微电子学概论Chap03课件

1、大规模集成电路基础3. 1半导体集成电路概述集成电路（Integrated Circuit，IC）芯片（Chip, Die） 硅片（Wafer）集成电路的成品率：Y=硅片上好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/价格比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： 集成度 速度、功耗 特征尺寸 可靠性主要途径：缩小器件的特征尺寸、 增大硅片面积功耗 延迟积集成电路的关键技术：光刻技术(DUV)缩小尺寸：0.250.18mm增大硅片：8英寸12英寸亚0.1mm：一系列的挑战，亚50nm：关键问题

2、尚未解决新的光刻技术： EUV SCAPEL(Bell Lab.的E-Beam) X-ray集成电路的制造过程： 设计 工艺加工 测试 封装定义电路的输入输出（电路指标、性能）原理电路设计电路模拟(SPICE)布局(Layout)考虑寄生因素后的再模拟原型电路制备测试、评测产品工艺问题定义问题不符合不符合集成电路产业的发展趋势：独立的设计公司（Design House）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3.2.1 MOS开关及其等效电路：MOS管工

3、作在可变电阻区，输出低电平: MOS管截止， 输出高电平当I VTMOS管相当于一个由vGS控制的无触点开关。MOS管工作在可变电阻区，相当于开关“闭合”，输出为低电平。MOS管截止，相当于开关“断开”输出为低电平。当输入为低电平时：当输入为高电平时：3.2.2 CMOS 反相器1.工作原理AL1+VDD+10VD1S1vivOTNTPD2S20V+10VvivGSNvGSPTNTPvO0 V 0V-10V截止导通10 V10 V10V 0V导通截止0 VVTN = 2 VVTP = - 2 V逻辑图逻辑表达式vi (A)0vO(L)1逻辑真值表10P沟道MOS管输出特性曲线坐标变换输入高电平

4、时的工作情况输入低电平时的工作情况作图分析：2. 电压传输特性和电流传输特性VTN电压传输特性3.CMOS反相器的工作速度在由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间与关闭时间是相等的。平均延迟时间：10 ns。 带电容负载A BTN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止导通截止导通导通导通导通截止截止导通截止截止截止截止导通导通1110与非门1.CMOS 与非门vA+VDD+10VTP1TN1TP2TN2ABLvBvLAB&(a)电路结构(b)工作原理VTN = 2 VVTP = - 2 V0V10VN输入的与非门的电路?输入端增加有什么问题?3.2.3 CMOS 逻辑门或非

5、门2.CMOS 或非门+VDD+10VTP1TN1TN2TP2ABLA B TN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止导通截止导通导通导通导通截止截止导通截止截止截止截止导通导通1000AB10V10VVTN = 2 VVTP = - 2 VN输入的或非门的电路的结构?输入端增加有什么问题?3. 异或门电路=AB3.2.4 CMOS传输门(双向模拟开关) 1. CMOS传输门电路电路逻辑符号I / Oo/ IC等效电路2、CMOS传输门电路的工作原理 设TP:|VTP|=2V， TN:VTN=2VI的变化范围为5V到+5V。 5V+5V5V到+5VGSN0, TP截止1）当c

6、=0， c =1时c=0=-5V， c =1=+5V C TP vO/vI vI/vO +5V 5V TN C +5V5VGSP= 5V (3V+5V)=2V 10VGSN=5V (5V+3V)=(102)V b、I=3V5VGSNVTN, TN导通a、I=5V3VTN导通，TP导通GSP |VT|, TP导通C、I=3V3V2）当c=1， c =0时传输门组成的数据选择器C=0TG1导通, TG2断开 L=XTG2导通, TG1断开 L=YC=1传输门的应用3.3 半导体存储器基础3.3.1 半导体存储器的结构框图 存储1或0的电路称为存储单元，存储单元的集合形成存储阵列（通常按行列排成矩阵

