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1、集成电路设计导论云南大学信息学院电子工程系梁竹关第一部分 理论课 第一章 绪言11 集成电路的发展12 集成电路分类13 集成电路设计 第二章 MOS晶体管21 MOS晶体管结构22 MOS晶体管工作原理23 MOS晶体管的电流电压关系24 MOS晶体管主要特性参数25 MOS晶体管的SPICE模型 第三章 MOS管反相器31 引言32 NMOS管反相器33 CMOS反相器34 动态反相器35 延迟36 功耗第四章 半导体集成电路基本加工工艺与设计规则4.1 引言4.2 集成电路基本加工工艺4.3 CMOS工艺流程4.4 设计规则4.5 CMOS反相器的闩锁效应4.6 版图设计 第五章 MOS
2、管数字集成电路基本逻辑单元设计5.1 NMOS管逻辑电路5.2 静态CMOS逻辑电路5.3 MOS管改进型逻辑电路5.4 MOS管传输逻辑电路5.5 触发器5.6 移位寄存器5.7 输入输出（I/O）单元第六章 MOS管数字集成电路子系统设计6.1 引言6.2 加法器6.3 乘法器6.4 存储器6.5 PLA 第七章 MOS管模拟集成电路设计基础7.1 引言7.2 MOS管模拟集成电路中的基本元器件7.3 MOS模拟集成电路基本单元7.4 MOS管模拟集成电路版图设计 第八章 集成电路的测试与可测性设计8.1 引言8.2 模拟集成电路测试8.3 数字集成电路测试8.4 数字集成电路的可测性测试
3、第二部分 实验课1、数字集成电路（1）不同负载反相器的仿真比较；（2）静态CMOS逻辑门电路仿真分析；（3）设计CMOS反相器版图；（4）设计D触发器及其版图；（5）设计模16的计数器及其版图（可选）。2、模拟集成电路设计一个MOS放大电路（可选） 。章次题目教学时 数 第一章绪言2学时第二章MOS晶体管4学时第三章MOS管反相器 6学时第四章半导体集成电路基本加工工艺与设计规则 6学时第五章MOS管数字集成电路基本逻辑单元设计 4学时第六章MOS管数字集成电路子系统设计 4学时第七章MOS管模拟集成电路设计基础6学时第八章集成电路的测试与可测性设计 4学时总计36学时教学进度 表参考文献参考
4、文献 1 1 王志功，景为平，孙玲王志功，景为平，孙玲. .集成电路设计技术与工具集成电路设计技术与工具. . 南京：南京：东南大学出版社，东南大学出版社，20072007年年7 7月（国家级规划教材）月（国家级规划教材）. . 22（美）（美）R.JacobR.Jacob Baker, Harry W. Li, David E. Boyce. Baker, Harry W. Li, David E. Boyce. CMOS Circuit Design, Layout and Simulation. CMOS Circuit Design, Layout and Simulation. 北京
5、：北京： 机械工业出版社，机械工业出版社，2006.2006. 3 3 陈中建主译陈中建主译. CMOS. CMOS电路设计、布局与仿真电路设计、布局与仿真. .北京：机械工北京：机械工 业出版社，业出版社，2006.2006. 44（美）（美）Wayne Wolf. Modern VLSI Design System onWayne Wolf. Modern VLSI Design System onSilicon. Silicon. 北京：科学出版社，北京：科学出版社，2002.2002. 5 5 朱正涌朱正涌. . 半导体集成电路半导体集成电路. . 北京：清华大学出版社，北京：清华大学
