集成电路设计基础

　　本书分为两大部分。第一部分介绍集成电路的制造材料、基本制造工艺、无源和有源器件相关的工艺流程、MOSFET特性、采用SPICE的集成电路模拟、集成电路版图设计、集成电路的测试与封装。第二部分介绍CMOS基本电路、静态恢复逻辑电路、静态传输逻辑电路、动态恢复逻辑时序电路、模拟集成电路与模数混合电路。本书可以作为电子科学和通信与信息等学科高年级本科生和硕士生的教材，也可作为集成电路设计，工程师的参考书。人类已进入信息化社会，硅器时代！过去十多年来，我国信息产业迅猛发展，但作为支撑的集成电路产业却相对落后。我国目前生产的集成电路只能满足国内市场需求的2％，更重要的是，关系我国信息安全和信息产业需求的关键集成电路如计算机的核心芯片CPU，光纤通信系统中的高速电路，Internet的网关网卡电路，多媒体中的信息处理电路等大多都是从外国进口的。这无疑极大地威胁着我国信息网络乃至整个国家的安全，制约着我国微电子工业乃至整个信息行业的发展，限制着我国微电子产品在国内外市场上的竞争力。在这样的形势下，我国的集成电路的技术发展和产业面临着巨大的挑战和机遇。其挑战来自于以下几个方面：.世界范围内信息技术和集成电路技术的高速发展；.我国加入WTO后，信息产业市场开放带来的外国信息产品的强力推销.国外信息技术和集成电路技术的继续垄断；.我国集成电路工艺和技术的相对落后；.我国集成电路设计人才的绝对缺少。事实上，集成电路设计和制造水平的高低已成为衡量一个国家技术水平的一个重要标准，同时成为一个国家经济实力和国防实力的一个重要标志。可以预料，在21世纪的前半叶，集成电路技术将会更加迅猛地发展。在我国，发展集成电路技术以加速社会信息化进程、加强国防力量和保证国家安全已经刻不容缓。面临挑战的同时，我国集成电路设计和制造技术的发展面临着一个关键的机遇。这种机遇表现在以下几方面：.国家的高度重视。集成电路设计与制造已被列为电子信息领域高技术创新的第一位，大规模集成电路设计已作为国家"十五863计划"重大专项全面实施，系统芯片基础研究已被列为"国家自然科学基金"、"十五"计划的优先资助领域，微电子电路设计已被信息产业部列为我国"十五"规划的重点发展方向。一场集成电路设计与制造的大战役已经在我国打响。.国防和国家信息安全对集成电路的迫切需求。.国家信息产业的高速发展对集成电路的巨大需求：2年预计我国Ic市场为5亿元，25年将超过2亿元。.国内外半导体制造现代化工艺线的不断建设和扩展，很大程厦上已经形成等米下"寺木广锅"（等待高技术含量的电路投入大批制造）或"找米下锅"的局面。.我国99工程的成功实施和数条先进（~.我国有数量庞大、可再塑或尽快培育的、支付费用低的集成电路设计与制造技术队伍和智力资源。我国重点大学大多都设有电子、通信、计算机、自动化等学科，每个学科每年都招收上百名学生，这些学生有很大一部分（全国超过数万名）可以通过课程调整和技术实践培养成为集成电路设计人才。.最近，教育部和科技部正在全国约1所大学内筹建集成电路设计人才培养基地。在这种形势下，集成电路设计人才的培养任务艰巨，为培养集成电路设计人才所需要的、这本《集成电路设计基础》教材的基础内容来自本书第二作者沈永朝教授1987-1997年为东南大学无线电系硕士研究生授课用的手稿，称之为{VLSl分析与设计》。自1998年始，本书第一作者接任该课程教学，修改和补充了一系列内容，特别是补充了概论、集成电路工艺、VHDL语言、逻辑综合和FPGA、模拟集成电路设计等内容，形成了{VLSI设计》讲义。已按照该讲义为1997-2四届研究生进行了讲授。讲课过程中发现：①研究生大多在本科阶段没有系统学习过集成电路设计；②当前更多需要模拟和模数混合集成电路设计人才；③在一个学期内难以兼顾集成电路后端设计和VLSI前端设计两方面的内容。