7、）。 字:存储阵列中二进制数据的信息单位（与计算机不同！）。 最小的信息单位是1位（Bit），8位二进制信息称为1个字节(Byte)，4位二进制信息则称为1个半字节(Nibble)。存储器由寻址电路、存储阵列和读写电路组成。 存储单元的总数定义为存储器的容量，它等于存储器的字数和每字位数之积。 例如，10位地址码，每字8位，则存储容量为 210 Bytes =1024Bytes=1kB=8kbits。 1MB=220B GB=230B 读操作（亦称为取数操作）：输入地址码An-1A1A0，寻址电路将地址码转换成字线上的有效电平选中字存储单元。在片选信号CS有效（通常是低电平）和读写信号为高电平

8、时，读写电路通过存储阵列的位线，将选中的字存储单元的m位数据输出到数据总线上-110（设存储阵列按每字m位组织）。 写操作（亦称为存数操作）：输入地址码An-1A1A0，寻址电路将地址转换成字线上的有效电平选中字存储单元。在片选信号CS有效（通常是低电平）和读写信号为低电平时，读写电路通过存储阵列的位线将数据总线上的m位数据-110写入选中的字存储单元中保存（设存储阵列按每字m位组织）。存储器具有2种基本的操作：写操作和读操作。 在复杂的数字系统（例如数字计算机）中，多个功能电路间利用一组公共的信号线（导线或其他传导介质）实现互连，并分时传输信息，这样的一组信号线称为总线。 在存储器中， 数据

9、总线-110是双向总线（输入/输出，常用表示I/Om-1，I/O1，I/O0）； 地址总线An-1A1A0和控制总线（CS， ）则是单向总线（输入）。 在存储器内部，属于同一位的存储单元共用位线，阵列中的存储单元通过位线与读写电路交换数据。3.3.2 半导体存储器的分类 随机读写存储器的写操作时间和读操作时间相当（都是纳秒级），工作时能够随时快速地读出或写入数据。即工作时读写存储器具有存入和取出数据2种功能。 工作时只能快速地读取已存储的数据、而不能快速地随时写入新数据的存储器称为只读存储器（ROMRead Only Memory）。 闪存（Flash Memory）工作时可以进行读或写操作，

10、但闪存的每个存储单元写操作时间长，不能随机写入数据，适合对众多存储单元批量地写入数据。 按功能分为只读存储器、随机读写存储器（或称为存取存储器）和闪存。 只读存储器的写操作时间(毫秒级)远比读操作时间（纳秒级）长，数据必须在工作前写入存储器，上电工作后只能从存储器中读出数据，才不影响数字系统的工作速度。 按寻址方式，存储器分为顺序寻址存储器和随机寻址存储器。 其存储阵列的存储单元连接成移位寄存器。有先进先出（FIFOFirst In First Out）和先进后出（FILO- First In Last Out）2种顺序寻址存储器。 随机寻址存储器:可以随时从任何一个指定地址写入或读出数据的存

11、储器。 随机寻址存储器的寻址电路通常采用1个或2个译码器。 采用随机寻址方式的随机读写存储器称为随机存取存储器（RAMRandom Access Memory）。 只读存储器（ROM）和闪存也采用随机寻址方式。 如果掉电（停电）后数据丢失，则是易失型存储器；否则，是非易失型存储器。 RAM是易失型存储器，而ROM和闪存是非易失型存储器。顺序寻址存储器是按地址顺序存入或读出数据。存储器还可分为易失型存储器和非易失型存储器。存储器的寻址方式和功能存储器功能寻址方式掉电后说 明随机存取存储器（RAM）读、写随机寻址数据丢失只读存储器（ROM）读随机寻址数据不丢失工作前写入数据闪存（Flash Mem

12、ory）读、写随机寻址数据不丢失先进先出存储器（FIFO）读、写顺序寻址数据丢失先进后出存储器（FILO）读、写顺序寻址数据丢失3.3.3 随机存取存储器（RAM） 存储单元是存储器的核心。根据存储单元记忆0或1的原理，随机存取存储器分为静态随机存储器（SRAMStatic RAM）和动态随机存取存储器(DRAMDynamic RAM)。 按所用元件的不同，分双极型和MOS型两种。 鉴于MOS电路具有功耗低、集成度高的优点，目前大容量的存储器都是MOS型存储器。1. SRAM的静态存储单元 SRAM的存储单元是用基本RS触发器记忆0或1的静态存储单元。T1T4构成CMOS基本RS触发器，存储0

