微电子学概论第3章大规模集成电路基础.ppt
东北大学东北大学金硕巍金硕巍大规模集成电路基础大规模集成电路基础3.1半导体集成电路概述半导体集成电路概述集成电路（集成电路（Integrated Circuit，IC）芯片（芯片（Chip,Die）硅片（硅片（Wafer）集成电路的成品率：集成电路的成品率：Y=硅片上好的芯片数硅片上好的芯片数硅片上总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品率对集成电路厂家很重要集成电路发展的原动力：不断提高的性能集成电路发展的原动力：不断提高的性能/价格比价格比集成电路发展的特点：性能提高、价格降低集成电路发展的特点：性能提高、价格降低集成电路的性能指标：集成电路的性能指标：集成度集成度 速度、功耗速度、功耗 特征尺寸特征尺寸 可靠性可靠性主要途径：缩小器件的特征尺寸主要途径：缩小器件的特征尺寸 增大硅片面积增大硅片面积功耗功耗 延迟积延迟积集成电路的关键技术：光刻技术集成电路的关键技术：光刻技术(DUV)缩小尺寸：缩小尺寸：0.250.18m mm增大硅片：增大硅片：8英寸英寸12英寸英寸亚亚0.1m mm：一系列的挑战，：一系列的挑战，亚亚50nm：关键问题尚未解决：关键问题尚未解决新的光刻技术：新的光刻技术：EUV SCAPEL(Bell Lab.的的E-Beam)X-ray集成电路的制造过程：集成电路的制造过程：设计设计 工艺加工工艺加工 测试测试 封装封装定义电路的输入输出（电路指标、性能）定义电路的输入输出（电路指标、性能）原理电路设计原理电路设计电路模拟电路模拟(SPICE)布局布局(Layout)考虑寄生因素后的再模拟考虑寄生因素后的再模拟原型电路制备原型电路制备测试、评测测试、评测产品产品工艺问题工艺问题定义问题定义问题不符合不符合不符合不符合集成电路产业的发展趋势：集成电路产业的发展趋势：独立的设计公司（独立的设计公司（Design House）独立的制造厂家（标准的独立的制造厂家（标准的Foundary）集成电路类型：数字集成电路、模拟集成电路集成电路类型：数字集成电路、模拟集成电路数字集成电路基本单元：开关管、反相器、组合逻辑门数字集成电路基本单元：开关管、反相器、组合逻辑门模拟集成电路基本单元：放大器、电流源、电流镜、转换器等模拟集成电路基本单元：放大器、电流源、电流镜、转换器等3.2CMOS集成电路基础集成电路基础有源元件：有源元件：MOS场效应管场效应管无源元件：电阻、电容、电感等无源元件：电阻、电容、电感等 NMOSNMOS开关（传输门）开关（传输门）一一个个MOSMOS管管可可以以作作为为一一个个开开关关使使用用，电电路路中中ClCl是是其其负负载电容。载电容。当当Vc=0Vc=0时，时，M M截止，相当于开关断开。截止，相当于开关断开。当当Vc=1Vc=1时，时，M M导通，相当于开关合上。导通，相当于开关合上。89NMOS传输高电平n输出电压：有阈值损失输出电压：有阈值损失n工作在饱和区，但是电流不恒定工作在饱和区，但是电流不恒定n衬偏效应衬偏效应n增加阈值损失增加阈值损失n减小电流减小电流n低效传输高电平低效传输高电平(电平质量差，充电电流小电平质量差，充电电流小)Vin=VDD,Vc=VDD，VoutVDDVth10NMOS传输门传输低电平特性传输门传输低电平特性漏端漏端(G)(s)(D)器件先处于饱和区，器件先处于饱和区，后处于线性区后处于线性区Vin=0,Vc=VDD11NMOS传输低电平传输低电平n输出电压：没有阈值损失输出电压：没有阈值损失n先工作在饱和区，后进入线形区先工作在饱和区，后进入线形区n没有衬偏效应没有衬偏效应n高效传输低电平高效传输低电平（电平质量好，充电电流大）（电平质量好，充电电流大）Vin=0,Vc=VDD，Vout0ViVViVG G-Vt-Vt时时：输入端处于开启状态输入端处于开启状态，设初始时设初始时Vo=0Vo=0，则则ViVi刚加上时，刚加上时，输出端也处于开启状态输出端也处于开启状态，MOSMOS管导通，管导通，沟道电流对负载电容沟道电流对负载电容ClCl充电，至充电，至Vo=ViVo=Vi。