微电子与集成电路设计9
微电子技术基础-集成电路设计
1
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设计方法举例
反相器的标准单元
反相器的 掩膜版图 单元库中的每个单元 都具有3种描述方式 ： ①单元的逻辑符号（ 以字母L为特征符）
②单元的拓扑版图（ 以字母O为特征符） ③单元的掩膜版 图（ 以字母A为特征符） 反相器 的拓扑 图
1
反相器的 逻辑符号
设计方法举例
标ห้องสมุดไป่ตู้单元设计的版图布置
单元库一般包括 有下列元件：
32
作业
1. 试述门阵列和标准单元设计方法的概 念和它们之间的异同点。 2. 标准单元库中的单元的主要描述形式 有哪些？分别在 IC 设计的什么阶段应 用？
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集成电路设计EDA系统
Mentor Graphics的特色
从市场占有来看，Cadence的强项产品为IC版图 设计和服务，Synopsys的强项产品为逻辑综合, Mentor Graphics的强项产品为PCB设计和深亚 微米IC设计验证和测试等。
Mentor的网站：
1 20
设计方法举例
FPGA的版图布置
由布线分隔的可编程逻辑 （或宏单元）（CLB： Configurable Logic Block)、 可编程输入\输出块（IOB： Input/output Block) 和布线通道中可编程内部 连线（PI:Programmable Inteconnect)三部分组成。
集成电路设计
基本过程
设计的基本过程 （举例）
功能设计 逻辑和电路设计 版图设计
集成电路设计的最终输出是掩膜版图，通 过制版和工艺流片可以得到所需的集成电 路。 设计与制备之间的接口：版图
国外数电模电经典著作
国外数电模电经典著作国外的数电模电经典著作有很多，下面列举了10本：1.《数字逻辑与计算机设计》（Digital Logic and Computer Design）：这本书是由M. Morris Mano和Charles R. Kime联合撰写的，是数电和计算机设计领域的经典教材之一。
书中详细介绍了数字逻辑的基本原理和计算机的设计方法。
2.《电子工程师的设计指南》（The Art of Electronics）：这本书是由Paul Horowitz和Winfield Hill合著的，是电子工程师必读的经典著作之一。
书中详细介绍了电子电路的设计原理和实践技巧，包括模拟电路和数字电路的设计方法。
3.《微电子电路》（Microelectronic Circuits）：这本书是由Adel S. Sedra和Kenneth C. Smith合著的，是微电子电路领域的经典教材之一。
书中介绍了微电子器件的原理和电路的设计方法，涵盖了模拟电路和数字电路的内容。
4.《模拟电子技术基础》（Foundations of Analog and Digital Electronic Circuits）：这本书是由Anant Agarwal和Jeffrey H. Lang合著的，是模拟电子技术的经典教材之一。
书中系统地介绍了模拟电路和数字电路的基本原理和设计方法。
5.《模拟电子电路设计》（Analog Electronics Design）：这本书是由Chris Toumazou、George S. Moschytz和Barrie Gilbert合著的，是模拟电子电路设计领域的经典著作之一。
书中详细介绍了模拟电路设计的原理和技巧，包括放大器、滤波器和混频器等电路的设计方法。
6.《数字信号处理》（Digital Signal Processing）：这本书是由John G. Proakis和Dimitris G. Manolakis合著的，是数字信号处理领域的经典教材之一。
微电子技术中的集成电路设计原则
微电子技术中的集成电路设计原则在微电子技术中，集成电路设计是一个关键的环节。
集成电路作为现代电子设备中的核心组成部分，其设计原则决定了其性能和可靠性。
下面将介绍几个重要的集成电路设计原则。
首先，集成电路设计应遵循电路设计的基本原则。
电路设计中的基本原则包括电路功能规范、电源设计、信号处理和传输、信号完整性、电磁兼容性等。
集成电路设计在遵循这些基本原则的基础上，根据具体应用的需求进行进一步优化。
其次，集成电路设计应考虑功耗和散热问题。
随着集成电路规模的不断缩小，功耗和散热问题变得越来越突出。
在设计中应尽量采用低功耗电路结构，合理优化电路拓扑，减少功耗。
同时，设计中应考虑散热措施，以确保电路的稳定工作。
另外，集成电路设计中的布局规划也非常重要。
合理的布局设计可以减少电路中的互模干扰和串扰问题。
布局设计时应尽量避免长连线和交叉连线，以减少电路中的电磁干扰。
此外，还需考虑电源线和地线的布局，以确保稳定的供电和良好的接地。
此外，集成电路设计中的时钟和时序设计也是重要的考虑因素。
时钟是集成电路中最核心的信号，时序设计是指对时钟和其他信号进行精确控制和同步。
在设计中，应综合考虑时钟频率、时钟稳定性、时钟分频和同步等因素，以确保电路的正确工作。
此外，集成电路设计还需考虑抗噪声和灵敏度问题。
抗噪声设计是指对电路中的噪声进行有效抑制和滤波，以提高电路的信噪比。
