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1、集成电路设计导论集成电路设计导论云南大学信息学院电子工程系云南大学信息学院电子工程系梁竹关梁竹关第一部分第一部分第一部分第一部分 理论课理论课理论课理论课第一章第一章第一章第一章 绪言绪言绪言绪言 1 11 1 集成电路的发展集成电路的发展集成电路的发展集成电路的发展 1 12 2 集成电路分类集成电路分类集成电路分类集成电路分类 1 13 3 集成电路设计集成电路设计集成电路设计集成电路设计第二章第二章第二章第二章 MOS MOS晶体管晶体管晶体管晶体管 2 21 MOS1 MOS晶体管结构晶体管结构晶体管结构晶体管结构 2 22 MOS2 MOS晶体管工作原理晶体管工作原理晶体管工作原理晶
2、体管工作原理 2 23 MOS3 MOS晶体管的电流电压关系晶体管的电流电压关系晶体管的电流电压关系晶体管的电流电压关系 2 24 MOS4 MOS晶体管主要特性参数晶体管主要特性参数晶体管主要特性参数晶体管主要特性参数 2 25 MOS5 MOS晶体管的晶体管的晶体管的晶体管的SPICESPICE模型模型模型模型第三章第三章第三章第三章 MOS MOS管反相器管反相器管反相器管反相器 3 31 1 引言引言引言引言 3 32 NMOS2 NMOS管反相器管反相器管反相器管反相器 3 33 CMOS3 CMOS反相器反相器反相器反相器 3 34 4 动态反相器动态反相器动态反相器动态反相器 3
3、 35 5 延迟延迟延迟延迟 3 36 6 功耗功耗功耗功耗第四章第四章第四章第四章 半导体集成电路基本加工工艺与设计规则半导体集成电路基本加工工艺与设计规则半导体集成电路基本加工工艺与设计规则半导体集成电路基本加工工艺与设计规则 4.1 4.1 引言引言引言引言 4.2 4.2 集成电路基本加工工艺集成电路基本加工工艺集成电路基本加工工艺集成电路基本加工工艺 4.3 CMOS 4.3 CMOS工艺流程工艺流程工艺流程工艺流程 4.4 4.4 设计规则设计规则设计规则设计规则 4.5 CMOS 4.5 CMOS反相器的闩锁效应反相器的闩锁效应反相器的闩锁效应反相器的闩锁效应 4.6 4.6 版
4、图设计版图设计版图设计版图设计第五章第五章第五章第五章 MOS MOS管数字集成电路基本逻辑单元设计管数字集成电路基本逻辑单元设计管数字集成电路基本逻辑单元设计管数字集成电路基本逻辑单元设计 5.1 NMOS 5.1 NMOS管逻辑电路管逻辑电路管逻辑电路管逻辑电路 5.2 5.2 静态静态静态静态CMOSCMOS逻辑电路逻辑电路逻辑电路逻辑电路 5.3 MOS 5.3 MOS管改进型逻辑电路管改进型逻辑电路管改进型逻辑电路管改进型逻辑电路 5.4 MOS 5.4 MOS管传输逻辑电路管传输逻辑电路管传输逻辑电路管传输逻辑电路 5.5 5.5 触发器触发器触发器触发器 5.6 5.6 移位寄存
5、器移位寄存器移位寄存器移位寄存器 5.7 5.7 输入输出（输入输出（输入输出（输入输出（I/OI/O）单元）单元）单元）单元第六章第六章第六章第六章 MOS MOS管数字集成电路子系统设计管数字集成电路子系统设计管数字集成电路子系统设计管数字集成电路子系统设计 6.1 6.1 引言引言引言引言 6.2 6.2 加法器加法器加法器加法器 6.3 6.3 乘法器乘法器乘法器乘法器 6.4 6.4 存储器存储器存储器存储器 6.5 PLA 6.5 PLA第七章第七章第七章第七章 MOS MOS管模拟集成电路设计基础管模拟集成电路设计基础管模拟集成电路设计基础管模拟集成电路设计基础 7.1 7.1