所以，我们将原来的{VLSI设计》讲义分成两门课程。一门称之为《集成电路设计基础》的本教材，但又由第一作者增加了第2-5章和第7-9章的内容。另一门沿用《VLSI设计》，但内容集中在前端（或称顶层）设计。《集成电路设计基础》作为{VLSI设计》的先修课程。《集成电路设计基础》共分15章，大体可分为两大部分，第1-9章为第一部分，主要讨论集成电路设计的一系列基本知识。第1章追溯了集成电路发展的历史，讨论了当前集成电路设计和制造的技术发展趋势，讨论了无生产线集成电路设计的有关问题。第2章介绍了集成电路制造相关的材料，包括硅、锗硅、砷化镓、磷化铟和SOI等半导体材料与材料系统，以及绝缘体和金属导体等。第3章介绍了集成电路制造的基本工艺。第4章介绍了集成电路相关的无源器件，包括电阻、电容、电感、传输线等。第5章介绍了以双极性硅、HBT、MESFET、HEMT、PMOS、NMOS、CMOS等各种有源元件为代表的集成电路工艺。第6章介绍了当前主流工艺器件MOSFET的阈值电压、体效应、温度、噪声等基本特性和尺寸按比例缩小后产生的一系列二阶效应。第7章介绍了采用SPICE进行集成电路模拟的基本技术，对各种输入语句格式进行了详细描述。第8章介绍了集成电路版图设计的基本过程和知识。第9章简要叙述了集成电路测试和封装方面的有关问题。通过这9章的学习，可以使读者能够基本了解集成电路设计和制造的全过程，掌握集成电路设计的基本技术。因此，这9章可以作为集成电路设计的基础知识单独形成一个教学单元。本书第二部分包括第1～15章共6章内容，主要讨论的是CMOS电路设计的基本技术。其中，第1章介绍了MOS基本电路，主要是讨论MOS传输门和反相器电路。第11章讨论了CMOS静态传输逻辑电路，主要内容是常规CMOS传输门逻辑和差动开关晶体管逻辑两种电路。第12章讨论了以全互补标准CMOS、伪NMOS、级联电压开关和差动错层CMOS4种CMOS静态恢复逻辑电路。第13章讨论了C2MOS、预充电-放电和多米诺等CMOS动态恢复逻辑电路。第14章讨论了静态与动态移位寄存器和锁存器等多种时序电路。第15章讨论了放大器、振荡器''''、数模和模数转换器等几种典型的模拟电路和模拟数字混合信号集成电路。通过这6章基本电路技术的学习，使读者可在前9章了解集成电路设计工艺和掌握设计工具的基础上，基本掌握CMOS集成电路的基本单元设计，为更复杂、规模更大电路和系统的设计奠定基础。本书可以作为电子科学和通信与信息等学科高年级本科生和硕士生的教材，也可作为集成电路设计工程师的参考书。东南大学射频与光电集成电路研究所的许多老师和研究生也为两本教材做出了不同程度的贡献，在此表示衷心的感谢。鉴于集成电路技术一方面发展迅速，另一方面涉及到众多技术领域，使得编写一本既能覆盖基础技术，又能跟踪前沿技术的教材变得十分困难。我们虽然尽了力，但仍难以达到预定的目标。对于书中的遗漏和错误，恳望读者批评指正。

暂缺《集成电路设计基础》作者简介

第1章  集成电路设计概述
  1.1  集成电路(1C)的发展
  1.2  当前国际集成，电路技术发展趋势
  1.3  无生产线集成电路设计技术
  1.4  代工工艺
  1.5  芯片工程与多项目晶圆计划
  1.6  集成电路设计需要的知识范围
  1.7  集成电路设计相关的参考书、期刊和学术会议
第2章  1C制造材料
  2.1  概述
  2.2  硅(Si)
  2.3  砷化镓(GaAs)
  2.4  磷化铟(inP) 
  2.5  绝缘材料
  2.6金属材料
  2.7  多晶硅
  2.8  材料系统
  2.8.1  半导体材料系统
  2.8.2  半导体／绝缘体材料系统
  参考文献
第3章  1C制造工艺
  3.1  外延生长(Epitaxy)