灵敏度设计是指对电路的输入信号进行合理放大或衰减，以达到最佳的信号处理效果。
最后，集成电路设计中的测试和验证也是不可忽视的。
在设计完成后，需要对电路进行全面的测试和验证，以确保电路满足设计要求。
测试和验证工作应充分考虑电路的功能性、性能指标、可靠性和稳定性，以及与其他电路的兼容性。
综上所述，微电子技术中的集成电路设计原则包括了电路设计的基本原则、功耗和散热问题、布局规划、时钟和时序设计、抗噪声和灵敏度问题，以及测试和验证等。
在实际设计过程中，需要综合考虑这些原则，根据具体的应用需求进行合理的优化和调整。
对半导体技术、微电子技术、集成电路技术三者的浅略认识
对半导体技术、微电子技术、集成电路技术三者的浅略认识一、半导体技术、微电子技术、集成电路技术三者的联系与区别我们首先从三者的概念或定义上来分别了解一下这三种技术。
半导体技术就是以半导体为材料，制作成组件及集成电路的技术。
在电子信息方面，绝大多数的电子组件都是以硅为基材做成的，因此电子产业又称为半导体产业。
半导体技术最大的应用便是集成电路，它们被用来发挥各式各样的控制功能，犹如人体中的大脑与神经。
微电子技术是随着集成电路，尤其是超大型规模集成电路而发展起来的一门新的技术，是建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术，为微电子学中的各项工艺技术的总和。
集成电路技术，在电子学中是一种把电路小型化的技术。
采用一定的工艺，把一个电路中所需的各种电子元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。
（以上三者概念均来源于网络）这般看来，三者概念上互相交叉，却也略有区别。
依我这个初次接触这三个名词、对电子信息几乎一窍不通的大一新生来看，半导体技术是其他二者技术的基础，因为半导体是承载整个电子信息的基石，不管是微电子还是集成电路，便是以半导体为材料才可以建造、发展。
而微电子技术，个人感觉比较广泛，甚至集成电路技术可以包含在微电子技术里。
除此之外，诸如小型元件，如纳米级电子元件制造技术，都可以归为微电子技术。
而集成电路技术概念上比较狭窄，单单只把电路小型化、集成化技术，上面列举的小型元件制造，便不能归为集成电路技术，但可以归为微电子技术。
以上便是鄙人对三者概念上、应用上联系与区别的区区之见，如有错误之处还望谅解。
二、对集成电路技术的详细介绍首先我们了解一下什么是集成电路。
集成电路是一种微型电子器件或部件。
人们采用一定的工艺，把一个电路中所需的各种元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。
《微电子与集成电路设计导论》第五章 集成电路基础
图5.2.10 与非门电路
图5.2.11-5.2.14 电路图
图5.2.15 与非门输出响应
当A、B取不同组合的 逻辑电平时，与非门 电路的输出响应如图 5.2.15所示。
2. 或非门电路
A=0,B=0
A=0,B=1
A=1,B=0
A=1,B=1
图5.2.16 或非门电路
图5.2.17-5.2.20 A=0，B=0时的电路图
性能指标：除增益和速度外，功耗、电源电压、线性度、噪声和最大 电压摆幅等也是放大器的重要指标。此外，放大器的输入输出阻抗将 决定其应如何与前级和后级电路进行相互配合。在实际中，这些参数 几乎都会相互牵制，一般称为“八边形法则”，茹右下图所示。
➢ 增益：输出量Xout与输入量Xin的比值
➢ 带宽：指放大器的小信号带宽。
特性参数相同，当电压翻转上升时，漏极电流
ID
Kn
W L
Vin
VTN
2
0
I
Imax
即一周期的平均电流
Imean
1 6
Kn
W L
1 VDD
VDD VTN
3
Tclk
综上，短路功耗最终为
Psc VDDImean
CMOS逻辑门电路
1.与非门电路
A=0,B=0
A=0,B=1
A=1,B=0
A=1,B=1
许的临界电平和理想逻辑电平之间的范围为 CMOS电路的直流噪声容限，定义为
VNH VOH VIH
VNL VIL VOL
图5.2.6 极限输出电平定义的噪声容限
（2）极限输出电平定义的噪声容限 根据实际工作确定所允许的最低的输出
高电平VOHmin，它所对应的输入电平定义为 关门电平VOFF；给定允许的最高的输出低电 平VOLmax，它所对应的输入电平定义为开门 电平VON。开门电平和关门电平与CMOS电 路的理想输入逻辑电平之间的范围就是 CMOS电路的噪声容限。如左图所示是反相 器的噪声容限 输入高电平噪声容限：
微电子技术和芯片设计
微电子技术和芯片设计在当今信息时代，微电子技术和芯片设计已成为重要的科技领域。
随着微型化、高性能、低功耗等需要的增加，这一领域的发展进入了一个新的时代。
本文将从微电子技术和芯片设计的发展历程、技术应用、未来趋势等方面进行探析。
一、微电子技术和芯片设计的发展历程微电子技术是集电子、物理、化学、材料、光学等学科于一体的新兴学科。
其核心是对微小的电子器件进行设计、制备和应用，目的是为了实现高速、高集成度、低功耗的电子器件。
微电子技术的发展历程可以分为4个阶段。
第一阶段：1950年代到1960年代，微电子技术刚刚诞生，主要是以硅为基础的微电子器件的研究和开发。