6、引言引言引言引言 7.2 MOS 7.2 MOS管模拟集成电路中的基本元器件管模拟集成电路中的基本元器件管模拟集成电路中的基本元器件管模拟集成电路中的基本元器件 7.3 MOS 7.3 MOS模拟集成电路基本单元模拟集成电路基本单元模拟集成电路基本单元模拟集成电路基本单元 7.4 MOS 7.4 MOS管模拟集成电路版图设计管模拟集成电路版图设计管模拟集成电路版图设计管模拟集成电路版图设计第八章第八章第八章第八章 集成电路的测试与可测性设计集成电路的测试与可测性设计集成电路的测试与可测性设计集成电路的测试与可测性设计 8.1 8.1 引言引言引言引言 8.2 8.2 模拟集成电路测试模拟集成电
7、路测试模拟集成电路测试模拟集成电路测试 8.3 8.3 数字集成电路测试数字集成电路测试数字集成电路测试数字集成电路测试 8.4 8.4 数字集成电路的可测性测试数字集成电路的可测性测试数字集成电路的可测性测试数字集成电路的可测性测试第二部分第二部分第二部分第二部分 实验课实验课实验课实验课 1 1、数字集成电路、数字集成电路、数字集成电路、数字集成电路 （1 1）不同负载反相器的仿真比较；）不同负载反相器的仿真比较；）不同负载反相器的仿真比较；）不同负载反相器的仿真比较；（2 2）静态）静态）静态）静态CMOSCMOS逻辑门电路仿真分析；逻辑门电路仿真分析；逻辑门电路仿真分析；逻辑门电路仿真
8、分析；（3 3）设计）设计）设计）设计CMOSCMOS反相器版图；反相器版图；反相器版图；反相器版图；（4 4）设计）设计）设计）设计D D触发器及其版图；触发器及其版图；触发器及其版图；触发器及其版图；（5 5）设计模）设计模）设计模）设计模1616的计数器及其版图（可选）。的计数器及其版图（可选）。的计数器及其版图（可选）。的计数器及其版图（可选）。2 2、模拟集成电路、模拟集成电路、模拟集成电路、模拟集成电路 设计一个设计一个设计一个设计一个MOSMOS放大电路（可选）放大电路（可选）放大电路（可选）放大电路（可选）。章次章次章次章次题目题目题目题目教学时数教学时数教学时数教学时数第一章
9、第一章第一章第一章绪言绪言绪言绪言2 2学时学时学时学时第二章第二章第二章第二章MOSMOS晶体管晶体管晶体管晶体管4 4学时学时学时学时第三章第三章第三章第三章MOSMOS管反相器管反相器管反相器管反相器 4 4学时学时学时学时第四章第四章第四章第四章半导体集成电路基本加工工艺与设计规则半导体集成电路基本加工工艺与设计规则半导体集成电路基本加工工艺与设计规则半导体集成电路基本加工工艺与设计规则 4 4学时学时学时学时第五章第五章第五章第五章MOSMOS管数字集成电路基本逻辑单元设计管数字集成电路基本逻辑单元设计管数字集成电路基本逻辑单元设计管数字集成电路基本逻辑单元设计 4 4学时学时学时学
10、时第六章第六章第六章第六章MOSMOS管数字集成电路子系统设计管数字集成电路子系统设计管数字集成电路子系统设计管数字集成电路子系统设计 4 4学时学时学时学时第七章第七章第七章第七章MOSMOS管模拟集成电路设计基础管模拟集成电路设计基础管模拟集成电路设计基础管模拟集成电路设计基础6 6学时学时学时学时第八章第八章第八章第八章集成电路的测试与可测性设计集成电路的测试与可测性设计集成电路的测试与可测性设计集成电路的测试与可测性设计 2 2学时学时学时学时第九章第九章第九章第九章集成电路设计软件介绍集成电路设计软件介绍集成电路设计软件介绍集成电路设计软件介绍6 6学时学时学时学时总计总计总计总计3
11、636学时学时学时学时教学进度表教学进度表参考文献参考文献参考文献参考文献1 1 王志功，景为平，孙玲王志功，景为平，孙玲王志功，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：南京：南京：东南大学出版社，东南大学出版社，东南大学出版社，东南大学出版社，20072007年年年年7 7月（国家级规划教材）月（国家级规划教材）月（国家级规划教材）月（国家级规划教材）.22（美）（美）（美）（美）R.Jacob Baker,Harry W.Li,David E.Boyce.R.Jacob Baker,Harry