6、出版社，2001.2001. 6 6 王志功，沈永朝王志功，沈永朝. .集成电路设计基础集成电路设计基础电子工业出版电子工业出版社，社，20042004年年5 5月（月（2121世纪高等学校电子信息类教材）世纪高等学校电子信息类教材）. .第七章 MOS管模拟集成电路设计基础7.1 引言1、采用数字系统实现模拟信号处理 现实世界中的各种信号量通常都是以模拟信号的形式出现的，设计一个电路系统的基本要求，就是采集与实现系统功能相关的模拟信号，按系统的功能要求对采集的信号进行处理，并输出需要的信号（通常也是模拟量）。信号采集信号采集 滤波放大滤波放大 A/DA/D数字系统数字系统D/AD/A 输出驱
7、动输出驱动模拟量模拟量模拟量模拟量2、集成电路的模块基本上可以分为数字电路和模拟电路两类 模拟信号和数字信号的分析处理方法不同，相应地，模拟集成电路和数字集成电路的设计分析方法也不同。模拟集成电路要求电路的每一个组成单元都必须是精确的，其性能与电路设计和版图设计的相关性比数字集成电路高得多。电路设计要考虑到很多相关因素，例如速度、频率响应、功耗、输入/输出摆幅等；对版图设计从平面布局到各器件几何图形的设计都十分的“讲究”，需要考虑的问题往往比数字集成电路版图设计多得多。3、模块设计随着集成电路规模和设计复杂度的不断提高，采用人工或半自动设计方法必然存在着设计效率低、设计周期长的问题。并且随着集
8、成电路规模的不断扩大，基于晶体管级的电路仿真变得越来越困难，尤其是对于模拟集成电路而言，不仅电路的仿真过程变长而且仿真的收敛性也变差。为了提高设计效率、缩短设计周期，可以首先将复杂的电路划分为若干模块，各个设计小组按照统一的标准并持设计各自的模块，然后分别完成各个模块的晶体管级电路仿真和版图验证，最后在此基础上完成整个系统的集成。-模块设计7.2.1 模拟集成电路中电阻器-无源电阻和有源电 阻 1. 1. 掺杂半导体电阻掺杂半导体电阻 (1)(1)扩散电阻扩散电阻所谓扩散电阻是指采用热扩散掺杂的方式构造而成的电阻所谓扩散电阻是指采用热扩散掺杂的方式构造而成的电阻 。这是最常用的电阻之一，工艺简
9、单且兼容性好，缺点是精度。这是最常用的电阻之一，工艺简单且兼容性好，缺点是精度 稍差。稍差。 (2)(2)离子注入电阻离子注入电阻同样是掺杂工艺，由于离子注入工艺可以精确地控制掺杂同样是掺杂工艺，由于离子注入工艺可以精确地控制掺杂 浓度和注入的深度，并且横向扩散小，因此，采用离子注入方浓度和注入的深度，并且横向扩散小，因此，采用离子注入方 式形成的电阻的阻值容易控制，精度较高。式形成的电阻的阻值容易控制，精度较高。7.2 MOS7.2 MOS模拟集成电路中的基本元器件模拟集成电路中的基本元器件2. 薄膜电阻寄生效应影响了掺杂电阻的应用，所以，除了利用掺杂 区构造电阻外，还常常利用薄膜材料制作电
10、阻。主要的薄膜 电阻有多晶硅薄膜电阻和合金薄膜电阻。(1)多晶硅薄膜电阻掺杂多晶硅薄膜也是一个很好的电阻材料，由于它是生 长在二氧化硅层之上，因此，不存在对衬底的漏电问题，当 然也不必考虑它的端头电位问题，因为它不存在对衬底的导 通。多晶硅薄膜电阻仍然存在寄生电容，但其性质与pn结电 容不同，它的寄生电容是“多晶硅-氧化层-硅” 电容，单位面 积电容的大小由氧化层厚度决定，如果将它们做在场氧化层 之上，则可大大地降低分布电容。可以通过调整多晶硅的掺 杂浓度和多晶硅氧化的方法来调整多晶硅电阻的大小。(2)合金薄膜电阻合金薄膜电阻是采用一些合金材料沉积在二氧化硅或其 他介电材料表面上，通过光刻形成
11、电阻条。常用的合金材料有：Ta，方块电阻： 1010000/ ；Ni-Cr，方块电阻： 40400/ ；SnO2，方块电阻： 804000/ ；CrSiO，方块电阻： 30500/ 。合金薄膜电阻通过修正可以使其绝对值公差达到1 0.01的精度。主要的修正方法有氧化、退火和激光修正 。因此，合金薄膜电阻是制造精密匹配电阻的较好方法。下 表给出几种合金薄膜电阻的特性，并与硼扩电阻做一比较。3、有源电阻所谓有源电阻是指采用晶体管进行适当的连接并使其工作在一定的状态，利用它的直流导通电阻和交流电阻作为电路中的电阻元件使用。双极型晶体管和MOS晶体管均可担当有源电阻。以MOS晶体管为例，将MOS晶体管