13、或1。1. SRAM的静态存储单元T5和T6是行字线Xi选通基本RS触发器的NMOS开关管，实现基本RS触发器的三态输入/输出，即开关管导通时传递0或1，截止时为高阻态。T7和T8则是列字线Yj选通基本RS触发器的NMOS开关管，控制位线与读写电路的连接。T7、T8和读写电路也是一列共用的部分三态门当Xi=Yj=1时，T5T8导通，将基本RS触发器与读/写电路相连。 如果CS=0、 ，则三态门缓冲器G1和G2为高阻态，而G3为工作态。基本RS触发器的状态输出到数据总线上，即Dk=Q，实现读操作。 如果CS=0、 ，则三态门缓冲器G1和G2为工作态，而G3为高阻态。输入电路强制基本RS触发器的状

14、态与输入数据Dk一致，即Q=Dk，实现写操作。 当CS=1时，三态门缓冲器G1、G2和G3为高阻态，数据总线Dk为高阻态。基本RS触发器既不能输出，也不能接受数据。010高阻1工作态0工作100高阻三态门当Yj=0时，T7和T8截止，基本RS触发器同样不能与读/写电路相连，其状态保持不变，存储单元同样未被选中。显然，当掉电时基本RS触发器的数据丢失，所以，SRAM是挥发型存储器。当Xi=0时，T5和T6截止，基本RS触发器不能与读/写电路相连，其状态保持不变，存储单元未被选中。本单元不影响同列的其他存储单元与位线交换数据。2.基本SRAM的结构32行16列的存储阵列，组成256字2位的存储结构

15、。双地址译码高电平有效存储单元T1T6位线开关管T7、T8512OE是输出使能，低电平有效；片选信号为： 低电平有效；存储容量：8kB=8k8bit =810248bit =65536bit静态随机存取存储器MCM6264MCM6264的功能表E1E2OEA12A0D7D0方式1Z未选中0Z未选中0111A12A0Z输出禁止0101A12A0O读010A12A0I写Z-高阻态O-数据输出I-数据输入3. SRAM的操作定时 为了保证存储器准确无误地工作，作用到存储器的地址、数据和控制信号必须遵守一定的时间顺序，即操作定时。(1) 读周期 读操作要求指定字存储单元的地址、片选信号和输出使能有效，

16、读写信号为高电平。信号作用顺序是:1)指定字存储单元的地址有效；2)片选信号和输出使能有效，即由高变低；3)经过一定时间后，指定字存储单元的数据输出到数据总线上。 (2)写周期 写操作要求指定字存储单元的地址、片选信号和读写信号有效 。1)指定字存储单元的地址有效；2)片选信号有效，即由高变低；3)待写入的数据有效；4)读写信号有效，即由 高变低；数据写入到指定的字存储单元。 对于大多数的SRAM，读周期和写周期相近，一般为几十个纳秒。 信号间的定时关系4. 同步SRAM和异步SRAM 解决的办法是：SRAM与CPU共用系统时钟，CPU在时钟的有效沿前给出SRAM需要的地址、数据、片选、输出使

17、能和读写信号，时钟有效沿到则将它们存于SRAM的寄存器中；CPU不必等待，可以执行其他指令，直到SRAM完成CPU要求的读或写操作，通知CPU做相应的处理。之后，CPU与SRAM又可以进行下一次信息交换。 在计算机中，SRAM通常存储中央处理器（CPU）需要的程序和数据。因为SRAM的工作速度远低于CPU的速度，2者交换信息时CPU必须等待，使计算机达不到理想的工作速度。0 同步SRAM:具有信号同步寄存器的SRAM。否则，称为异步SRAM。 同步SRAM可以帮助CPU高速执行指令，即提高计算机的工作速度。 同步SRAM的核心是异步SRAM(地址译码器和存储阵列)；同步SRAM与器件外部连接的

