第三章大规模集成电路基础

1、第三章第三章 大规模集成电路基础大规模集成电路基础3.1 .1 半导体集成电路概述半导体集成电路概述3.2 3.2 双极集成电路基础双极集成电路基础3.3 MOS3.3 MOS集成电路基础集成电路基础3.4 BiMOS3.4 BiMOS集成电路基础集成电路基础3. 1半导体集成电路概述半导体集成电路概述集成电路（集成电路（Integrated Circuit，IC）芯片（芯片（Chip, Die）硅片（硅片（Wafer）集成电路的成品率：集成电路的成品率：Y=硅片上好的芯片数硅片上好的芯片数硅片上总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，成品率的检测，决定工艺的稳定性

2、， 成品率对集成电路厂家很重要。成品率对集成电路厂家很重要。集成电路发展的原动力：不断提高的性能集成电路发展的原动力：不断提高的性能/价格比价格比集成电路发展的特点：性能提高、价格降低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：集成电路的性能指标： 集成度集成度 速度、功耗速度、功耗 特征尺寸特征尺寸 可靠性可靠性主要途径：缩小器件的特征尺寸主要途径：缩小器件的特征尺寸 增大硅片面积增大硅片面积功耗功耗 延迟积延迟积集成电路的关键技术：光刻技术集成电路的关键技术：光刻技术 ( (深紫外光深紫外光DUV： 157nm 250nm ) )缩小特征尺寸：缩小特征尺寸：0.25 mm 0

3、.18 m mm 0.13 mm增大硅片直径：增大硅片直径：8 英寸英寸 12 英寸英寸 16 英寸英寸亚亚0.1m mm：一系列的挑战，一系列的挑战，亚亚50nm：关键问题尚未解决关键问题尚未解决新的超细线条光刻技术：新的超细线条光刻技术： EUV（ 甚紫外线光刻：甚紫外线光刻： 11nm 14nm ） SCAPEL ( ( Bell Lab. 的限角度散射电子束投影曝光技术的限角度散射电子束投影曝光技术) ) X-ray （ X射线光刻射线光刻 ： 10nm ）集成电路的制造过程：集成电路的制造过程： 设计设计 工艺加工工艺加工 测试测试 封装封装定义电路的输入输出（电路指标、性能）定义电

4、路的输入输出（电路指标、性能）原理电路设计原理电路设计 电路模拟电路模拟布局布局考虑寄生因素后的再模拟考虑寄生因素后的再模拟原型电路制备原型电路制备测试、评测测试、评测产品产品工艺问题工艺问题定义问题定义问题不符合不符合不符合不符合集成电路产业的发展趋势：集成电路产业的发展趋势： 独立的设计公司（独立的设计公司（Design House） 无晶圆公司（无晶圆公司（Febless） 独立的制造厂家（独立的制造厂家（Foundary 晶圆代工厂）晶圆代工厂）集成电路类型：数字集成电路、模拟集成电路集成电路类型：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、组合逻辑门数字集成电路基

5、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、镜像电流源模拟集成电路基本单元：放大器、电流源、镜像电流源 （电（电流镜）、转换器、滤波器、反馈电路等流镜）、转换器、滤波器、反馈电路等3.2 双极集成电路基础双极集成电路基础有源元件：有源元件：双极晶体管双极晶体管无源元件：电阻、电容、电感等无源元件：电阻、电容、电感等3.2.1 集成电路中的双极晶体管集成电路中的双极晶体管电学隔离的必要性和方法电学隔离的必要性和方法 方法：反向方法：反向PN结隔离、全介质沟槽隔离、等平面结隔离、全介质沟槽隔离、等平面PN结结介质混合隔离、场氧隔离介质混合隔离、场氧隔离 不依靠外加电源不

6、依靠外加电源(直流或交流直流或交流)的存在就能独立表现出的存在就能独立表现出其外特性的器件就是无源器件。之外就是其外特性的器件就是无源器件。之外就是有源器件有源器件。 2. 双极晶体管的结构双极晶体管的结构第一步：用第一步：用PN结隔离二极管与衬底结隔离二极管与衬底第二步：用氧化物（第二步：用氧化物（SiO2）把每一个三极管在横向上相互隔离把每一个三极管在横向上相互隔离结构的缺点：收集区（结构的缺点：收集区（C）电阻大，因而三极管的电学特性差。电阻大，因而三极管的电学特性差。解决方法：增加两个解决方法：增加两个N区区 一个是埋层的一个是埋层的N区，减少收集区的横向电阻。区，减少收集区的横向电阻