12、W.Li,David E.Boyce.CMOS Circuit Design,Layout and Simulation.CMOS Circuit Design,Layout and Simulation.北京：北京：北京：北京：机械工业出版社，机械工业出版社，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：机械工北京：机械工北京：机械工 业出版社，业出版社，业出版社，业出版社，2006.2006.44（美）（美）（美）（美
13、）Wayne Wolf.Modern VLSI Design System onWayne Wolf.Modern VLSI Design System on Silicon.Silicon.北京：科学出版社，北京：科学出版社，北京：科学出版社，北京：科学出版社，2002.2002.5 5 朱正涌朱正涌朱正涌朱正涌.半导体集成电路半导体集成电路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：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，2001.2001.6 6 王志功，沈永朝王志功，沈永朝王志功，沈永朝王志功，沈永朝.集成电路设计基础电子工业出版集成电路设计基础电子工
14、业出版集成电路设计基础电子工业出版集成电路设计基础电子工业出版 社，社，社，社，20042004年年年年5 5月（月（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）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）.第二章第二章 MOS晶体管晶体管 一、一、一、一、MOSFETMOSFET的结构的结构的结构的结构 MOSMOS晶晶晶晶体体体体管管管管是是是是一一一一种种种种场场场场效效效效应应应应管管管管（英英英英文文文文全全全全称称称称为为为为Metal-Metal-Oxide-Silicon Oxide-Silicon Field Field Effect
15、Effect TransistorTransistor），它它它它是是是是电电电电压压压压控控控控制制制制电电电电流流流流器器器器件件件件，既既既既可可可可以以以以用用用用于于于于模模模模拟拟拟拟电电电电路路路路，也也也也可可可可以以以以用用用用于于于于数数数数字字字字电电电电路路路路。在在在在模模模模拟拟拟拟电电电电路路路路中中中中，由由由由于于于于MOSMOS晶晶晶晶体体体体管管管管具具具具有有有有很很很很高高高高的的的的输输输输入入入入阻阻阻阻抗抗抗抗，从从从从而而而而可可可可提提提提高高高高它它它它作作作作为为为为电电电电压压压压放放放放大大大大器器器器的的的的性性性性能能能能。而而而
16、而在在在在数数数数字字字字电电电电路路路路中中中中，MOSMOS晶晶晶晶体体体体管管管管广广广广泛泛泛泛用用用用作作作作基基基基本本本本存存存存储储储储器器器器件件件件或或或或逻逻逻逻辑辑辑辑器器器器件件件件。可可可可以以以以说说说说MOSMOS晶晶晶晶体管是体管是体管是体管是MOSMOS管集成电路的主要器件。管集成电路的主要器件。管集成电路的主要器件。管集成电路的主要器件。2.1 MOS晶体管结构和工作原理晶体管结构和工作原理 一、一、一、一、MOSFETMOSFET的结构的结构的结构的结构 MOSFETMOSFET是是是是Metal-Oxide-Silicon Metal-Oxide-Si
