关关雎鸠 南邮 微电子导论课件 ch5

1、第五讲集成电路根底目录大规模集成电路根底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Wafer5.1 大规模集成电路根底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

2、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 大规模集成电路根底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 大规模集成电路根底集成电路开展原动力：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 大规模集成电路根底按器件结构分类 双极集成电路Bipolar分类：NPN、PNP；优点：速度高、驱动

3、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 大规模集成电路根底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

4、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 大规模集成电路根底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-Sc

5、ale Integration5.1 大规模集成电路根底集成规模划分标准Moore定律5.1 大规模集成电路根底目录大规模集成电路根底数字集成电路模拟集成电路逻辑量逻辑量真假数码值10开关量关开5.2 数字集成电路根本逻辑运算非运算AF0110FA开关模型逻辑表达式真值表5.2 数字集成电路根本逻辑运算与运算ABF000010100111FA开关模型逻辑表达式真值表B5.2 数字集成电路根本逻辑运算或运算ABF000011101111F开关模型逻辑表达式真值表AB5.2 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逻辑单元逻辑电平高电平低电平电源

6、极性电源电压VDD地或负电源VSS逻辑值105.2 数字集成电路开关状态导通断开NMOSVGS=VDDVGS=0PMOSVGS=0VGS=VDDCMOS逻辑单元非门反相器电路AFVDDA为高电平A1P管截止N管导通PNF为低电平F0A为低电平A0P管导通N管截止AFVDDPNF为高电平F1AF01105.2 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、B0P1、P2管导通N1、N2管截止F为高电平F1AFVDDP1N2BN1P25.2 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、B1P1、N2管导通N1、P2管截止F为高电平F1AFVDDP1N2BN

7、1P25.2 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、B0P2、N1管导通P1、N2管截止F为高电平F1AFVDDP1N2BN1P25.2 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、B1P1、P2管截止N1、N2管导通F为低电平F0AFVDDP1N2BN1P25.2 数字集成电路CMOS逻辑单元与非门电路AFVDDP1N2BN1P2ABF0010111011105.2 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、B0P1、P2管导通N1、N2管截止F为高电平F1AFVDDP1N2BN1P25.2 数字集成电路CMOS逻辑单

8、元或非门电路A为低电平、B为高电平A0、B1P1、N2管导通N1、P2管截止F为低电平F0AFVDDP1N2BN1P25.2 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、B0P2、N1管导通P1、N2管截止F为低电平F0AFVDDP1N2BN1P25.2 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、B1P1、P2管截止N1、N2管导通F为低电平F0AFVDDP1N2BN1P25.2 数字集成电路CMOS逻辑单元或非门电路ABF001010100110AFVDDP1N2BN1P25.2 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

9、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=1Q1饱和Q2截止Q3饱和F为低电平F=0R1R2R3Q1Q2Q3VCCAFA为低电平A=0Q1截止Q3截止Q2饱和F为高电平F=1双极Bipolar反相器R1R2R3Q1Q2Q3VCCAF5.2 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=0P

10、导通N截止Q1饱和Q2截止F为高电平F=1A为高电平A=1P截止N导通Q1截止Q2饱和F为低电平F=0BiCMOS反相器Q1Q2VDDAFPNQ1Q2VDDAPN5.2 数字集成电路BiCMOS电路的特点优点：有CMOS器件制作高集成度、低功耗局部，用双极器件制作输入输出局部和高速局部。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开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根底数字集成电路模拟集成电路CMOS集成运算放大器当RfR1时称为反相器反相输入放大器RfR1V1Vout5.3 模拟集成电路CMOS集成运算放大器当RfR1R2R3时加法器RfR1V1VoutR2V2R3V35.3 模拟集成电路CMOS集成运算放大器当RfR1时减法器RfR1VoutV2RfR1V15.3 模拟集成电路CMOS集成运算放大器积分器CRV1Vout5.3 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C