这个阶段的主要发明是晶体管，其应用推动了半导体工业的崛起。
第二阶段：1970年代到1980年代，微电子技术进入了高集成度时代。
大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）得到了广泛应用。
同时，加工工艺和自动化技术的不断进步也为集成度的提高提供了支持。
第三阶段：1990年代到21世纪初，微电子技术进入了系统级集成时代。
系统级集成是指将多种芯片模块集成到一个芯片上，形成一个完整的系统。
此时，计算机、通信等领域的重要应用得到了极大的发展。
第四阶段：21世纪至今，微电子技术正在向纳米级别迈进。
纳米技术可以实现器件功能的单一化和可重构性，大大提高芯片的性能和功能。
随着芯片尺寸的缩小和集成度的提高，微电子技术在人类生活、商业发展和国家安全等领域中的作用也越来越大。
二、微电子技术和芯片设计的技术应用微电子技术和芯片设计在许多领域都有广泛的应用。
比如：1. 通信领域：通过微电子技术和芯片设计，可以开发出更高速、更稳定、更低功耗的通信设备。
手机、无线通信技术、卫星通信技术等都是微电子技术的应用。
2. 汽车产业：汽车电子化越来越普及，汽车电子控制单元（ECU）也越来越重要。
通过微电子技术和芯片设计，可以降低汽车的油耗、减少排放、提高安全性等。
3. 医疗行业：微电子技术和芯片设计在医疗行业的应用非常广泛。
对半导体技术、微电子技术、集成电路技术三者的浅略认识
对半导体技术、微电子技术、集成电路技术三者的浅略认识一、半导体技术、微电子技术、集成电路技术三者的联系与区别我们首先从三者的概念或定义上来分别了解一下这三种技术。
半导体技术就是以半导体为材料，制作成组件及集成电路的技术.在电子信息方面，绝大多数的电子组件都是以硅为基材做成的，因此电子产业又称为半导体产业。
半导体技术最大的应用便是集成电路,它们被用来发挥各式各样的控制功能，犹如人体中的大脑与神经。
微电子技术是随着集成电路，尤其是超大型规模集成电路而发展起来的一门新的技术，是建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术，为微电子学中的各项工艺技术的总和。
集成电路技术，在电子学中是一种把电路小型化的技术.采用一定的工艺,把一个电路中所需的各种电子元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。
（以上三者概念均来源于网络）这般看来，三者概念上互相交叉，却也略有区别。
依我这个初次接触这三个名词、对电子信息几乎一窍不通的大一新生来看,半导体技术是其他二者技术的基础，因为半导体是承载整个电子信息的基石，不管是微电子还是集成电路，便是以半导体为材料才可以建造、发展。
而微电子技术,个人感觉比较广泛,甚至集成电路技术可以包含在微电子技术里。
除此之外,诸如小型元件,如纳米级电子元件制造技术，都可以归为微电子技术。
而集成电路技术概念上比较狭窄，单单只把电路小型化、集成化技术，上面列举的小型元件制造，便不能归为集成电路技术，但可以归为微电子技术。
以上便是鄙人对三者概念上、应用上联系与区别的区区之见，如有错误之处还望谅解。
二、对集成电路技术的详细介绍首先我们了解一下什么是集成电路。
集成电路是一种微型电子器件或部件。
人们采用一定的工艺，把一个电路中所需的各种元件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构.其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。
微电子09集成电路制造工艺
集成电路制造技术的发展推动了电子技术的进步， 促进了信息产业的发展。
集成电路制造的流程
材料准备
选择合适的衬底材料，并进行清 洗和加工。
图形制备
将电路设计转换为实际的生产图 形，并进行光刻和刻蚀。
薄膜制备
在衬底上沉积所需的薄膜材料， 如金属、介质等。
互连
将电路元件和互连线连接起来， 形成完整的电路系统。
集成电路制造是将电子元器件和电路设计转变为实际可用的集成 电路的过程，包括材料准备、图形制备、薄膜制备、掺杂、刻蚀 、互连等多个环节。
集成电路制造的重要性
提高性能
集成电路制造技术能够将更多的电子元器件集成到 更小的空间内，从而提高电子产品的性能。
降低成本
集成电路制造技术能够实现大规模生产，降低单个 元器件的成本，从而降低整个电子产品的成本。
80%
导体材料
如金、银、铜等，用于制造集成 电路中的导线和连接器。
微电子设备
刻蚀设备
用于在半导体材料上刻蚀出电 路和元件的轮廓。
镀膜设备
用于在半导体材料上沉积金属 或化合物，形成电路和元件的 导线和介质层。
检测设备
用于检测集成电路的质量和性 能，如电子显微镜、X射线检 测仪等。
微电子材料与设备的发展趋势
新材料的研发和应用
随着集成电路技术的发展，对材料的 要求越来越高，需要不断研发新的材 料来满足集成电路的性能和可靠性要 求。
高精度设备的研发和应用
智能制造技术的应用
将人工智能、大数据等技术与微电子 制造相结合，实现智能化制造，提高 生产效率和产品质量。
为了制造更小、更复杂的集成电路， 需要研发更高精度的设备来提高制造 效率和产品质量。
微电子技术中的集成电路设计与制造