17、licon Field Field Effect Effect TransistorTransistor的的的的英英英英文文文文缩缩缩缩写写写写，平平平平面面面面型型型型器器器器件件件件结结结结构构构构，按按按按照照照照导导导导电电电电沟沟沟沟道道道道的的的的不不不不同同同同可可可可以以以以分分分分为为为为NMOSNMOS和和和和PMOSPMOS器器器器件件件件。MOSMOS器器器器件件件件基基基基于于于于表表表表面面面面感感感感应应应应的的的的原原原原理理理理，是是是是利利利利用用用用垂垂垂垂直直直直的的的的栅栅栅栅压压压压v vGSGS实实实实现现现现对对对对水水水水平平平平i iDSDS
18、的的的的控控控控制制制制。它它它它是是是是多多多多子子子子（多多多多数数数数载载载载流流流流子子子子）器器器器件件件件。用用用用跨跨跨跨导描述其放大能力。导描述其放大能力。导描述其放大能力。导描述其放大能力。2.1 MOS晶体管结构晶体管结构 根根根根据据据据导导导导电电电电沟沟沟沟道道道道的的的的不不不不同同同同，MOSMOS晶晶晶晶体体体体管管管管可可可可分分分分为为为为P P沟沟沟沟道道道道MOSMOS晶晶晶晶体体体体管管管管（简简简简称称称称为为为为PMOSPMOS管管管管）和和和和NN沟沟沟沟道道道道MOSMOS晶晶晶晶体体体体管管管管（简简简简称称称称为为为为NMOSNMOS管管管
19、管），而而而而根根根根据据据据在在在在没没没没有有有有外外外外加加加加电电电电压压压压条条条条件件件件下下下下导导导导电电电电沟沟沟沟道道道道形形形形成成成成与与与与否否否否又又又又可可可可分分分分为为为为耗耗耗耗尽尽尽尽型型型型MOSMOS管和增强型管和增强型管和增强型管和增强型MOSMOS管。管。管。管。图图图图所所所所示示示示的的的的是是是是一一一一只只只只增增增增强强强强型型型型NMOSNMOS管管管管，它它它它是是是是在在在在适适适适度度度度掺掺掺掺杂杂杂杂的的的的P P型型型型衬衬衬衬底底底底上上上上制制制制作作作作两两两两个个个个掺掺掺掺杂杂杂杂浓浓浓浓度度度度较较较较高高高高的
20、的的的NN型型型型区区区区，分分分分别别别别作作作作为为为为漏漏漏漏区区区区和和和和源源源源区区区区，在在在在漏漏漏漏区区区区和和和和源源源源区区区区之之之之间间间间的的的的区区区区域域域域上上上上面面面面制制制制作作作作一一一一层层层层绝绝绝绝缘缘缘缘层层层层（一一一一般般般般是是是是二二二二氧氧氧氧化化化化硅硅硅硅物物物物质质质质），绝绝绝绝缘缘缘缘层层层层上上上上面面面面沉沉沉沉积积积积一一一一层层层层多多多多晶晶晶晶硅硅硅硅作作作作为为为为栅栅栅栅区区区区。我我我我们们们们把把把把源源源源区区区区和和和和漏漏漏漏区区区区两两两两个个个个掺掺掺掺杂杂杂杂区区区区之之之之间间间间的的的的距
21、距距距离离离离称称称称为为为为沟沟沟沟道道道道长长长长度度度度L L，而而而而垂垂垂垂直直直直于于于于沟沟沟沟道道道道长长长长度度度度的的的的有有有有效源漏区尺寸称为沟道宽度效源漏区尺寸称为沟道宽度效源漏区尺寸称为沟道宽度效源漏区尺寸称为沟道宽度WW。图图图图2.1.1 NMOS2.1.1 NMOS晶体管晶体管晶体管晶体管图图图图2.1.2 NMOS2.1.2 NMOS管截面图管截面图管截面图管截面图图图图图2.1.3 2.1.3 实际的实际的实际的实际的NMOSNMOS管衬底引线管衬底引线管衬底引线管衬底引线（a a）增强型）增强型）增强型）增强型 （b b）耗尽型）耗尽型）耗尽型）耗尽型图
22、图图图2.1.4 MOS2.1.4 MOS管在电路中的符号管在电路中的符号管在电路中的符号管在电路中的符号 耗耗耗耗尽尽尽尽型型型型MOSMOS管管管管与与与与增增增增强强强强型型型型MOSMOS管管管管不不不不同同同同之之之之处处处处在在在在于于于于，耗耗耗耗尽尽尽尽型型型型MOSMOS管管管管在在在在v vGSGS=0=0时时时时，导导导导电电电电沟沟沟沟道道道道已已已已经经经经存存存存在在在在，它它它它是是是是通通通通过过过过加加加加工工工工过过过过程程程程中中中中的的的的离离离离子子子子注注注注入方式形成的。入方式形成的。入方式形成的。入方式形成的。图图图图2.1.5 PMOS2.1.