  3.2  掩膜(Mask)的制版工艺
  3.3  光刻(Lithography)
  3.3.1  光刻步骤
  3.3.2  曝光方式
  3.4  刻蚀(Etching)
  3.5  掺杂
  3.6  绝缘层的形成
  3.7  金属层的形成
  参考文献
  第4章  无源元件
  4.1  互连线
  4.2  电阻
  4.3  电容
  4.4  电感
  4.4.1  集总电感
  4.4.2  传输线电感
  4.5  分布参数元件
  4.5.1  集总元件和分布元件
  4.5.2  微带线
  4.5.3  共面波导(CPW)
  4.5.4  传输线元件
  参考文献
第5章  IC有源元件与工艺流程
  5.1  概述
  5.2  双极性硅工艺
  5.3  HBT工艺
  5，4  MESFET和HEMT工艺
  5.4.1  MESFETs
  5.4.2  HEMT
  5.5  MOS和相关的VLSI工艺
  5.6  PMOS工艺
  5.6.1  早期的铝栅工艺
  5.6.2  铝栅重叠设计
  5.6.3  自对准技术与标准硅工艺
  5.7  NMOS工艺
   5.7.1  了解NMOS工艺的意义
  5.7.2  增强型和耗尽型MOSFET
  5.7.3  E-NMOS工作原理图
  5.7.4  NMOS工艺流程
  5.8  CMOS工艺
  5.8.1  一层多晶硅P阱CMOS工艺流程
  5.8.2  一层多晶硅两层金属N阱CMOS工艺主要步骤
  5.9  BiCMOS工艺
  参考文献
第6章  MOS场效应管特性
  6.1  MOS场效应管
  6.1.1  MOS的基本结构
  6.1.2  MOS电容的组成
  6.1.3 MOS电容的计算
  6.2  MOS管的阈值电压VT
  6.3  影响VT值的四大因素
  6.3.1  材料的功函数之差
  6.3.2  Si02层中可移动的正离子的影响
  6.3.3  氧化层中固定电荷的影响
  6.3.4  界面势阱的影响
  6.3.5  综合以上四大因素后的MOS器件阈值电压VT
  6.4  体效应
  6.5  MOSFET的温度特性
  6.6  MOSFET的噪声
  6.7  MOSFET尺寸按比例缩小(Scsling-down)
  6.8  MOS器件的二阶效应
  6.8.1  L和W的变化
  6.8.2  迁移率的退化
  6.8.3  沟道长度的调制
  6.8.4  短沟道效应引起的门限电压的变化
  6.8.5  狭沟道引起的门限电压的变化
  6.8.6  第二栅现象
  6.8.7  电离化
  参考文献
第7章  采用SPlCE的集成电路模拟
  7.1  集成电路计算机辅助电路模拟程序SPICE
  7.2  采用SPICE的电路设计流程
  7.3  电路元件的SPICE输入语句格式
  7.3.1  标题、结束和注释语句
  7.3.2  基本元件语句
  7.3.3  半导体器件
  7.3.4  模型语句
  7.3.5  子电路描述语句
  7.4  电路特性分析指令与控制语句
  7.4.1  分析语句—
  7.4.2  分析控制语句
  7.5  SPIC正电路输入文件举例
  7.6  SPICE格式的电路图(Schemeic)编辑
  7.7  SPICE应用经验
  参考文献
第8章  1C版图设计
  8.1  工艺流程的定义
  8.2  版图设计规则
  8.3  图元(1nstances)
  8.4  版图设计
  8.5  版图检查
  8.6  版图数据的提交
  参考文献
第9章  集成电路的测试和封装
  9.1  芯片在晶圆上的测试
  9.2  芯片载体
