集成电路设计习题答案1-5章

CH1

1．按规模划分，集成电路的发展已经经历了哪几代？它的发展遵循了一条业界著名的定律，请

说出是什么定律？

晶体管-分立元件-SSI-MSI-LSI-VLSI-ULSI-GSI-SOC。MOORE定律2．什么是无生产线集成电路设计？列出无生产线集成电路设计的特点和环境。

拥有设计人才和技术，但不拥有生产线。特点：电路设计，工艺制造，封装分立运行。环境：

IC产业生产能力剩余，人们需要更多的功能芯

片设计

3．多项目晶圆（MPW）技术的特点是什么？对发展集成电路设计有什么意义？

MPW：把几到几十种工艺上兼容的芯片拼装到一个宏芯片上，然后以步行的方式排列到一到多个晶圆上。意义：降低成本。

4．集成电路设计需要哪四个方面的知识？

系统，电路，工具，工艺方面的知识

CH2

1．为什么硅材料在集成电路技术中起着举足轻重的作用 ?

原材料来源丰富，技术成熟，硅基产品价格低

廉

2．GaAs和InP材料各有哪些特点? P10,11 3．怎样的条件下金属与半导体形成欧姆接触？怎样的条件下金属与半导体形成肖特基接触？

接触区半导体重掺杂可实现欧姆接触，金属与掺杂半导体接触形成肖特基接触

4．说出多晶硅在CMOS工艺中的作用。P13 5．列出你知道的异质半导体材料系统。

GaAs/AlGaAs, InP/ InGaAs, Si/SiGe, 6．SOI材料是怎样形成的，有什么特点?

SOI绝缘体上硅，可以通过氧隔离或者晶片粘结技术完成。特点：电极与衬底之间寄生电容大大减少，器件速度更快，功率更低

7. 肖特基接触和欧姆型接触各有什么特点？

肖特基接触：阻挡层具有类似PN结的伏安特性。欧姆型接触：载流子可以容易地利用量子遂穿效应相应自由传输。

8. 简述双极型晶体管和MOS晶体管的工作原理。P19,21

CH3

1．写出晶体外延的意义，列出三种外延生长方法，并比较各自的优缺点。

意义：用同质材料形成具有不同掺杂种类及浓

度而具有不同性能的晶体层。外延方法:液态

生长，气相外延生长，金属有机物气相外延生

长

2．写出掩膜在IC制造过程中的作用，比较整版掩膜和单片掩膜的区别，列举三种掩膜的制造方法。P28,29

3．写出光刻的作用，光刻有哪两种曝光方式？

作用：把掩膜上的图形转换成晶圆上的器件结构。曝光方式有接触与非接触两种。

4．X射线制版和直接电子束直写技术替代光刻技术有什么优缺点？

X 射线（X-ray）具有比可见光短得多的波长，可用来制作更高分辨率的掩膜版。电子束扫描法，，由于高速电子的波长很短，分辨率很高

5．说出半导体工艺中掺杂的作用，举出两种掺杂方法，并比较其优缺点。

热扩散掺杂和离子注入法。与热扩散相比，离子注入法的优点如下：1.掺杂的过程可通过调整杂质剂量与能量来精确控制杂质分布。2.可进行小剂量的掺杂。3.可进行极小深度的掺杂。4.较低的工业温度，故光刻胶可用作掩膜。5.可供掺杂的离子种类较多，离子注入法也可用于制作隔离岛。缺点：价格昂贵，大剂量注入时，半导体晶格会遭到严重破坏且难以恢复

6．列出干法和湿法氧化法形成SiO2的化学反应式。

干氧

2

2

SiO

O

Si→

+湿氧

2

2

2

2

2H

SiO

O

H

Si+

→

+

CH4

1．Si工艺和GaAs工艺都有哪些晶体管结构和电路形式？见表4.1

2．比较CMOS工艺和GaAs工艺的特点。

CMOS工艺技术成熟，功耗低。GaAs工艺技术不成熟，工作频率高。

3.什么是MOS工艺的特征尺寸？

工艺可以实现的平面结构的最小宽度，通常指

最小栅长。

4.为什么硅栅工艺取代铝栅工艺成为CMOS工艺

的主流技术？

铝栅工艺缺点是，制造源漏极与制造栅极需要两次掩膜步骤（MASK STEP ），不容易对齐。硅栅工艺的优点是：自对准的，它无需重叠设计，减小了电容，提高了速度，增加了电路的稳定性。

5. 为什么在栅长相同的情况下NMOS 管速度要高

于PMOS 管？

因为电子的迁移率大于空穴的迁移率 6．简述CMOS 工艺的基本工艺流程。P.52 7．常规N-Well CMOS 工艺需要哪几层掩膜？每层掩膜分别有什么作用？ P50表4.3

CH5

1． 说出MOSFET 的基本结构。

MOSFET 由两个PN 结和一个MOS 电容组成。 2． 写出MOSFET 的基本电流方程。

]