微电子技术中的集成电路设计与制造第一节：引言微电子技术是当代信息科学与技术的重要支撑，而集成电路作为微电子技术的核心和基础，在现代社会中起到了无可替代的作用。
本文将重点介绍微电子技术中的集成电路设计与制造的专业知识和应用。
第二节：集成电路设计技术集成电路设计是指将各种电子器件集成到一块芯片上，并连接成功能完整的电路。
首先，在集成电路设计过程中，需要进行电路原理图的绘制和逻辑设计。
然后，通过计算机辅助设计软件进行功能仿真和验证。
最后，选用合适的工艺流程对电路进行布图设计。
集成电路设计的目标是在满足功能需求和性能指标的前提下，尽量降低功耗、面积和成本。
第三节：集成电路制造工艺集成电路制造是指将设计好的集成电路通过一系列工艺步骤转化为实际的芯片产品。
首先，需要制备晶圆，即在硅片上通过化学和物理的方法形成精细的结构和材料。
然后，通过光刻、蚀刻、沉积等工艺步骤逐层构建电路结构。
最后，进行封装和测试，将芯片封装到适当的封装器件中，然后对芯片进行电气和可靠性测试。
集成电路制造的关键是控制工艺的精度和稳定性，以确保芯片的可靠性和性能。
第四节：集成电路设计与制造的应用集成电路设计与制造在现代社会中应用广泛，涵盖了通信、计算机、消费电子、医疗器械等各个领域。
在通信领域，集成电路的设计与制造使得移动通信设备小型化、高效化，方便了人们的日常沟通。
在计算机领域，集成电路的设计与制造推动了计算机的高速、高性能发展，为人工智能、大数据等应用提供了强有力的支持。
在消费电子领域，集成电路的设计与制造使得智能手机、平板电脑等产品功能更加强大、体积更小。
在医疗器械领域，集成电路的设计与制造推动了医疗设备的智能化、精确化，提高了医疗水平和患者的生活质量。
第五节：集成电路设计与制造面临的挑战与未来发展随着科技的不断发展，集成电路设计与制造也面临着一些挑战。
首先，功耗和散热问题是当前的热点，如何在保证性能的同时降低功耗，解决散热问题是亟待解决的技术难题。
集成电路设计学习思考题参考答案
集成电路设计学习思考题参考答案集成电路设计学习思考题参考答案参考答案⼀、概念题：1、微电⼦学：主要是研究电⼦或离⼦在固体材料中的运动规律及应⽤，并利⽤它实现信号处理功能的科学，是电⼦学的分⽀，其⽬的是实现电路和系统的集成，这种集成的电路和系统⼜称为集成电路和集成系统。
2、集成电路：（Integrated Circuit，缩写为IC）是指通过⼀系列特定的加⼯⼯艺，将多个晶体管、⼆极管等有源器件和电阻、电容器等⽆源器件，按照⼀定的电路连接集成在⼀块半导体单晶⽚（如硅或GaAs等）或者说陶瓷等基⽚上，作为⼀个不可分割的整体执⾏某⼀特定功能的电路组件。
3、综合：从设计的⾼层次向低层次转换的过程，它是在给定了电路应实现的功能和实现此电路的约速条件（如速度、功耗、成本、电路类型等），找到满⾜上述要求的⽬标结构的过程。
如果是靠⼈⼯完成，通常简单地称之为设计；⽽依靠EDA ⼯具⾃动⽣成，则称之为综合。
4、模拟验证：指对实际系统加以抽象，提取其模型，输⼊计算机，然后将外部激励信号施加于此模型，通过观察模型在激励信号作⽤下的反应，判断该系统是否实现预期的功能。
5、计算机辅助测试（CAT）技术：把测试向量作为测试输⼊激励，利⽤故障模拟器，计算测试向量的故障覆盖率，并根据获得的故障辞典进⾏故障定位的技术。
6、图形转换技术：是指将掩膜板上设计好的图形转移到硅⽚上的技术，包括光刻与刻蚀技术。
7、薄膜制备技术：指通过⼀定的⼯序，在衬底表⾯⽣产成⼀层薄膜的技术，此薄膜可以是作为后序加⼯的选择性的保护膜，作为电绝缘的绝缘膜，器件制作区的外延层，起电⽓连接作⽤的⾦属膜等。
8、掺杂：是指将需要的杂质掺⼊特定的半导体区域中以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻、欧姆接触等各种结构的⽬的。
9、系统功能设计：是最⾼⼀级的设计，主要是指根据所设计系统的要求（包括芯⽚的功能、性能、尺⼨、功耗等），进⾏功能划分和数据流、控制流的设计，完成功能设计。
《微电子与集成电路设计导论》第六章 新型微电子技术
纳电子器件——Memristor忆阻器 ➢ 全称记忆电阻（Memristor），是表示磁通与电荷关系的电路器件。
特点
➢ 电阻取决于多少电荷经过了器件。 ➢ 若电荷以一个方向流过，电阻会增加；
如果让电荷以反向流动，电阻就会减小。 ➢ 具有记忆能力，断电后电阻值保持不变。
纳电子器件——石墨烯
➢ 它是已知材料中最薄的一种，且牢固坚硬； ➢ 优良的导电特性：它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。
优势
➢ 碳纳米管FET沟道为一维结构，载流子 迁移率大大提高。
➢ 碳纳米管FET参与碳纳米管导电的是表 面。
➢ 碳纳米管FET通过选择源漏材料，可完 全消除源漏结势垒
图6.4.2 CNT-FET典型结构示意图
纳电子器件——有机分子场效应晶体管
该技术利用了分子之间可自由组合的化学特性，晶体管电极之间的距离仅为1纳米到2 个纳米，是目前世界最小的晶体管。同时具有制造简单，造价低廉的优点。
2006年3月， 佐治亚理工学院 （Georgia Institute of Technology） 的研究 员宣布，成功地制造了石墨烯平面场效应 晶体管并观测到了量子干涉效应。并基于 此研究出根据石墨烯为基础的电路。