7、。 另一个是在收集极接触下面形成一个另一个是在收集极接触下面形成一个N区，减少收集极串联电阻区，减少收集极串联电阻具有埋层结构的具有埋层结构的NPN双极晶体管：双极晶体管：具有具有PN结环隔离的结环隔离的NPN双极晶体管：双极晶体管：PN结隔离环的宽度比氧化物环宽，且电容也较大，结隔离环的宽度比氧化物环宽，且电容也较大，近年来已不常用。近年来已不常用。3.2.2 双极型数字集成电路双极型数字集成电路基本单元：逻辑门电路基本单元：逻辑门电路双极逻辑门电路类型：双极逻辑门电路类型：4电阻电阻-晶体管逻辑晶体管逻辑 (RTL)4二极管二极管-晶体管逻辑晶体管逻辑 (DTL)4晶体管晶体管-晶体管逻辑

8、晶体管逻辑 (TTL)： 中等速度，门延迟中等速度，门延迟10ns， LSI4集成注入逻辑集成注入逻辑 (I2L)： 速度慢，但集成度高，速度慢，但集成度高，LSI4发射极耦合逻辑发射极耦合逻辑 (ECL)： 速度最快，内部延迟速度最快，内部延迟100ps，高功耗，高功耗， 每芯片几千门每芯片几千门 /中央主机中央主机标准的标准的54/74（T1000）系列）系列TTL与非门与非门Q1起放大作用。起放大作用。Q2起倒相作用：起倒相作用：给给Q3、Q4提供两个相位相反信号。使二者总处于一提供两个相位相反信号。使二者总处于一 个导通而另一个截止的状态。个导通而另一个截止的状态。 特点：特点：输出电

9、阻低，能输出较大电流，驱动能力强。输出电阻低，能输出较大电流，驱动能力强。 输出低电平输出低电平VOL0.3V，输出高电平输出高电平VOH3.5VTTL电路：电路：集成注入（合并晶体管）逻辑：集成注入（合并晶体管）逻辑：在在NPN晶体管（晶体管（T2）的基）的基极接有极接有PNP晶体管（晶体管（T1）作为恒流源，采用公共发射区，）作为恒流源，采用公共发射区，集成多个集成多个NPN晶体管反相器的基本电路。晶体管反相器的基本电路。特点：特点：无需隔离，结构紧凑，不用电阻，集成度高（约无需隔离，结构紧凑，不用电阻，集成度高（约120200门门/mm2，是，是TTL电路的电路的10倍），功耗低，但开倍

10、），功耗低，但开关速度较低，抗干扰能力差。有改进型，用于关速度较低，抗干扰能力差。有改进型，用于LSI。I2L电路：电路：双极型差分放大电路：双极型差分放大电路：1. 当当VAVB，根据对称性：根据对称性：VPVQ2. 当当VA VB，左支路电流上升，右支路电流下降左支路电流上升，右支路电流下降 VQ 增大；增大；VP下降下降3. 当当（ VAVB） 4kT/q（约约100mV）时时，所有电流都流过左支路，所有电流都流过左支路 VQ VCC，而而VPVCCI0RL4. 当（当（ VBVA） 4kT/q 时，所有电流都流过右支路时，所有电流都流过右支路 VP VCC，而而VQVCCI0RL定义：

11、输出定义：输出VCC时为逻辑时为逻辑1 输出输出VCCI0RL时为逻辑时为逻辑0ECL电路：电路：ECL或非门原理图或非门原理图完整的完整的ECL或非门电路或非门电路 在输出在输出VOR和和VNOR都加上一低阻抗的发射极跟随电路，都加上一低阻抗的发射极跟随电路，使其能驱动较大负载。使其能驱动较大负载。 此外，所加电源通常为此外，所加电源通常为 0V 和和 VSS 优点：优点：开关速度快开关速度快 缺点：缺点：需保持一定的需保持一定的I0和和IREF，因而有较大功耗（几百因而有较大功耗（几百微安每门）微安每门）3.2.3 双极型模拟集成电路双极型模拟集成电路一般分为：一般分为：1. 线性电路（输

12、入与输出呈线性关系）线性电路（输入与输出呈线性关系） 如：运算放大器、直流放大器、音频放大器如：运算放大器、直流放大器、音频放大器 、中频放大器、中频放大器、 宽带放大器、功率放大器宽带放大器、功率放大器. 非线性电路非线性电路: 对数放大器、调制或解调器、各种信号发生器对数放大器、调制或解调器、各种信号发生器. 接口电路：接口电路：如如A/D转换器、转换器、D/A转换器、外围驱动电路、显转换器、外围驱动电路、显示驱动电路等示驱动电路等3.3.1 集成电路中的集成电路中的MOSFET1. N沟沟MOS管结构的截面图和顶视图管结构的截面图和顶视图3.3 MOS集成电路基础集成电路基础基本电路结构