ViVViVG G-Vt-Vt时时：输输入入沟沟道道被被夹夹断断，设设此此时时VoVc-VtVoVc-Vt，则则ViVi刚刚加加上上时时，输输出出端端导导通通，沟沟道道电电流流对对ClCl充充电电，随随着着VoVo的的上上升升，沟沟道道电电流流逐逐渐渐减减小小，当当Vo=VVo=VG G-Vt-Vt时时，输输出端也夹断，出端也夹断，MOSMOS管截止，管截止，VoVo保持保持V VG G-Vt-Vt不变不变。综上所述：综上所述：ViVViVG G-Vt-Vt时时(传传00），），MOSMOS管无损地传输信号管无损地传输信号ViVViVG G-Vt-Vt时时(传传11），Vo=VVo=VG G-Vt-Vt信信号号传传输输有有损损失失，为不使为不使VoVo有损失需增大有损失需增大V VG G。5/29/20231213 PMOS传输门传输特性传输门传输特性漏端漏端(G)(s)(D)传输传输高高电平情况电平情况传输传输低低电平情况电平情况器件先处于饱和区，器件先处于饱和区，后处于线性区后处于线性区器件始终处于饱和区器件始终处于饱和区,直到截止直到截止14传输管（传输管（NMOS/PMOS传输门）传输门）结构简单结构简单有阈值损失有阈值损失NMOS高效传输低电平，低高效传输低电平，低效传输高电平效传输高电平PMOS载流子迁移率小，载流子迁移率小，NMOS传输门应用更多传输门应用更多CMOSCMOS传输门传输门 为了解决为了解决NMOSNMOS管在传输管在传输时的信号损失，通常时的信号损失，通常采用采用CMOSCMOS传输门作为开关使用。传输门作为开关使用。是由一个是由一个N N管和一个管和一个P P管构管构成。工作时，成。工作时，NMOSNMOS管的衬底管的衬底接地，接地，PMOSPMOS管的衬底接电源，管的衬底接电源，且且NMOSNMOS管栅压管栅压VngVng与与PMOSPMOS管管的栅压的栅压VpgVpg极性相反极性相反。5/29/202315CLVVCoutVin Vi为低时：驱动管截止，输出为高电平：Voh=VddVi为高时：输出为低电平：其中Ron为晶体管的导通电阻。为了使Vol足够低，要求Ron与R应有合适的比例。因此，为有比反相器为有比反相器。5/29/202316一、电阻负载反相器一、电阻负载反相器17无比反相器（无比反相器（CMOS）特点：特点：VinVin作为作为PMOSPMOS和和NMOSNMOS的共栅极；的共栅极；VoutVout作为共漏极；作为共漏极；VDDVDD作为作为PMOSPMOS的源极和体端；的源极和体端；GNDGND作为作为NMOSNMOS的源极的源极和体端和体端VVinout反相器的逻辑符号反相器的逻辑符号18CMOS反相器的直流特性反相器的直流特性Vin=0，NMOS截止，截止，PMOS导通，导通，稳态稳态Vout=VDD,“1”；Vin=VDD，NMOS导通，导通，PMOS截截止止,稳态稳态Vout=0；Vin=VDDVDDVout=0Vout=VDDVin=0VDD 反相器的工作特点：反相器的工作特点：Vout=Vin；稳态单管导通，没有直通电流稳态单管导通，没有直通电流19 CMOS与非门与非门CMOS二输入与非门二输入与非门电路图电路图逻辑符号与真值表逻辑符号与真值表120CMOS或非门或非门电路图电路图逻辑图逻辑图真值表真值表21静态静态CMOS逻辑门的构成特点逻辑门的构成特点1）每个输入信号同时接一个）每个输入信号同时接一个 NMOS管和一个管和一个PMOS管管 的栅极的栅极,n输入逻辑门有输入逻辑门有 2n个管子。