微电子学概论第3章大规模集成电路基础.pptVIP

东北大学 金硕巍,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：,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,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,3.2CMOS集成电路基础,有源元件：MOS场效应管 无源元件：电阻、电容、电感等,NMOS开关（传输门） 一个MOS管可以作为一个开关使用，电路中Cl是其负载电容。 当Vc=0时，M截止，相当于开关断开。 当Vc=1时，M导通，相当于开关合上。,8,9,NMOS传输高电平,输出电压：有阈值损失 工作在饱和区，但是电流不恒定 衬偏效应 增加阈值损失 减小电流 低效传输高电平(电平质量差，充电电流小),Vin=VDD,Vc=VDD，VoutVDDVth,10,NMOS传输门传输低电平特性,漏端,(G),(s),(D),器件先处于饱和区，后处于线性区,Vin=0, Vc=VDD,11,NMOS传输低电平,输出电压：没有阈值损失 先工作在饱和区，后进入线形区 没有衬偏效应 高效传输低电平 （电平质量好，充电电流大）,Vin=0,Vc=VDD，Vout0,ViVG-Vt时：输入端处于开启状态，设初始时Vo=0，则Vi刚加上时，输出端也处于开启状态，MOS管导通，沟道电流对负载电容Cl充电，至Vo=Vi。 ViVG-Vt时：输入沟道被夹断，设此时VoVc-Vt，则Vi刚加上时，输出端导通，沟道电流对Cl充电，随着Vo的上升，沟道电流逐渐减小，当Vo=VG-Vt时，输出端也夹断，MOS管截止，Vo保持VG-Vt不变。 综上所述： ViVG-Vt时(传0），MOS管无损地传输信号 ViVG-Vt时(传1）， Vo=VG-Vt信号传输有损失，为不使Vo有损失需增大VG。,2019/5/18,12,13,PMOS传输门传输特性,传输高电平情况,传输低电平情况,器件先处于饱和区， 后处于线性区,器件始终处于饱和区, 直到截止,14,传输管（NMOS/PMOS传输门）,结构简单 有阈值损失 NMOS高效传输低电平，低效传输高电平 PMOS载流子迁移率小，NMOS传输门应用更多,CMOS传输门 为了解决NMOS管在传输时的信号损失，通常采用CMOS传输门作为开关使用。 是由一个N管和一个P管构成。工作时，NMOS管的衬底接地，PMOS管的衬底接电源，且NMOS管栅压Vng与PMOS管的栅压Vpg极性相反。,2019/5/18,15,Vi为低时：驱动管截止，输出为高电平：Voh=Vdd Vi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。,2019/5/18,16,一、电阻负载反相器,17,无比反相器（CMOS）,特点： Vin作为PMOS和NMOS的共栅极； Vout作为共漏极； VDD作为PMOS的源极和体端； GND作为NMOS的源极和体端,反相器的逻辑符号,18,CMOS反相器的直流特性,Vin=0，NMOS截止，PMOS导通， 稳态Vout= VDD ,“1”； Vin= VDD，NMOS导通，PMOS截止 , 稳态Vout=0；,反相器的工作特点： Vout=Vin； 稳态单管导通，没有直通电流,19,CMOS与非门,CMOS二输入与非门,电路图,逻辑符号与真值表,1,20,CMOS或非门,电路图,逻辑图,真值表,21,静态CMOS逻辑门的构成特点,1）每个输入信号同时接一个 NMOS管和一个PMOS管 的栅极, n输入逻辑门有 2n个管子。 2）实现带“非”的逻辑功能 input: x1,x2,xn output: To be continued,22,3) 逻辑函数F(x1,x2,xn) 决定于管子的 连接关系。 NMOS：串与并或 PMOS：串或并与 4) 静态CMOS逻辑门保持了CMOS反相器电路的优点。,23,复杂逻辑门的结构,对于给定电路,根据NMOS或PMOS逻辑块确定电路功能。,NMOS：串与并或 PMOS：串或并与,24,举例,电路图,逻辑图,对于给定功能, 先画出NMOS电路, PMOS与NMOS是对 偶连接关系。,NMOS：串与并或 PMOS：串或并与,25,MOS存储器的分类,MOS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RAM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。 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 。,静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM）： 存储原理：双稳态电路存储 ，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DRAM高 。 用途：工作速度快，常用来作高速缓冲存储器（cache） 。,27,只读存储器ROM的分类,1.掩模编程的只读存储器（Mask Rom）：真正意义的 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再改变。适合于存储固定程序、常数、字符等固定内容。,2.基于熔丝或反熔丝的可编程只读存储器（programmable ROM, PROM）：存储内容由用户编程确定，一般只能编程一次，相当于固定内容的只读存储器，但是比Mask ROM在应用上有一定灵活性。,28,3.可擦除的可编程只读存储器（erasable and programmable 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ROM的分类(续),（1）紫外光擦除 UVEPROM（ulraviolet EPROM） 只能在断电情况下全片统一擦除。,（2）电擦除 EEPROM（electrical EPROM）： 按位擦除和改写,Flash Memory 一种可全片或按扇区快速擦除的 EEPROM,29,FeRAM（ferroelectric RAM）, MRAM（magnetic RAM）, RRAM(Resistive RAM) 优点：具有DRAM高密度和RAM随机读/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、以及抗辐射、抗干扰等。 缺点：制作成本高，和常规集成电路工艺的不兼容性。 前景：取代硬盘实现大容量存储器 。,不挥发性随机存取存储器,30,存储器的总体结构,30,1存储单元阵列 2译码器 3输入/输出 缓冲器 4时钟和控制 电路,31,DRAM(动态随机存储器)单元工作过程,X,32,6-transistor CMOS SRAM Cell,WL,BL,V,DD,M,5,M,6,M,4,M,1,M,3,M,2,BL,Q,Q,VDD,GND,Q,Q,WL,BL,BL,M1,M2,M4,M3,M5,M6,模拟集成电路,一般分为： 线性电路（输入与输出呈线性关系） 非线性电路 接口电路：如A/D、D/A、电平位移电路等,影响集成电路性能的因素和发展趋势,有源器件 无源器件 隔离区 互连线 钝化保护层 寄生效应：电容、有源器件、电阻、电感,影响集成电路性能的因素和发展趋势,器件的门延迟： 迁移率 沟道长度,电路的互连延迟： 线电阻（线尺寸、电阻率） 线电容（介电常数、面积）,途径： 提高迁移率，如Ge