6.4.2 纳电子材料
纳米材料一诞生，即以其异乎寻常的特性引起了材料界的广泛关注。这 是因为纳米材料具有与传统材料明显不同的一些特征。
人类社会是在不断征服自然和不断攀登科技顶 峰而前进的，纳米技术也是如此。
现在世纪纳米技术和纳米材料，正向新材料、 微电子、计算机、医学、航天、航空、环境、 能源、生物技术和农业等诸多领域渗透。
纳米打假
纳米技术并非高不可攀，但也决非人人都能“纳”一把， 因此，我们要提前做好纳米技术的打假工作，建立一套十分 严格的评审和考核制度，为纳米技术的发展创造良好的空间， 防止样样都要“纳”一把现象的发生，尽量避免恶意炒作 “伪纳米”，不能等到造成极其严重的恶果后，再去打与堵。
微电子器件中的集成电路设计与优化
微电子器件中的集成电路设计与优化随着科技的不断进步，微电子器件在现代社会中扮演着至关重要的角色。
在电子产品的制造过程中，集成电路的设计和优化是关键步骤之一。
本文将探讨微电子器件中的集成电路设计与优化的重要性，以及相关的方法和技术。
一、集成电路设计的意义集成电路（Integrated Circuit，简称IC）是在一个芯片上集成了大量电子元器件和电子电路的微电子产品。
它的设计和制造需要考虑许多因素，如功耗、尺寸、可靠性等。
合理的集成电路设计可以优化电路性能，提高电路的可靠性和稳定性。
集成电路的设计过程包括电路仿真、电路布局、电路布线等多个步骤。
在这个过程中，设计师需要考虑电路的功能需求、性能指标以及制造工艺的限制。
通过合理的布局和布线设计，可以减少电路钟乳石（Parasitic）的影响，提高电路的工作速度和可靠性。
二、集成电路设计的方法和技术1. 电路仿真电路仿真是集成电路设计的重要环节之一。
通过仿真软件，设计师可以对电路的性能和特性进行模拟和分析。
常用的电路仿真软件包括SPICE、Cadence等。
设计师可以通过仿真分析电路的工作频率、幅度、相位等参数，进而对电路进行优化。
2. 电路布局设计电路布局设计是指将电子元器件在芯片上的位置进行合理安排的过程。
合理的布局设计可以减少电路中的串扰和噪声，提高电路的性能。
在电路布局设计中，设计师需要考虑电路元器件之间的距离、位置的优化以及电路的大小等因素。
3. 电路布线设计电路布线设计是将电子元器件之间的连线进行合理布置的过程。
合理的布线设计可以减少电路中的电阻、电容和电感等元器件的串扰，提高电路的速度和稳定性。
在电路布线设计中，设计师需要考虑导线的长度、宽度以及布线层次等因素。
三、集成电路优化的意义集成电路优化是在电路设计的基础上，进一步提高电路的性能和可靠性。
通过优化设计，可以减少功耗、提高信噪比、提高工作速度等。
集成电路优化可以帮助设计师在满足功能和性能需求的同时，降低制造成本。
微电子与集成电路设计导论 第一章 概论
图1.5.4 国内集成电路的供求关系
图1.5.5 集成电路的进口量
➢ 我国的微电子技术的发展大致可以分为两个阶段：
第一个阶段：在2000年之前，1956年，北京大学、复旦大学、东北人民 大学、厦门大学、南京大学在北大联合创建半导体专业。1977年在北京 大学诞生了第一块大规模集成电路。而在1980年以后，初步形成了制造 业、设计业、封装业分离的状态。
➢ 膜集成电路：是在玻璃或陶瓷片等绝缘物体上，以膜的形式制作电阻、电 容等无源器件，并加以封装而成。
➢ 混合集成电路：在实际应用中，多半是在无源膜电路上外加半导体集成电 路或分立元件的二极管、三极管等有源器件，使之构成一个整体，这便是 混合集成电路。
图1.4.1 集成电路的分类
1.5 微电子产业的发展现状
ห้องสมุดไป่ตู้
3. 对信息社会的作用
图1.2.3 信息社会各应用产品市场领域的销售额
4. 对传统产业的带动作用
微电子对传统产业的渗透与带动作用。几乎所有的传统产业与微电子技术结 合，用集成电路芯片进行智能改造，都可以使传统产业重新焕发青春。
对风机、水泵采用变频调速等电子技术进行改造，每年即可节电500亿度以上. 和机械学科的结合，导致很多传统的机械产品逐步电子化。 和生物学结合，生物芯片的诞生得以实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生
图1.3.8 摩尔定律示意图
➢ 早期研制和生产的集成电路都是双极型的。 1930年，德国科学家Lilien-filed提出了关于MOS场效应晶体管的概念、工作原理 以及具体的实施方案。 1960年Kang和Atalla研制出第一个利用硅半导体材料制成的MOS晶体管。 1962年以后出现了由金属-氧化物-半导体（MOS）场效应晶体管组成的MOS集成 电路。
微电子器件与集成电路设计
微电子器件与集成电路设计电子与电气工程是一门研究电子器件和电路的学科，它涵盖了广泛的领域，包括微电子器件和集成电路设计。
微电子器件是电子系统的基础，而集成电路则是将多个微电子器件集成在一起形成的电路。
本文将重点探讨微电子器件与集成电路设计的相关内容。
微电子器件是指尺寸在微米级别的电子器件，如晶体管、二极管和电容器等。
微电子器件的设计与制造是电子与电气工程领域的核心任务之一。
在微电子器件的设计过程中，需要考虑器件的性能、功耗和可靠性等因素。