个管子。2）实现带）实现带“非非”的逻辑功能的逻辑功能 input:x1,x2,xn output:To be continued22F1F2F=F1F2F1F2+F=F1F2ABCF=A BCABCF=ABC+3)逻辑函数逻辑函数F(x1,x2,xn)决定于管子的决定于管子的 连接关系。连接关系。NMOS：串与并或串与并或 PMOS：串或并与串或并与4)静态静态CMOS逻辑门保持了逻辑门保持了CMOS反相器电路的优点。反相器电路的优点。DCBADCBACYC3C2C123 复杂逻辑门的结构复杂逻辑门的结构对于给定电路对于给定电路,根据根据NMOS或或PMOS逻辑逻辑块确定电路功能。块确定电路功能。NMOS：串与并或串与并或 PMOS：串或并与串或并与24举例举例电路图电路图逻辑图逻辑图 Y=(A+B)C+D对于给定功能对于给定功能,先画出先画出NMOS电路电路,PMOS与与NMOS是对是对偶连接关系。偶连接关系。NMOS：串与并或串与并或 PMOS：串或并与串或并与25MOSMOS存储器的分类存储器的分类 MOS存储器主要分为两大类存储器主要分为两大类随机存取存储器（Random Access Memory,RAM）：挥发性存储，断电后存储内容消失。只读存储器（Read Only Memory,ROM）：不挥发性存储，存储内容可以长期保持，至少保持10年以上。不挥发性随机存取存储器(FeRAM,MRAM)26随机存取存储器随机存取存储器RAMRAM分类分类 动态随机存取存储器（Dynamic Random Access Memory,DRAM）:存储原理：依靠电容存储，保持时间短，必须定期刷新。存储原理：依靠电容存储，保持时间短，必须定期刷新。特点：单元电路简单，面积小，有利于提高集成密度特点：单元电路简单，面积小，有利于提高集成密度用途：集成度高、功耗低，适合于计算机的内存用途：集成度高、功耗低，适合于计算机的内存 。静态随机存取存储器（静态随机存取存储器（Static Random Access Static Random Access Memory Memory，SRAMSRAM）：）：存储原理：双稳态电路存储存储原理：双稳态电路存储 ，只要不断电存储信息不会丢失。，只要不断电存储信息不会丢失。特点：电路复杂，占用面积大，集成度不如特点：电路复杂，占用面积大，集成度不如DRAMDRAM高高 。用途：工作速度快，常用来作高速缓冲存储器（用途：工作速度快，常用来作高速缓冲存储器（cachecache）。27只读存储器只读存储器ROMROM的分类的分类1.1.掩模编程的只读存储器（掩模编程的只读存储器（Mask RomMask Rom）：真正真正意义的意义的 只读存储器，存储信息由制作时的某一只读存储器，存储信息由制作时的某一块掩模版确定，产品生产出来存储内容就不能块掩模版确定，产品生产出来存储内容就不能再改变。适合于存储固定程序、常数、字符等再改变。适合于存储固定程序、常数、字符等固定内容。固定内容。2.2.基于熔丝或反熔丝的可编程只读存储器基于熔丝或反熔丝的可编程只读存储器（programmable ROM,PROMprogrammable ROM,PROM）：存储内容由用存储内容由用户编程确定，一般只能编程一次，相当于固定户编程确定，一般只能编程一次，相当于固定内容的只读存储器，但是比内容的只读存储器，但是比Mask ROMMask ROM在应用在应用上有一定灵活性。