微电子学概论_第3章大规模集成电路基础.ppt

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1、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（IntegratedCircuit，IC）芯片（Chip,Die）硅片（Wafer）集成电路的成品率：Y=硅片上好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：0.25~0.18mm增大硅片：8英寸~12英寸亚0.1

2、mm：一系列的挑战，亚50nm：关键问题尚未解决新的光刻技术：EUVSCAPEL(BellLab.的E-Beam)X-ray集成电路的制造过程：设计工艺加工测试封装定义电路的输入输出（电路指标、性能）原理电路设计电路模拟(SPICE)布局(Layout)考虑寄生因素后的再模拟原型电路制备测试、评测产品工艺问题定义问题不符合不符合集成电路产业的发展趋势：独立的设计公司（DesignHouse）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

3、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。89NMOS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，Vout＝VDD－Vth10NMOS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=VDD1

4、1NMOS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，Vout＝0Vi

5、(传‘0’），MOS管无损地传输信号Vi≥VG-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。7/23/20211213PMOS传输门传输特性漏端(G)(s)(D)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

6、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。7/23/202115CLVVCoutVinVi为低时：驱动管截止，输出为高电平：Voh=VddVi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。7/23/202116一、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VVinout反相器的逻辑符号18CMOS反相器

7、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；Vin=VDDVDDVout=0Vout=VDDVin=0VDD反相器的工作特点：Vout=Vin；稳态单管导通，没有直通电流19CMOS与非门CMOS二输入与非门电路图逻辑符号与真值表120CMOS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,……,xnoutput

8、:Tobecontinued…22F1F2F=F1F2F1F2+F=F1F2ABCF=ABCABCF=ABC