12、的栅和漏短接，使得导通的MOS晶体管始终工作在饱和区。（a a）NMOSNMOS管管（b b）PMOSPMOS管管 图图7.2.1 7.2.1 有源电阻有源电阻7.2.2 模拟集成电路中的电容器在模拟集成电路中，电容也是一个重要的元件。在双极型模拟集成电路中，集成电容器用作频率补偿以改善电路的频率特性。在MOS模拟集成电路中，由于在工艺上制造集成电容比较容易，并且容易与MOS器件相匹配，故集成电容器得到较广泛的应用。普通pn结电容的容量较小，有较大的温度系数和寄生效应等缺点，故应用不多。在双极型和MOS模拟集成电路中的电容器大多采用MOS结构或其相似结构。由于在MOS工艺中实现的MOS电容，匹
13、配精度比电阻好，一般约为0.1%5%，因此在D/A、A/D转换器和开关电容电路等集成电路中，往往用电容代替电阻网络。下表列出了扩散电阻、离子注入电阻和MOS电容器的若干性能比较。元 件制造工艺匹配温度系数电压系数电阻器扩散 (W=50m) 离子注入 (W=40m)0.4%0.12%+210-3 /+410-3 / 210-3 /V 810-4 /V电容器MOS (tox=0.1mL= 254 m)0.06%+2.610-3 /10-5/V元件匹配数椐比较元件匹配数椐比较1、以N+硅作为下极板的MOS电容器在MOS模拟集成电路中广泛使用的MOS电容器结构之一 是：以金属或重掺杂的多晶硅作为电容的
14、上极板，二氧化硅 为介质，重掺杂扩散区为下极板，如图7.2.2（a）（b）所 示。（a a）金属做上极板）金属做上极板（b b）多晶硅做上极板）多晶硅做上极板图图7.2.2 N+7.2.2 N+硅做下极板的硅做下极板的MOSMOS电容器电容器2. 以多晶硅作为下极板的MOS电容器以多晶硅作电容器下极板所构造的MOS电容器是无极性电容器，如下图所示。这种电容器通常位于场区，多晶硅下极板与衬底之间的寄生电容比较小。（a a）金属做上极板）金属做上极板（b b）多晶硅做上极板）多晶硅做上极板图图7.2.3 7.2.3 多晶硅为下极板的多晶硅为下极板的MOSMOS电容器结构电容器结构在某些电路中，需用
15、较大的电容或对电容有某些特殊要求，则可采用与双极工艺相容的薄膜技术制作薄膜电容器，形成一个平行板式的薄膜电容器。通常制作的方法是：先在硅材料上生长一层SiO2，然后淀积一层导体作为下电极板，接着再淀积一层介质材料，最后覆盖一层金属导体作为上电极。 3.3.薄膜电容器薄膜电容器图图7.2.4 7.2.4 薄膜电容器薄膜电容器7.2.3 模拟集成电路中的场效应晶体管1、场效应晶体管的特点（1）场效应管是一种电压控制器件。它的输入偏流仅为10-10l0-12A，而且与工作点的设置无关，所以它有很高的输入阻抗，一般约为1010l012，这比普通双极型晶体管的输入电阻要高几个数量级。由于MOS管的这一特
16、性，使其在采样保持和开关电容等电路中得到广泛应用。（2）场效应管的频率响应比横向pnp管好得多，它的跨导比一般双极型晶体管低。因此，在运算放大电路的输入级及电平位移级，若采用场效应管，则其转换速率及频率特性均得到改善。（3）MOS管的集成密度比双极型器件高得多。例如，具有同样性能的MOS运放所占芯片面积，仅是双极运放的3050。（4）MOS管的抗辐射能力较强。（5）用MOS管构成的互补电路，要比双极器件的互补电路更易于配置，结构也简单。这是因为，用CMOS技术容易通过几何图形和工艺参数的控制，制作性能近似相同的p沟和n沟互补电路。而对于双极技术来说，要获得与npn管特性近似相等的横向或纵向pnp管，如不用特殊工艺，几乎是不可能的。由于场效应管的这些特点，使它在模拟集成电路中得到广泛应用。最先得到发展的是结型场效应管(
