[工学]关关雎鸠 南邮 微电子导论课件 ch5

第五讲集成电路基础,目录,大规模集成电路基础数字集成电路模拟集成电路,集成电路,通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能。英文： Integrated Circuit，缩写IC,芯片（Chip, Die） 硅片（Wafer）,5.1 大规模集成电路基础,封装后,封装前,集成电路的性能指标,集成度单个芯片所集成的逻辑门（或晶体管）的数量（Moore定律）。功耗延迟积电路的延迟时间与功耗的成绩，是衡量集成电路性能的重要参数之一。其值越小，电路性能越好。特征尺寸通常指集成电路中半导体器件的最小尺寸，入MOSFET的最小沟道长度、双极晶体管的最小基区宽度等。它是衡量集成电路加工和设计水平重要参数。其值越小，集成度越高。可靠性,5.1 大规模集成电路基础,影响集成电路性能的因素,有源器件（晶体管）无源器件（电容、电阻和电感）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,5.1 大规模集成电路基础,集成电路发展,原动力：不断提高的性能/价格比。特点：性能提高、价格降低途径：缩小器件特征尺寸：0.25um0.13um90nm65nm 45nm 32nm增大硅片面积：1、2、3英寸4、5英寸6英寸8英寸12英寸,5.1 大规模集成电路基础,按器件结构分类,双极集成电路（Bipolar）分类：NPN、PNP；优点：速度高、驱动能力强；缺点：功耗大、集成度较低。金属氧化物半导体集成电路（Metal Oxide Semiconductor, MOS）分类：pMOS 、nMOS、CMOS；优点：输入阻抗高、抗干扰能力强、功耗小、集成度高；缺点：速度较慢、驱动能力弱。 双极MOS集成电路（BiMOS）优点：综合了双极和MOS集成电路的优点；缺点：工艺复杂。,5.1 大规模集成电路基础,按电路功能分类,数字集成电路（Digital IC）处理数字信号，采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算，又称逻辑电路。分类：组合逻辑电路、时序逻辑电路模拟集成电路（Analog IC）处理模拟（连续变化的）信号。分类：线性集成电路（放大集成电路）、非线性集成电路数模混合集成电路（Digital Analog IC ）即有数字信号处理功能，又有模拟信号处理功能的集成电路。分类：数模转换、模数转换,5.1 大规模集成电路基础,按集成规模分类,小规模集成电路 SSI:Small-Scale Integration 中规模集成电路 MSI:Medium-Scale Integration 大规模集成电路 LSI:Large-Scale Integration 超大规模集成电路 VLSI:Very Large-Scale Integration 特大规模集成电路 ULSI: Ultra Large-Scale Integration 甚大规模集成电路 GSI: Giga-Scale Integration,5.1 大规模集成电路基础,集成规模划分标准,Moore定律,5.1 大规模集成电路基础,目录,大规模集成电路基础数字集成电路模拟集成电路,逻辑量,5.2 数字集成电路,基本逻辑运算,非运算,F,A,开关模型,逻辑表达式,真值表,5.2 数字集成电路,基本逻辑运算,与运算,F,A,开关模型,逻辑表达式,真值表,B,5.2 数字集成电路,基本逻辑运算,或运算,F,开关模型,逻辑表达式,真值表,A,B,5.2 数字集成电路,复合逻辑运算,与非逻辑,或非逻辑,异或逻辑,同或逻辑,复杂逻辑,5.2 数字集成电路,CMOS逻辑单元,5.2 数字集成电路,CMOS逻辑单元,非门（反相器）电路,A,F,VDD,A为高电平（A1）,P管截止N管导通,P,N,F为低电平（F0）,A为低电平（A0）,P管导通N管截止,F为高电平（F1）,5.2 