23、5 PMOS晶体管晶体管晶体管晶体管2.2 MOS2.2 MOS晶体管工作原理晶体管工作原理晶体管工作原理晶体管工作原理图图图图2.2.1 2.2.1 导电沟道没有形成导电沟道没有形成导电沟道没有形成导电沟道没有形成 当当当当MOSMOS管管管管栅栅栅栅极极极极上上上上没没没没有有有有外外外外加加加加电电电电压压压压时时时时，MOSMOS管管管管的的的的漏漏漏漏区区区区和和和和源源源源区区区区被被被被两两两两个个个个二二二二极极极极管管管管隔隔隔隔开开开开，如如如如图图图图所所所所示示示示，源源源源区区区区和和和和漏漏漏漏区区区区之之之之间间间间没没没没有有有有导导导导电电电电沟沟沟沟道道道道
24、形形形形成成成成，呈呈呈呈现现现现出出出出高高高高阻阻阻阻状状状状态态态态。这这这这时时时时候候候候，如如如如果果果果在在在在漏漏漏漏极极极极和和和和源源源源极极极极间间间间外外外外加加加加电电电电压压压压v vDSDS，漏区到源区之间始终不会有电流流过。漏区到源区之间始终不会有电流流过。漏区到源区之间始终不会有电流流过。漏区到源区之间始终不会有电流流过。图图图图2.2.2 2.2.2 栅栅栅栅-源电压源电压源电压源电压v vGSGS控制导电沟道宽窄控制导电沟道宽窄控制导电沟道宽窄控制导电沟道宽窄（a a）（b b）（c c）图图图图2.2.3 NMOS2.2.3 NMOS管的工作状态示意图管
25、的工作状态示意图管的工作状态示意图管的工作状态示意图2.3 MOS2.3 MOS晶体管的电流电压关系晶体管的电流电压关系晶体管的电流电压关系晶体管的电流电压关系1 1、非饱和区（线性电阻区）、非饱和区（线性电阻区）、非饱和区（线性电阻区）、非饱和区（线性电阻区）（）（）（）（）（）（）（）（）2 2、饱和区（线性放大区）、饱和区（线性放大区）、饱和区（线性放大区）、饱和区（线性放大区）3 3、输出特性曲线、输出特性曲线、输出特性曲线、输出特性曲线图图图图2.3.2 NMOS2.3.2 NMOS晶体管输出特性曲线晶体管输出特性曲线晶体管输出特性曲线晶体管输出特性曲线2.4 MOS2.4 MOS晶体管主要特性参数晶体管主要特性参数晶体管主要特性参数晶体管主要特性参数1 1、阈值电压、阈值电压、阈值电压、阈值电压一种形式：一种形式：一种形式：一种形式：另一种形式：另一种形式：另一种形式：另一种形式：2 2、跨导、跨导、跨导、跨导