同时，还需要利用先进的材料和加工技术，以实现器件的微小尺寸和高性能。
集成电路是将多个微电子器件集成在一起形成的电路。
集成电路的设计是电子与电气工程中的重要研究方向之一。
集成电路设计的目标是在有限的芯片面积上实现尽可能多的功能，并保证电路的性能和可靠性。
在集成电路设计过程中，需要考虑电路的结构、布局和布线等因素，并利用计算机辅助设计工具进行模拟和验证。
微电子器件与集成电路设计的发展离不开先进的技术和方法。
随着纳米技术的发展，微电子器件的尺寸越来越小，性能越来越强。
同时，集成电路的规模也越来越大，功能越来越复杂。
为了满足这些需求，研究人员不断提出新的设计方法和工具。
例如，基于物理的器件模型和电路模拟技术可以更准确地预测器件和电路的性能。
此外，新材料的应用和三维集成电路的研究也为微电子器件与集成电路设计带来了新的机遇和挑战。
微电子器件与集成电路设计在现代科技的发展中发挥着重要的作用。
它们广泛应用于通信、计算机、医疗和能源等领域，推动了社会的进步和经济的发展。
随着人工智能、物联网和5G技术的兴起，对微电子器件和集成电路的需求将进一步增加。
因此，微电子器件与集成电路设计的研究具有重要的意义和广阔的前景。
总结起来，微电子器件与集成电路设计是电子与电气工程领域的重要研究方向。
它们的发展离不开先进的技术和方法，并在现代科技的发展中发挥着重要的作用。
随着科技的不断进步，微电子器件与集成电路设计的研究将继续深入，并为社会的进步和经济的发展做出更大的贡献。
《微电子与集成电路设计导论》第三章 半导体器件物理基础
Introduction to microelectronics and integrated circuit design
第三章 半导体器件物理基础
本节内容_ p-n结
热平衡状态下的p-n结 耗尽区 耗尽层势垒电容 电流-电压特性 结击穿
图3.1.1 （a）PN结的简化结构图； （b）理想均匀掺杂PN结的掺杂剖面
右图显示室温下硅和砷化镓p-n结 107
测量的正向特性．在低电流区域，复
合电流占优势， 等于2；在较高的
电流区域，扩散电流占优势， 接 近1．
10
9
0
Si 1 GaAs
1
2 2
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 VF /V
图 3.19 300K硅和砷化镓二极管的正向电流－电压特性比较. 虚线表示不同理想系数的 斜率
s
qND
s
(x
xn )
（b）
－N A W
E 0
x
0 x xn 其中E 是存在x＝0处的最大电场 m
－E m
面积＝Vbi
图3.8 (a)在热平衡时，(空a间)热电平荷在衡耗时尽空区的间分电布荷．在(b)电耗场尽分区布．的阴分影布面积为内建电势
Em
qND xn
s
qN A x p
s
(b)电场分布。阴影面积为内建电势
(a) 正向偏压
104 106 108 1010
225C 175 125 75 25
1012 102
100
102
VR /V
(b) 反向偏压
ND－NA
ND－NA
线性缓变结（linearly graded junction）
微电子技术和集成电路设计
微电子技术和集成电路设计第一章：微电子技术概述微电子技术是指通过微型化制造工艺，将电子元器件及其组合成为更小、更轻、功耗更低、性能更优越的微型电子系统。
它是现代电子技术的重要支撑，为信息产业和通信技术的快速发展提供了基础条件。
微电子技术的历史可以追溯到20世纪50年代。
当时，美国贝尔实验室的研究人员成功开发出了晶体管。
随着微电子技术的不断进步和应用领域的不断扩展，集成电路的出现成为了微电子技术的重要里程碑。
目前，微电子技术已经成为电子技术的重要领域，包括半导体材料、半导体器件、半导体工艺等领域。
同时，微电子技术的发展也在推动着各行各业的转型升级。
第二章：集成电路设计集成电路是指在一片半导体芯片上集成多个电子元器件组成的电路系统。
集成电路的设计是实现微电子技术应用的核心环节。
集成电路的设计包括电路架构设计、逻辑设计、物理设计等多个环节。
其中，电路架构设计是整个集成电路设计的第一步，它包括了整个电路系统的功能划分、器件参数选择、电路拓扑结构设计等内容。
逻辑设计是根据电路的功能需求，采用数字逻辑电路表示。
在逻辑设计中，采用多种方式进行电路的优化，主要包括时序优化、逻辑优化、布线优化等。
物理设计是将逻辑电路转化为实际的芯片布局，并确定各个器件的物理位置和连线方式。
物理设计包括晶体管尺寸的选定、布局规划、电路分区、连线等内容。
第三章：集成电路设计中的常见问题在集成电路设计的过程中，会遇到一些常见的问题。
其中，比较常见的问题包括电路布局与布线、电路可靠性、功耗优化等。
电路布局和布线是集成电路设计中最为困难的问题之一。
布局和布线的不好设计会导致电路性能下降、功耗增加等问题。
因此，合理的布局和布线设计是确保电路性能和可靠性的重要手段。
同时，电路可靠性问题也是集成电路设计中的一大难题。
由于芯片的制造过程中会伴随着多种工艺损伤，因此需要在设计过程中考虑电路的可靠性，并采取相应的设计措施保障电路的可靠性。
另外，功耗优化也是集成电路设计中必须要考虑的问题之一。
集成电路设计与微纳系统
集成电路设计与微纳系统
随着信息时代的到来，集成电路设计和微纳系统已经成为了现代