上有一定灵活性。283.3.可擦除的可编程只读存储器（可擦除的可编程只读存储器（erasable and erasable and programmable ROM,EPROMprogrammable ROM,EPROM）:可以随机改写，擦除和写入时间较长，耗能较大，不如RAM的写入方便，因此归入只读存储器类。只读存储器只读存储器ROMROM的分类的分类(续续)（1 1）紫外光擦除）紫外光擦除 UVEPROM（ulraviolet EPROM）只能在断电情况下全片统一擦除。只能在断电情况下全片统一擦除。（2 2）电擦除）电擦除 EEPROM（electrical EPROM）：按位擦除和改写按位擦除和改写 Flash Memory 一种可全片或按扇区快速擦除的一种可全片或按扇区快速擦除的 EEPROMEEPROM29FeRAM（ferroelectric RAM）,MRAM（magnetic RAM）,RRAM(Resistive RAM)优点：优点：具有具有DRAMDRAM高密度和高密度和RAMRAM随机读随机读/写的特点，不挥发性，保持时间长，耐久写的特点，不挥发性，保持时间长，耐久性好，功耗小、工作电压低、读写速度快、性好，功耗小、工作电压低、读写速度快、以及抗辐射、抗干扰等。以及抗辐射、抗干扰等。缺点：缺点：制作成本高，和常规集成电路工艺制作成本高，和常规集成电路工艺的不兼容性。的不兼容性。前景：前景：取代硬盘实现大容量存储器取代硬盘实现大容量存储器 。不挥发性随机存取存储器不挥发性随机存取存储器30存储器的总体结构存储器的总体结构301存储单元阵列存储单元阵列 2译码器译码器 3输入输入/输出输出 缓冲器缓冲器4时钟和控制时钟和控制 电路电路31DRAM(DRAM(动态随机存储器动态随机存储器)单元工作过程单元工作过程X326-transistor CMOS SRAM Cell WLBLVDDM5M6M4M1M3M2BLQQVDDGNDQQWLBLBLM1M2M4M3M5M6模拟集成电路模拟集成电路一般分为：一般分为：线性电路（输入与输出呈线性关系）线性电路（输入与输出呈线性关系）非线性电路非线性电路接口电路：如接口电路：如A/D、D/A、电平位移电路等、电平位移电路等影响集成电路性能的因素和发展趋势影响集成电路性能的因素和发展趋势有源器件有源器件无源器件无源器件隔离区隔离区互连线互连线钝化保护层钝化保护层寄生效应：电容、有源器件、寄生效应：电容、有源器件、电阻、电感电阻、电感影响集成电路性能的因素和发展趋势影响集成电路性能的因素和发展趋势器件的门延迟：器件的门延迟：迁移率迁移率 沟道长度沟道长度电路的互连延迟：电路的互连延迟：线电阻（线尺寸、电阻率）线电阻（线尺寸、电阻率）线电容（介电常数、面积）线电容（介电常数、面积）途径：途径：提高迁移率，如提高迁移率，如GeSi材料材料减小沟道长度减小沟道长度互连的类别：互连的类别：芯片内互连、芯片间互连芯片内互连、芯片间互连 长线互连长线互连(Global)中等线互连中等线互连 短线互连短线互连(Local)减小互连的途径：减小互连的途径：增加互连层数增加互连层数 增大互连线截面增大互连线截面 Cu互连、互连、Low K介质介质 多芯片模块（多芯片模块（MCM）系统芯片（系统芯片（System on a chip）减小特征尺寸、提高集成度、减小特征尺寸、提高集成度、Cu互连、系统优化设计、互连、系统优化设计、SOC集成电集成电路芯片路芯片中金属中金属互连线互连线所占的所占的面积与面积与电路规电路规模的关模的关系曲线系曲线
