新建项目：“909”工程——上海华虹NEC（其中中方投资100亿）1条8英寸、CD=0.350.5mIC生产线1条8英寸硅单晶生产线7家设计公司：深圳国微电子有限公司熊猫电子集团电子设计公司北京华大集成电路设计公司深圳华为技术有限公司航天科技集成电路设计（深圳）公司华微电子有限公司上海冶金所微电子设计公司5、“10.5”期间新建项目：虽然一条生产线投资十多亿美元，但这种高投入仍然挡不住北京、上海进军芯片制造业的步伐。两地都宣布要成为中国的半导体产业中心，并已有两家芯片厂于2000年12月20日同时8动工，对外公布首批动工兴建的都是８英寸、0.25微米芯片生产线。其中，上海宏力半导体制造有限公司投资最大，计划总投资60亿美元，仅首期投入就达16.3亿美元。该公司由国家主席江泽民之子江绵恒担任副董事长、台塑集团董事长王永庆之子王文洋出任总经理兼执行长。宏力预计2002年上半年投产，年产3.5万片8吋晶片。另一家为北京华夏半导体制造有限股份公司，计划总投资额13.35亿美元。此外，还有中芯国际集成电路制造（上海）有限公司计划投资15亿美元。北京讯创集成电路股份有限公司规模最小，总投资仅2亿美元，由北京电子控股公司、北京东方电子、北京700厂及海外投资者合作提供。在京沪两地华夏、讯创、宏力、中芯四家公司中，中国地方政府都有投资。背景信息：据