数字集成电路-从经典物理到智能设计 课件 -1. 晶体管

数字集成电路MOS场效应晶体管结构、原理与设计若将城市视为由建筑单元构成的集合体那么芯片的基石是什么？导入芯片结构及制造工艺解析CPU芯片集成电路晶体管晶体管——尤其是金属-氧化物-半导体场效应晶体管芯片的基石芯片集成电路晶体管金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor,MOSFET）MOSFET的结构p-substraten+n+G（gate）S（source）D（drain）MOS1947年肖克利巴丁布拉顿晶体管之父问题：依据异性电荷相吸原理，当NMOS栅极施加正电压时，P型衬底界面将感应出何种电荷？如何形成导电沟道？p-substraten+n+GSD参考答案：正电压吸引衬底中的电子（负电荷）至界面，形成N型反型层，连通源漏极MOSFET中的电荷MOSFET的工作原理耗尽区形成（截止）沟道形成（导通）电压电场场效应NMOS的工作特性曲线

IDS

随VDS

变化的曲线如图所示分为截止区、线性区、饱和区线性区电流公式：饱和区电流公式：速度饱和区电流公式：问题：这些公式是否需要手工计算？.MODELNMOS_MODELNMOS(LEVEL=1VTO=0.5KP=100e-6LAMBDA=0.05).MODELPMOS_MODELPMOS(LEVEL=1VTO=-0.5KP=40e-6LAMBDA=0.1)VDDVDD0DC2.5Vinin0PULSE(02.501n1n50n100n)M1outinVDDVDDPMOS_MODELW=2uL=0.5uM2outin00NMOS_MODELW=1uL=0.5uCLout010fFEDA仿真NMOS的工作特性曲线反相器电路SPICE仿真课堂实践：使用任意AI工具生成如上代码指令：反相器电路SPICE网表引出的问题是MOSFET是否始终维持这种平面结构？导入目前已系统阐述传统平面型MOSFET的结构特征和工作原理第一个晶体管早期的集成电路现今的集成电路GAAFET晶体管晶体管领域关键动态：三星已经宣布采用新的GAAFET技术台积电沿用了5纳米时期的FinFET架构FinFETGAAFET平面结构高阶挑战：2纳米工艺下短沟道效应如何影响NMOS的阈值电压与漏电流？传统平面/FinFET结构的局限性：‌平面结构仅单侧控制电流FinFET三面包裹仍存在顶部漏电小组讨论短沟道器件中栅极电场对沟道的控制能力减弱需引入全环绕栅极（GAA）结构抑制漏电技术补充：短沟道效应引发栅极控制弱化GAA结构纳米线/片全包裹沟道栅极360°控制电流漏电减少90%以上开关效率趋近理论极限功耗骤降兼容现有工艺3纳米芯片驱动电流提升30%且不占额外空间2017年IBM利用GAAFET实现了5纳米芯片制程GAAFET的出现让芯片再次出现微缩的空间芯片微缩的尽头在哪里呢?目前没有定论FinFET发展到7纳米芯片制程的微缩再次遭遇了重大瓶颈许多专家认为芯片已经无法再进行微缩芯片微缩的尽头在哪里现基于此技术演进路径聚焦于半导体工程领域的关键挑战：

如何在数平方厘米量级的芯片基底上实现百亿级晶体管的集成？导入目前已阐释MOS器件在纳米级制造工艺方面的创新突破揭示了半导体制造技术遵循持续微缩化发展的必然趋势这种器件尺度指数级缩减使得在单位面积晶圆上实现几何级数增长的晶体管集成密度成为可能小组讨论PMOS是否与NMOS同样具备开关特性？NMOSPMOS①掺杂差异：NMOS采用P型衬底与N+源漏区而PMOS反之②电子迁移率（400cm²/V·s）显著高于空穴（150cm²/V·s）解释NMOS驱动能力优势小组讨论PMOS是否同样具备开关特性？‌PMOS同样具备开关特性‌PMOS工作原理是通过栅极电压控制源极和漏极之间的通断当栅源电压小于一定的值时PMOS管会导通CMOS反相器的结构与工作原理反相器构建：基于NMOS与PMOS互补特性思考问题‌：1.PMOS在反相器中的作用？2.CMOS与门、或门如何构成？x=1MpoffMnon输入(IN)输出(OUT)0110PMOSVDDNMOSOutInx=0MponMnoff‌两个晶体管构成的反相器如何与几平方厘米硅衬底上集成的亿级逻辑门关联？自底向上构建？思维拓展顶层模块宏单元1宏单元3宏单元4叶单元叶单元叶单元叶单元叶单元叶单元叶单元叶单元宏单元2‌自底向上设计方法‌

实践任务请同学们在AI平台用Verilog编写可综合的非门代码moduleinverter(inputin,outputout);assignout=~in;endmodule顶层模块子模块1子模块2子模块3子模块4叶单元叶单元叶单元叶单元叶单元叶单元叶单元叶单元Verilog编写32位乘法器代码moduleinverter(inputin,outputout);assignout=~in;endmodule自顶向下设计范例VerilogEDA工具自动综合等效CPU如果替换EDA工具自动生成版图配合工艺流程光刻机版图门级网表符号图原理图moduleinverter(…endmoduleVerilogEDA工具自动综合门级网表EDA工具自动生成版图‌MOSFET反相器总结确定系统设计的功能和指标系统分析、确定系统设计规范设计输入，RTL级模型建立系统功能仿真逻辑综合和可测试设计版图预布局布线、时钟树建立时序分析、功能优化和形式验证ALUmoduleALU(a,b,c);inputa,b;outputc；DUTstimulusresponse参数提取、时序验证