科技发展的重要组成部分。
二者的共同点都是在于利用微电子技术和
微纳米加工技术来进行系统设计和制造。
而在日常生活中，集成电路
与微纳系统都在我们的手机、电脑、汽车等各种设备中发挥着重要作用。
集成电路是指将数百到数千个电子器件（如电阻器、电容器等）
集成到非常小的芯片上，从而构成一个完整的电路系统。
其设计需要
统筹协调每个器件之间的相互关系和相互作用，以实现各种功能，从
而满足市场需求。
同时，集成电路的微型化，可靠性、功耗和工艺等
方面的问题也在不断地进行优化和改进。
微纳系统则是将微小、纳米量级的器件、机械、电子技术、能量学、信号处理和控制系统等集成在一起，从而形成一个微型化、高性能、高效能的系统。
微纳技术已经广泛应用于生物医学、能源环保、
航空航天等众多领域。
例如，微机电系统（MEMS）是微纳系统中的一
个典型代表，既可用于传感器，又可用于执行器，同时也可以在微机
电系统中集成其他功能。
在集成电路设计和微纳系统工程中，需要进行不断地优化和改进。
因此，需要掌握各种技术和工具，包括EDA软件、FPGA、CPLD、ASIC，MEMS加工工艺等等。
同时，设计工程师也需要具备较强的组织协调能
力和创新精神，以便更好地满足客户需求和市场需求。
总之，集成电路设计与微纳系统是现代科技不可或缺的一部分。
随着技术的不断进步和发展，将能够带来更多的变革和创新，从而提升各种设备的功能和性能，更好地服务人类社会。
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现代可编程器件意义下的电路结构
电路组成主要包括： 1、用于实现组合逻辑电路功能的存储器 堆体； 2、用于完成时序状态转换及保存的D 型 触发器组； 3、 相关的控制电路。 示例：
带反馈的寄存器输出结构的PAL器件：当系统的时钟的上升沿到来时，每个
“积之和”项存入一个D触发器。通过使能低电平有效的输出三态缓冲 器，再将D触发器的输出Q送到输出引脚。/Q输出端则反馈到“与”阵列， 这样的PAL器件能记忆原先的状态，从而实现状态机中的时序逻辑功能。 如向上或向下计数、跳位、移位和分支等。
传统可编程器件意义下的电路结构
电路组成主要包括： 1、带有可预置状态（可预置数）功能的 主功能电路模块； 2、 用于保存预置状态（可预置数）信息 的寄存器组； 3、 相关的控制电路。 示例：
定时器/计数器的工作方式及应用
当M1M0设置为00时，定时器选定为方式0工作。由TH0的8位和 TL0的低5位组成一个13位计数器。当GATE=1和TR0=1时， TH0+TL0是否计数取决于INT0引脚的信号，当INT0由0变为1时，开 始计数；当INT0由1变为0时，停止计数。这样就可以用来测量在 INT0端出现的脉冲宽度。当13位计数器从0或设定的初值，加1直到 全“1”以后，再加1就产生溢出，这时，置TCON的TF0位为1，系统 把计数器变为全“0”。
为降低测试过程的价格和测试设备的适用 性，采用可测性设计是一个较好的方法。 可测性设计的基本想法是将针对具体电路 的特定测试结构制作在芯片内部，与测试 设备接口采用统一的接口标准，使得测试 成本有所降低，同时测试覆盖率比较高。
可测性设计技术
什么是集成电路测试？对制造出的电路进行功能
和性能检测，检测并定位出电路的故障，用尽可能短的时 间挑选出合格芯片。
普通的组合逻辑输出
非同步组合逻辑输出
时序逻辑输出
禁止OLMC输出
可测性设计
随着设计的复杂度的增加，数字电路的可测试性 得到了越来越多的关注。 芯片的可测试性是指芯片在制造过程中能够发现 制造中出现的不合格的芯片产品。 在结构设计中，设计者除了完成主电路的设计外 ，还需要特别考虑一部分辅助测试电路的设计， 以保证芯片在制造阶段的可测性。 现阶段普遍采用的是用可测性设计来保证电路的 可测试性。
试困难的问题。 将芯片中的时序元件(如触发器、寄存器等)连接成一个 或数个移位寄存器(即扫描途径)，在组合电路和时序元 件之间增加隔离开关，并用专门信号控制芯片工作于 正常工作模式或测试模式。当芯片处于正常模式时， 组合电路的反馈输出作为时序元件的输入，移位寄存 器不工作；当芯片处于测试模式时，组合电路的反馈 输出与时序元件的连接断开，可以从扫描输入端向时 序元件输入信号，并可以将时序元件的输出移出进行 观察
数字集成电路的测试
测试的目的与内容 判定被测芯片是否有缺陷。 判定产生缺陷的原因 判定缺陷发生的部分
测试的成本
如果希望对被测电路的所有可能故障进 行全覆盖的测试，所付出的代价是极昂 贵的。 设有一组合逻辑电路有50个输入信号， 为考查所有输入组合（约 1015组）对该 电路的作用，在一个一秒钟能发出1G （ 109 ）测试向量的测试系统上，需耗 时106秒（一天不足105秒）。
X Y CO S
X1 Y1
C1
X CI S Y CO
X2 Y2
C2
X CI S Y CO
X3 Y3 C3
X CI S Y CO
C0 =0
CI
C4
S0
S1
S2
S3
缺点：运算速度慢，有较大的传输延迟 tADD = tXYCout + (n-2)*tCinCout + tCinS
迭代比较电路
用于级联的输入
关键时延路径是指在一个电路中信号输入 稳定到信号输出稳定的过程中信号传递的 最大时延通道。 关键时延路径是影响电路速度指标的重要 因素。