  9.3  芯片绑定
  9.4  高速芯片封装
  9.5  混合集成与微组装技术
  参考文献
  第10章  MOS基本电路
  10.1  传输门
  10.I.1  NMOS传输门
  10.1.2  PMOS传输门
  10.1.3  CMOS传输门
  10.2  传输门的连接
  10.2.1  串联
  10.2.2  并联
  10.2.3  串并联
  10.3  NMOS反相器
  10.4  NMOS反相器负载电阻的选择
  10.4.1  纯电阻负载兄
  10.4.2  饱和增强型负载
  10.4.3  耗尽型负载
  10.5  CMOS反相器
  10.5.1  电路图
  10.5.2  转移特性
  10.5.3  CMOS反相器的瞬态特性
  10.6  反相器的时延-功耗乘积
  参考文献
第11章  CMOS静态传输逻辑电路
  11.1  常规CMOS传输门逻辑电路
  11.2  CMOS差动开关晶体管逻辑(DPTL)电路
第12章  CMOS静态，咴复逻辑电路
  12.1  引言
  12.2  全互补标准CMOS逻辑电路
  12.3  伪NMOS逻辑电路
  12.4  级联电压开关逻辑(CVSL)电路
  12.5  差动错层CMOS逻辑(DSL)电路
  12.5.1  DSL电路的工作原理
  12.5.2  DSL电路的实用化
第13章  CMOS动态，恢复逻辑电路
  13.1  CMOS电路
  13.2  预充电—放电逻辑
  13.2.1  贝尔实验室对动态电路的研究
  13.2.2  预充电—放电逻辑
  13.3  预充电技术的改进，多米诺逻辑(DominoLogic)电路
  13.4  多米诺逻辑(DominoLogic)电路的发展
  13.5  逻辑树中的寄生现象
  13.6  多输出多米诺逻辑电路
第14章  时序电路
  14.1  记忆元件
  14.1.1  静态记忆元件
  14.1.2  动态记忆元件
  14.2  移位寄存器和锁存器
  14.2.1  静态主从式移位寄存器
  t4.2.2  动态移位寄存器
  14.2.3  DFF
  14.2.4  C2MOS移位寄存器
  14.2.5  精简的DFF
  14.2.6  小结
  14.3  半静态锁存器(Latch)和DFF
  14.3.1  锁存机理
  14.3.2  各种形式的半静态锁存器
  14.4  动态锁存器
  14.4.1  反馈与锁存
  14.4.2  刷新与锁存
  14.4.3  动态锁存器
  14.4.4  各种变形
  14.4.5  与半静态锁存器比较
  14.5  静态触发器
  14.6  半静态触发器
  14.6.1  具有置位、复位功能的半静态触发器
  14.6.2  链式半动态锁存器
  14.7  RS网络
  14.8  单相动态边沿触发寄存器
  14.8.1  UCLA开发的单相动态触发器
  14.9  流水线逻辑结构’
  14.10  真单相时钟电路——TSPC
  14.10.1  主要出现在C2MOS电路中
  14.10.2  TPSC-1电路
  14.11  通用处理系统
第15章  模拟集成电路与模数混合集成电路
  15.1  放大器
  15.1.1  小信号放大器
  15.1.2  限幅放大器
  15.1.3  运算放大器
  15.2  振荡器(OscUlator)
  15.2.1  多谐振荡器(Muldvibrator)
  15.2.2环形振荡器(RingOscillator)
  15.3  数模转换器(DAC)
  15.4  模数转换器(ADC)
  参考文献
附录A
附录B
附录C
附录D