数字集成电路,CMOS逻辑单元,与非门电路,A为低电平、B为低电平（A0、B0）,P1、P2管导通N1、N2管截止,F为高电平（F1）,5.2 数字集成电路,CMOS逻辑单元,与非门电路,A为低电平、B为高电平（A0、B1）,P1、N2管导通N1、P2管截止,F为高电平（F1）,5.2 数字集成电路,CMOS逻辑单元,与非门电路,A为高电平、B为低电平（A1、B0）,P2、N1管导通P1、N2管截止,F为高电平（F1）,5.2 数字集成电路,CMOS逻辑单元,与非门电路,A为高电平、B为高电平（A1、B1）,P1、P2管截止N1、N2管导通,F为低电平（F0）,5.2 数字集成电路,CMOS逻辑单元,与非门电路,5.2 数字集成电路,CMOS逻辑单元,或非门电路,A为低电平、B为低电平（A0、B0）,P1、P2管导通N1、N2管截止,F为高电平（F1）,A,F,VDD,P1,N2,B,N1,P2,5.2 数字集成电路,CMOS逻辑单元,或非门电路,A为低电平、B为高电平（A0、B1）,P1、N2管导通N1、P2管截止,F为低电平（F0）,A,F,VDD,P1,N2,B,N1,P2,5.2 数字集成电路,CMOS逻辑单元,或非门电路,A为高电平、B为低电平（A1、B0）,P2、N1管导通P1、N2管截止,F为低电平（F0）,A,F,VDD,P1,N2,B,N1,P2,5.2 数字集成电路,CMOS逻辑单元,或非门电路,A为高电平、B为高电平（A1、B1）,P1、P2管截止N1、N2管导通,F为低电平（F0）,A,F,VDD,P1,N2,B,N1,P2,5.2 数字集成电路,CMOS逻辑单元,或非门电路,A,F,VDD,P1,N2,B,N1,P2,5.2 数字集成电路,CMOS集成电路的特点,优点：功耗低噪声容限大可适应较宽的温度和电源电压集成度高输入阻抗高、抗干扰能力强缺点：速度较低驱动能力较差,CMOS集成电路技术是半导体集成电路的主流技术，其市场占有率超过95。,5.2 数字集成电路,双极和BiCMOS集成电路,A为高电平（A=1）,Q1饱和,Q2截止Q3饱和,F为低电平（F=0）,R1,R2,R3,Q1,Q2,Q3,VCC,A,F,A为低电平（A=0）,Q1截止Q3截止,Q2饱和,F为高电平（F=1）,双极Bipolar反相器,5.2 数字集成电路,双极集成电路的特点,优点：速度高稳定性好适于处理高电压、大电流场合驱动能力强工艺简单适用于高精度模拟电路缺点：功耗大集成度低,5.2 数字集成电路,双极和BiCMOS集成电路,A为低电平（A=0）,P导通N截止,Q1饱和Q2截止,F为高电平（F=1）,A为高电平（A=1）,P截止N导通,Q1截止Q2饱和,F为低电平（F=0）,BiCMOS反相器,Q1,Q2,VDD,A,F,P,N,Q1,Q2,VDD,A,P,N,5.2 数字集成电路,BiCMOS电路的特点,优点：有CMOS器件制作高集成度、低功耗部分，用双极器件制作输入输出部分和高速部分。从而综合了Bipolar和CMOS集成电路的优点，为高速、高性能超大规模集成电路的发展开辟了一条崭新的道路。缺点：工艺复杂。,5.2 数字集成电路,目录,大规模集成电路基础数字集成电路模拟集成电路,CMOS集成运算放大器,反相输入放大器,5.3 模拟集成电路,CMOS集成运算放大器,当RfR1R2R3时,加法器,5.3 模拟集成电路,CMOS集成运算放大器,当RfR1时,减法器,Rf,R1,Vout,V2,Rf,R1,V1,5.3 模拟集成电路,CMOS集成运算放大器,积分器,C,R,V1,Vout,5.3 模拟集成电路,作业,5.1写出异或逻辑和同或逻辑的真值表。5.2试用一个与非门和一个倒相器构成一个CMOS与门电路，画出电路图。（提示 ： ）5.3列