加法器
半加器（half adder）和 全加器（full adder）
半加器真值表 A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 CO 0 0 0 1 S 0 1 1 0
如何构造多位等值比较器？？
必须每位都相等
A0 B0
—— 并行比较 —— 串行比较 4位等值比较器
DIFF
A1 B1
A2 B2 A3 B3
给出足够的异或门和宽度足够的或门， 可以搭建任意输入位数的等值比较器。
并行进位加法器
先行进位法：第 i 位的进位输入信号
可以由该位以前的各位状态决定。
一位全加器：S = X Y Ci Ci+1 = X·Y + (X+Y)·Ci
数字电路的主要性能
电路的性能包括很多方面，但最重要的是速度、功耗和所 占硅片的面积。 1．速度 速度是指电路能够可靠工作时的最大频率。一个反相器的 最大工作频率可近似表达 1
f max
电路的速度越高，则电路在每秒内可以处理的数据量就越 大。 一个数字电路中会有成千上万个电路单元，而每个电路 单元由于其功能和设计的不同，它们的响应时间会有差异， 因此最高时钟频率取决于响应最慢的电路单元或者最慢的 通路(path)。 在电路设计中，最重要的任务之一是找出哪一个单元或 者哪一条通路的响应时间最长，并且设法缩短它的响应时 间以提高整个电路的工作速度。
OMLC中的AC0和ACl(n)这两个控制端将决定以 下4种不同的输出结构形式：
(1)普通的组合逻辑输出(AC0＝0，ACl(n)＝ 0) (2)非同步组合逻辑输出(AC0＝1，ACl(n)=1) (3)时序逻辑输出(AC0＝1，ACl(n) =0) (4)禁止OLMC输出(AC0=0，ACl(n)＝1)
…… Cn = Gn+Pn· Cn
可编程逻辑器件的含义
传统可编程逻辑器件的含义：器件的电 路功能已经设定完成，器件的使用者可 以根据需求设定该器件功能的适用范围。 例如：MCS8051微控制器中的计数器/ 定时器、中断优先级管理、串行通信接 口等设备均属此类。
可编程逻辑器件的含义
现代可编程逻辑器件的含义：器件的电路 功能没有设定完成，器件的使用者可以根 据需求设定该器件具体逻辑功能及其适用 范围。 例如目前常见的CPLD、FPGA等均属此列。
全加器真值表
Ci X Y Ci+1S 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1
Ci+1 = (Xi· Yi) + (Xi+Yi)· Ci = Gi + Pi · Ci
进位传递信号 进位产生信号
时钟信号
数字电路的主要性能
2．功耗 所有的电路都需要有直流电源供电，从电源中获得的 能量在电路中将以热的形式耗散掉。由于硅材料的性质决定 了晶体管的性能会随温度有明显的变化，因而通常电路的PN 结温度不能超过200℃、(一般商用电路，其最高工作温度规 定为65℃或75℃)，这样就对电路的总功耗有一限制。 电路的功耗有两种成分，一种是静态功耗，另一种是动 态功耗。静态功耗取决于电路处于稳定的逻辑状态时的电流， 动态功耗则取决于在逻辑状态发生变化的过程中额外的那部 分交流电流。 由于电路中器件数目增加时电路的功耗会随着加大， 所以电路中每一器件的功耗必须设法设计得越小越好。
0.8 tHL tLH
时钟信号
在数字电路中常有一时钟信号来控制各个门电路 的工作。一般希望电路的工作频率越高越好，但 是当工作频率增大到一定时，必须考虑各个门电 路是否有足够的时间完成响应。如果来不及响应， 就会导致信息传播过程中发生错误。 当时钟频率较低时，电路能安全可靠地运行。当 时钟频率接近于最大工作频率时，信号仍能正常 地作出响应，即信号仍能达到规定的高电平和低 电平。但当时钟频率超过最大工作频率时，响应 信号就发生畸变，即响应信号在未达到规定的高 电平时就开始下降，而下降时也不能达到规定的 低电平。
X Y EQI X0 Y0 X1 Y1
—— 每位串行比较
EQ
EQO
XN-1 YN-1
1
X Y EQ1 CMP EQI EQO
X Y EQ2 CMP EQI EQO
EQN-1
X Y EQN CMP EQI EQO
迭代的方法可能节省费用，但速度慢
迭代电路（iterative circuit）
Iterative：重复的, 反复的, [数]迭代的
数字电路的主要性能
3．芯片面积 电路的物理版图尺寸将决定芯片面积的大 能采用最小的工艺尺寸来减小 芯片而积。 一般来讲，要同时做到速度快、功耗低和 面积小是很困难的，通常要做一些折衷，例如为 了达到更快的速度，电路的功耗就只能大一些。
关键时延路径
集成电路测试的特殊性 什么是可测性设计？在尽可能少地增加附加引线
脚和附加电路，并使芯片性能损失最小的情况下，满足电 路可控制性和可观察性的要求
可控制：从输入端将芯片内部逻辑电路置于指定状态 可观察：直接或间接地从外部观察内部电路的状态
结构式测试技术
扫描途径测试
概念：将时序元件和组合电路隔离开，解决时序电路测
串行加法器
X0 Y0
X Y CO S X CI S
主 输 入 X1 Y1 C1
Y CO
X2 Y2 C2
X CI S Y CO
X3 Y3 C3
X CI S Y CO
C0 边界 输入
CI
S0
S1