13、：基本电路结构：MOS器件结构器件结构2. 采用场氧化层隔离的采用场氧化层隔离的CMOS管的电路结构管的电路结构基本电路结构：基本电路结构：CMOSVi输入低电平，只有输入低电平，只有PMOS导通，导通，VOVDD （逻辑逻辑1）Vi输入高电平，只有输入高电平，只有NMOS导通，导通，VOVSS （逻辑逻辑0）3.3. 2 MOS数字集成电路数字集成电路 基本单元：基本单元：MOS开关、开关、 MOS反相器反相器1. MOS开关开关注：逻辑注：逻辑1：高电平：高电平 逻辑逻辑0：低电平：低电平当当VG VIVT （即（即 VIVGVT ）：）： NMOSFET导通，导通，VOVI当当VG VI

14、VT （VIVGVT）：）： NMOSFET输出端被夹断！输出端被夹断！当当VO VGVT ： NMOSFET输出端也被夹断！输出端也被夹断！ VO VGVT，存在阈值损失！存在阈值损失！例：例：VT0.7V VG5V2. 反相器反相器 输出信号与输入信号反相，执行逻辑输出信号与输入信号反相，执行逻辑“非非”的功能，的功能， 即：即：分为两种：分为两种：静态静态反相器；反相器；动态动态反相器反相器驱动元件：驱动元件：一般为一般为MOSFET负载元件：负载元件：电阻负载电阻负载 增强型负载增强型负载 耗尽型负载耗尽型负载MOS静态反相器的一般形式：静态反相器的一般形式：有比反相器有比反相器；无比

15、反相器无比反相器为保证为保证VOL足够低，足够低，RON和和REL要保持必要的比例：要保持必要的比例：有比反相器有比反相器有比反相器：有比反相器： REL：负载元件的等效电阻负载元件的等效电阻 RON：驱动管的导通电阻驱动管的导通电阻 无比反相器：无比反相器：负载负载MOSFET驱动驱动MOSFET交替导通，交替导通，不需两晶体管保持一定的比例：不需两晶体管保持一定的比例：无比反相器无比反相器评价评价CMOS反相器性能的主要指标有：反相器性能的主要指标有：1.输出高电平输出高电平2.输出低电平输出低电平3.反相器阈值电压反相器阈值电压4.直流噪声容限直流噪声容限5.直流功耗直流功耗6.瞬态特性

16、瞬态特性7.芯片面积芯片面积8.工艺难度和兼容性工艺难度和兼容性9.稳定性和瞬态功耗等稳定性和瞬态功耗等噪声容限：数字电路的阈值与输入信号或输出信号电压噪声容限：数字电路的阈值与输入信号或输出信号电压 电平的差值。电平的差值。3. 开关串开关串/并联的逻辑特性并联的逻辑特性1）串联串联 GG1 G2 “与与”2）并联并联 GG1G2 “或或”4. 传输门与逻辑传输门与逻辑输出有输出有“0”、“1”、“U”（不定状态）三种可能不定状态）三种可能5. 存储器存储器1）只读存储器（）只读存储器（Read-Only-Memory，简称简称ROM） 只能读取数据，无法改变存储内容。只能读取数据，无法改变

17、存储内容。2）随机存取存储器（随机存取存储器（Random-Access Memory，简称简称RAM） 可随时将外部信息写入任一存储单元，并可随意读取任一存储单元的信可随时将外部信息写入任一存储单元，并可随意读取任一存储单元的信息，但断电后，存储信息丢失。息，但断电后，存储信息丢失。 3）可编程只读存储器（可编程只读存储器（Programmable Read-Only-Memory，简称简称PROM） 使用时与使用时与ROM一样，但可改写存储数据，存储新的内容。一样，但可改写存储数据，存储新的内容。 例：例：CMOS反相器反相器Vi输入低电平，只有输入低电平，只有PMOS导通，导通，VOVD

18、D （逻辑逻辑1）Vi输入高电平，只有输入高电平，只有NMOS导通，导通，VOVSS （逻辑逻辑0）3.3 CMOS集成电路集成电路3.3 CMOS集成电路集成电路CMOS开关开关 单沟道单沟道MOS开关在高电平时，存在阈值损失。开关在高电平时，存在阈值损失。对负载电容充电时，输出电压上升速度较慢。对负载电容充电时，输出电压上升速度较慢。VGN与与VGP是反相的是反相的CMOS开关的直流传输特性开关的直流传输特性2. CMOS开关开关由一对互补由一对互补MOSFET组成的组成的CMOS反相器反相器1）当）当VIVDD时，时，NMOSFET导通，导通，PMOSFET截止截止 VO0 下拉管下拉管2）当）当VI0时，时， PMOSFET导通，导通，NMOSFET截止截止 VO VDD 上拉管上拉管3. 静态静态CMOS逻辑门逻辑门与非门与非门或非门或非门与非门：与非门：1）A1、A2有一个为有一个为0，或都为，或都为0，至少有至少有P管导通，输出逻辑管导通，输出逻辑1。2） A1、A2都为都为1，N管导通，输出管导通，输出 逻辑逻辑0。或非门：或非门：1）A1、A2都为都为0，P管导通，输出管导通，输出 逻辑逻辑1。2