半导体集成电路.ppt

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1、2022-1-1612022-1-162总复习1 1绪论绪论 集成电路的概念集成电路的概念 什么是集成电路？什么是集成电路？ 相关基本概念相关基本概念 集成电路的分类集成电路的分类 集成电路的过去，现在和未来集成电路的过去，现在和未来 我国集成电路产业现状我国集成电路产业现状2022-1-1632022-1-164 形状：形状：一般为正方形或矩一般为正方形或矩形形 面积面积: : 几平方毫米到几百平方毫米。面积增大引起几平方毫米到几百平方毫米。面积增大引起功耗增大、封装困难、成品率下降，成本提高，可通过功耗增大、封装困难、成品率下降，成本提高，可通过增大硅园片直径来弥补。增大硅园片直径来弥补。

2、晶圆尺寸晶圆尺寸(Wafer Size)芯片尺寸芯片尺寸(Die Size)6英寸、英寸、8英寸、英寸、12英寸英寸几平方毫米到几百平方毫米几平方毫米到几百平方毫米2022-1-165 集成度、规模：集成度、规模：每块芯片包含的晶体管数目或等效逻辑门(2输入的NAND)的数量1个2输入的NAND=4个晶体管2022-1-166 特征尺寸特征尺寸 集成电路器件中最细线条的宽度，对MOS器件常指栅极所决定的沟道几何长度，是一条工艺线中能加工的最小尺寸。 反映了集成电路版图图形的精细程度，特征尺寸的减少主要取决于光刻技术的改进（光刻最小特征尺寸与曝光所用波长）。2022-1-167半半导导体体集集成

3、成电电路路按集成度按集成度(规模规模)分分SSI（100以下以下个等效门）个等效门）MSI（10103 3个等效门）个等效门）LSI （10104 4个以上等效门）个以上等效门）按器件类型分按器件类型分双极型集成电路双极型集成电路MOS集成电路集成电路BiCMOS集成电路集成电路按处理信号方式分类按处理信号方式分类数字集成电路数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路数模混合集成电路数模混合集成电路通用集成电路通用集成电路专用集成电路专用集成电路专用标准集成电路专用标准集成电路全定制全定制半定制半定制可编程可编程2022-1-168二二. . 集成电路制造工艺集成电路制造工艺 双极集成电路工艺双极集

4、成电路工艺 CMOSCMOS集成电路工艺集成电路工艺 Bi-CMOSBi-CMOS集成电路工艺集成电路工艺重点掌握工艺流程，断面图重点掌握工艺流程，断面图2022-1-169pn+n-epin+P-Sin+-BLCBESP+P+2022-1-1610P-SiTepiCBEpn+n-epin+P-SiP+P+Sn+-BLTepiAATBL-uptepi-oxxmcxjc四层三结结构的双极晶体管四层三结结构的双极晶体管2022-1-1611ECB2022-1-1612VDDP阱工艺阱工艺N阱工艺阱工艺双阱工艺双阱工艺P-P+P+N+N+P+N+VSSVOUTVINVDDN-P+P+N+N+P+N+

5、VSSVOUTVINVDDP-P+P+N+N+P+N+VSSVOUTVINN-SiP-SiN-I-SiN+-Si2022-1-1613P-型基板 N-阱工艺P- -型基板型基板NMOS 器件制作区域器件制作区域N-阱阱PMOS 器件制作区域器件制作区域N-well mask2022-1-1614有源区depositednitride layer有源区光刻板N型p型MOS制作区域(漏-栅-源)2022-1-1615场氧生长field oxidegate oxideo2o2o2o2o2o2o2o2o2o22022-1-1616多晶硅栅极poly maskadded to layout2022-1-

6、1617n管源漏离子注入n-typeimplant2022-1-1618finished mosfetsp-type implantboth select masks addedp管源漏离子注入2022-1-1619接触孔2022-1-1620第一层金属non-planar surface2022-1-1621通孔及第2层金属2022-1-1622三三. . 双极集成电路双极集成电路 双极集成电路工艺双极集成电路工艺 CMOSCMOS集成电路工艺集成电路工艺 Bi-CMOSBi-CMOS集成电路工艺集成电路工艺重点掌握工艺流程，断面图，版图重点掌握工艺流程，断面图，版图2022-1-1623三

7、三. 双极集成电路双极集成电路双极晶体管工作区域、寄生晶体管、电阻设计双极晶体管工作区域、寄生晶体管、电阻设计2022-1-1624C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p) 双极晶体管的四种工作状态双极晶体管的四种工作状态VBEVBC饱和区饱和区反向工作区反向工作区截止区截止区正向工作区正向工作区( (正偏正偏) )( (反偏反偏) )( (正偏正偏) )( (反偏反偏) )2022-1-1625氧化膜氧化膜pnP型扩散层型扩散层（电阻）（电阻）基区扩散电阻最小条宽的设计基区扩散电阻最小条宽的设计sLRRW1. 设计规则决定最小条宽设计规则决定最小条宽2. 工艺水平和精度工艺水平和精度3

8、. 流经电阻的最大电流流经电阻的最大电流2022-1-1626五五. MOS. MOS晶体管晶体管 MOSMOS晶体管的电流方程晶体管的电流方程 阈值电压阈值电压重点掌握晶体管的工作区域判断、对应的重点掌握晶体管的工作区域判断、对应的电流方程、影响阈值电压的主要因素、耗电流方程、影响阈值电压的主要因素、耗尽型管和增强型管子尽型管和增强型管子2022-1-1627IDm mnCoxW2L(VG-VTH) 2(0VDVG-VTH)(0 VG-VTH VD)VDID非饱和区非饱和区饱和区饱和区VDsat=VG-VTHm mnCoxW2L2(VG-VTH)VD-VD2记住!2022-1-1628VTH