18、地址、数据、片选、输出使能和读写信号均在时钟CP的上升沿锁存于寄存器中，供SRAM完成读或写操作。 为了加速CPU与SRAM的信息交流，同步SRAM通常具有地址爆发特征。即输入一个地址码，同步SRAM可以读或写相邻的多个地址单元。 假设计数器实现2位二进制加法计数，初态为00。在爆发控制（Burst Control）BC=1时，爆发逻辑电路的输出如表9.2.2所示。可获得4个相邻的址码，供SRAM进行读或写操作。 计数器 Q1 Q0 =1 =1 & BC CP A0 A1 A0 A1 113.3.4动态随机存取存储器（DRAM）1. DRAM的动态MOS存储单元 NMOS管T和存储电容CS组成

19、动态存储单元。 当电容存储有足够的电荷时，电容电压为高电平，存储1； 当电容没有存储电荷时，电容电压为低电平，存储0。 缺点是电容不能长期保持其电荷，必须定期（大约816个mS内）补充电荷（称为刷新操作），比SRAM操作复杂。 刷新 如果Din=0，则存储电容CS放电，电荷消失，实现写0操作。工作原理如下：（1）写操作G1处于工作态、当Xi=1、Refreh=0G2和G3处于高阻态，NMOS管T导通。 如果Din=1，则存储电容CS充电，获得足够的电荷，实现写1操作；100工作高阻10 如果存储电容CS有电荷：则通过T向位线的分布电容CW放电，位线电压增加，经灵敏放大缓冲器G2输出1（Dout

20、=1），实现读1操作； Refresh=1使G3工作，读出的数据通过G3又写入到存储电容中（类似于写操作）。 如果存储电容CS没有电荷：则位线电压不变，灵敏放大缓冲器G2输出0（Dout=0），实现读0操作。G1处于高阻态、G2和G3处于工作态，NMOS管T导通。（2）读操作当Xi=1、Refreh=1111高阻工作T导通10 由于电容不能长期保持电荷，所以必须对存储电容定期刷新。 如前所述，读操作自动刷新选定的存储单元。但是，读操作是随机的，所以，在DRAM中，必须设置刷新定时电路，定时启动刷新周期。 对本电路，通过定时读即可实现定时刷新。(3)刷新操作2.基本DRAM的结构存储单元是单管动

21、态存储单元，排列成1024行1024列的存储阵列。地址位数多，通常采用分时复用输入地址.高10位地址码A19 A10首先输入到10条地址信号线上 ，RAS存入。低10位地址码A9 A0输入到10条地址信号线上 ，CAS存入。3. 基本DRAM的读写周期 随后，在读周期中， ，有效数据输出到Dout；在写周期中， ，输入数据通过Din写入到指定单元中保存。 从读或写周期开始，RAS和CAS依次变低将行地址和列地址顺序送入DRAM并译码。4. DRAM的类型除前述的基本DRAM外，为了提高DRAM的访问速度，出现了快速页模式DRAM(FPM DRAMFast Page Mode DRAM)、扩展数

22、据输出DRAM (EDO DRAM-Extended Data Output DRAM)、爆发式扩展数据输出DRAM(BEDO DRAM-Burst Extended Data Output DRAM)和同步DRAM (SDRAM-Synchronous DRAM)。 对于FPM DRAM，输入一个行地址，其后可输入多个列地址，它们和行地址分别组成全地址，选中字存储单元并进行读或写操作。扩展数据输出DRAM（EDO DRAM）可以扩展输出数据的有效时间，直到CAS再次有效为止，如图9.2.11的最后一行波形以读操作为例，操作时序如图9.2.11。注意，在FPM DRAM中，当列地址选通信号CA

23、S无效时，没有输出数据，见图9.2.11的倒数第二行波形。3.3.5 只读存储器（ROM）ROM： 工作时只能快速地读取已存储的数据、而不能快速地随时写入新数据。优点：最突出的特征是掉电后数据不丢失，用于存储数字系统中固定不变的数据和程序 。 ROM分为可编程PROM （Programmable ROM）和掩模ROM(Mask ROM)。 Mask ROM：数据是制造过程中写入的，可永久保存，但使用者不能改写。 PROM：数据是由使用者通过编程工具写入的。 ROM的寻址方式与RAM相同，采用随机寻址，即用地址译码器选择字存储单元。 ROM可以用双极型或单极型（MOS）元件实现。 1掩模只读存储

24、器的存储单元 NMOS管T是存储元件。掩模只读存储器的存储单元用半导体元件的有或无表示1或0 制作NMOS管不制作NMOS管 当Xi=1、 OE=0时，T导通，位线为低电平，G为工作态，DOUT=1，存储单元记忆1。 在图(b)中，T的栅极与字线Xi不相连。当Xi=1、OE=0时，T不导通，位线为 高电平，G为工作态，DOUT=0，存储单元记忆0。1001 在图（a）中，T的栅极与字线Xi相连。10102掩模只读存储器的结构 图中地址译码器输出高电平有效。在存储阵列中，字线与位线的交叉处是存储单元，有元件为1，无元件为0 存储器的数据输出变量是数据为1所对应的地址变量组成的最小项的逻辑和 。3

25、.3.6 可编程只读存储器（PROM）用紫外光擦除的EPROM 记为UV EPROM (Ultraviolet EPROM，常简记为EPROM). 掩模ROM的存储数据由制造商在生产过程中写入，对系统设计者开发新产品很不方便。因此，出现了由用户写入数据的可编程ROM（PROM） 可编程ROM分为: 可改写一次的PROM（沿用PROM的名称） 可反复改写的EPROM(Erasable Programmable ROM) 用电方法擦除的EPROM 记为EEPROM或 E2 PROM (Electrical EPROM).1PROM的存储单元PROM的存储单元由一个NMOS管和一个熔丝组成。在编程过

26、程中，编程器产生足够大的电流注入欲写0单元，烧断熔丝；写1单元则不注入电流。正常工作时，熔丝不会被烧断，因此，保留熔丝的单元存储1，烧断熔丝的单元存储0。由于烧断的熔丝不能修复，故PROM只能编程一次。 2个背靠背的PN结类型的PROM出厂时全部存储单元为0。 编程器使承受反向电压的二极管雪崩击穿，造成永久短路，写入1。 镍铬铁合金和多晶硅等效为熔丝型导线，可熔断为开路。这2类PROM出厂时全部存储单元为1。熔丝有3种：镍铬铁合金、多晶硅和2个背靠背的PN结。2UV EPROM的存储单元可多次编程的EPROM必须采用可修复的元件。在浮栅上注入足够的负电荷后，开启电压增加，正常的栅源电压则不能使

27、SIMOS管导通。 UV EPROM使用的可修复的元件是有两个栅极的叠栅雪崩注入MOS管(SIMOS）。一个栅极埋置于绝缘材料SiO2中，不引出电极，称为浮栅。另一个叠于浮栅之上引出电极，称为控制栅极。浮栅上未注入负电荷前，SIMOS管的开启电压低，正常的栅源电压可使SIMOS 管导通。 浮栅上无电荷时，字线高电平使SIMOS导通，等效为存储单元有元件，存储1； 浮栅上有电荷时，字线高电平不能使SIMOS导通，等效为存储单元无元件，存储0。 因此，SIMOS管是用浮栅上是否有负电荷来存储二值数据的。 UV EPROM出厂时浮栅上无电荷。为了在浮栅上注入电荷，控制栅极和漏极对源极同时作用比正常电源电压高许多的电压. UV EPROM的封装顶部有一个石英窗，紫外光可直接照射到SIMOS管上，照射15到20分钟后，浮栅上的电子获得足够的能量，穿过SiO2回到衬底中。 闪存亦是利用浮栅上有无负电荷存储二值数据的，存储器结构也和ROM相同，因此，传统上归类于ROM。3.3.7 闪存（Flash Memories）但是，闪存具有较强的在系统读写入能力（工作时能读写），其优势是传统ROM不可比的。闪存的出现使计算机的软盘寿终正寝，大有取代硬盘之势。此外，闪存在掌上电脑、手机、数字照相机等消费电子设备中应用广泛。1闪