9、VTHVTHoxsiACNq22022-1-1629源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)VGVDIDnMOS晶体管的晶体管的I-V特性特性VTHIDVG增强型（增强型（E)VTHIDVG耗尽型耗尽型(D)2022-1-1630六六. MOS. MOS反向器反向器 不同结构反向器的传输特性不同结构反向器的传输特性 有比电路与无比电路的概念有比电路与无比电路的概念 CMOS反向器的静态特性反向器的静态特性 逻辑阈值、噪声容限逻辑阈值、噪声容限 CMOS反向器的动态特性反向器的动态特性 上升时间、下降时间、延迟时间上升时间、下降时间、延迟时间重点掌握不同反向器的输出高低电平值及重点掌握不同反向

10、器的输出高低电平值及逻辑阈值特性，影响逻辑阈值的因素，噪逻辑阈值特性，影响逻辑阈值的因素，噪声容限的计算，上升时间、下降时间及延声容限的计算，上升时间、下降时间及延迟时间的定义及主要决定因素。迟时间的定义及主要决定因素。2022-1-1631CMOS反相器的传输特性VinVout0VDDVDD(1)(2)(3)(4)(5)N截止截止P非饱非饱和和N饱和饱和P非饱非饱和和N非饱非饱和和P饱和饱和N非饱非饱和和P截止截止2022-1-1632CMOS反相器的几个重要参数VOHVOL1outindVdV 1outindVdV Vout=VinVinVoutVILVIHVM2022-1-1633CMO

11、S反相器的瞬态特性反相器的瞬态特性2t t t PHLPLHpd1. 延迟时间延迟时间tpd(传播时间）传播时间） 2.上升时间上升时间 tr 3.下降时间下降时间tf2022-1-1634七七. CMOS. CMOS逻辑门电路逻辑门电路 CMOS逻辑门电路的组成规则逻辑门电路的组成规则 等效导电因子等效导电因子 逻辑门的扇入扇出逻辑门的扇入扇出 延迟时间的估算方法延迟时间的估算方法 CMOSCMOS逻辑门电路的功耗（静态、动态）逻辑门电路的功耗（静态、动态）给出逻辑关系式可以画出对应的器件级电给出逻辑关系式可以画出对应的器件级电路图，给出电路图可以写出对应的逻辑关路图，给出电路图可以写出对应

12、的逻辑关系；掌握不同逻辑对应的管子尺寸设计方系；掌握不同逻辑对应的管子尺寸设计方法；法；延迟时间的估算方法；静态、动态功延迟时间的估算方法；静态、动态功耗的影响因素耗的影响因素2022-1-1635复合逻辑门复合逻辑门逻辑门的设计2022-1-1636一、一、管子串联：管子串联：VdVgT1T2K1K2VmVsVdVsVgKeff1212effK KKKK111NeffiiKK2022-1-16371NeffiiKK二、管子并联：二、管子并联：VdVsVgKeffVdVgK1K2Vs2022-1-1638各种各种CMOS门电路的传输延迟门电路的传输延迟0.75CinvR0LELE倍倍0.75C

13、invR0: FO=1时，反向器的延迟时间时，反向器的延迟时间f: Fan outLE: Logical Effort输入信号数输入信号数反向器反向器2022-1-1639CMOS静态逻辑门的功耗表达式静态逻辑门的功耗表达式P=Pt fCLK CL VDD2+ Pt ISC tSC VDD fCLK+IDC VDD+ILeak VDD在此：在此：CL为负载电容，为负载电容，VDD为电源电压，为电源电压， ISC为穿通电流的平均值，为穿通电流的平均值，tSC为穿为穿 通电流流过的时间通电流流过的时间 ，fCLK为时钟周期，为时钟周期， IDC为直流电流，为直流电流，ILEAK为漏电流。为漏电流。

14、Pt为开关概率为开关概率2022-1-1640八八. .传输门逻辑及动态电路传输门逻辑及动态电路 简单输出门逻辑的设计简单输出门逻辑的设计 传输损失及解决方法传输损失及解决方法给出逻辑关系，根据给出逻辑关系，根据BDD的方法，能够的方法，能够画出传输门逻辑的电路图，并会分析传输损失画出传输门逻辑的电路图，并会分析传输损失2022-1-16西安理工大学 2022-1-1642 动态逻辑动态逻辑u工作原理（对应波形）工作原理（对应波形）u输入信号的时序要求输入信号的时序要求u级联时如何使用级联时如何使用ABABIn1CLKCLKIniPDNInjIniInjPDNIniPDNInj2022-1-1

15、643九九. .时序逻辑电路时序逻辑电路 锁存器的工作原理（对应波形）锁存器的工作原理（对应波形） 寄存器的工作原理寄存器的工作原理（对应波形）（对应波形）2022-1-1644 锁存器的电路结构锁存器的电路结构 寄存器的电路结构寄存器的电路结构 SetupSetup时间、时间、HoldHold时间时间不满足不满足Setup时间会产生什么结果？时间会产生什么结果？2022-1-1645十十. .存储器存储器 分类（不同类型的存储器的编程方式）分类（不同类型的存储器的编程方式） 基本结构基本结构 SRAMSRAM、DRAMDRAM存储器的读写过程（对应波形）存储器的读写过程（对应波形） EPROMEPROM、E2PRAME2PRAM、FLASHFLASH的写入及擦除机理的写入及擦除机理SRAMSRAM、DRAMDRAM的存储机理分别是什么？的存储机理分别是什么？2022-1-1646十十. .模拟集成电路基础模拟集成电路基础 小信号模型小信号模型 放大器电路增益的计算放大器电路增益的计算 电流镜的工作原理电流镜的工作原理