)[(2

21DS DS T GS l w t V V V V ox

OX --?μ

ξ 3． MOSFET 的饱和电流取决于哪些参数？

饱和电流取决于栅极宽度W ，栅极长度L ，栅-源之间压降GS V ，阈值电压T V ，氧化层厚度

OX t ，氧化层介电常数OX ξ

4． 为什么说MOSFET 是平方率器件？

因为MOSFET 的饱和电流具有平方特性 5． 什么是MOSFET 的阈值电压？它受哪些因素影

响？

阈值电压就是将栅极下面的Si 表面从P 型Si 变成N 型Si 所必要的电压。影响它的因素有4个：材料的功函数之差，SiO2层中可以移动的正离子的影响，氧化层中固定电荷的影响，界面势阱的影响

6． 什么是MOS 器件的体效应？

由于衬底与源端未连接在一起，而引起的阈值电压的变化叫做体效应。

7． 说明L 、W 对MOSFET 的速度、功耗、驱动能力

的影响。 P70，71

8． MOSFET 按比例收缩后对器件特性有什么影响?

DS

I 不变，器件占用面积减少，提高电路集成

度，减少功耗

9． MOSFET 存在哪些二阶效应？分别是由什么原

因引起的？

P.70-73 沟道长度调制效应，体效应，亚阈值效应

10．说明MOSFET 噪声的来源、成因及减小的方法。

噪声来源：热噪声和闪烁噪声。热噪声是由沟道内载流子的无规则热运动造成的，可通过增加MOS 管的栅宽和偏置电流减少热噪声。闪烁噪声是由沟道处二氧化硅与硅界面上电子的充放电引起的，增加栅长栅宽可降低闪烁噪声。

CH6

1．芯片电容有几种实现结构？ ① 利用二极管和三极管的结电容； ② 叉指金属结构；

③ 金属-绝缘体-金属（MIM ）结构； ④ 多晶硅/金属-绝缘体-多晶硅结构。

2．采用半导体材料实现电阻要注意哪些问题？ 精度、温度系数、寄生参数、尺寸、承受功耗以及匹配等方面问题

3．画出电阻的高频等效电路。

4．芯片电感有几种实现结构？

(1)集总电感

集总电感可以有下列两种形式: ① 匝线圈;

② 圆形、方形或其他螺旋形多匝线圈;

(2)传输线电感

5．微波集成电路设计中，场效应晶体管的栅极常常通过一段传输线接偏置电压。试解释其作用。 阻抗匹配

6．微带线传播TEM 波的条件是什么？

错误!未找到引用源。

7．在芯片上设计微带线时，如何考虑信号完整性问题?

为了保证模型的精确度和信号的完整性，需要对互连线的版图结构加以约束和进行规整。为了减少信号或电源引起的损耗以及为了减少芯片面积，大多数连线应该尽量短。应注意微带线的趋肤效应和寄生参数。在长信号线上，分布电阻电容带来延迟；而在微带线长距离并行或不同层导线交叉时，要考虑相互串扰问题。

8．列出共面波导的特点。

CPW 的优点是：

①工艺简单，费用低，因为所有接地线均

在上表面而不需接触孔。

②在相邻的CPW 之间有更好的屏蔽，因此有更高的集成度和更小的芯片尺寸。

③比金属孔有更低的接地电感。

④低的阻抗和速度色散。

CPW 的缺点是：

①衰减相对高一些，在50 GHz 时，CPW 的

衰减是0.5 dB/mm；

②由于厚的介质层，导热能力差，不利于大

功率放大器的实现。

CH7

1. 集成电路电路级模拟的标准工具是什么软件, 能进行何种性能分析？

集成电路电路级模拟的标准工具是SPICE

可以进行：

（1）直流工作点分析

（2）直流扫描分析

（3）小信号传输函数

（4）交流特性分析

（5）直流或小信号交流灵敏度分析

（6）噪声分析

（7）瞬态特性分析

（8）傅里叶分析

（9）失真分析

（10）零极点分析

2. 写出MOS的SPICE元件输入格式与模型输入格式。

元件输入格式：

M<编号> <漏极结点> <栅极结点> <源极结点> <衬底结点> <模型名称> <宽W> <长L> （<插指数M>）

例如：M1 out in 0 0 nmos W=1.2u L=1.2u M=2

模型输入格式：

.Model <模型名称> <模型类型> <模型参数>……

例如：

.MODEL NMOS NMOS LEVEL=2 LD=0.15U TOX=200.0E-10 VTO=0.74 KP=8.0E-05

+NSUB=5.37E+15 GAMMA=0.54 PHI=0.6 U0=656 UEXP=0.157 UCRIT=31444

+DELTA=2.34 VMAX=55261 XJ=0.25U LAMBDA=0.037 NFS=1E+12 NEFF=1.001

+NSS=1E+11 TPG=1.0 RSH=70.00 PB=0.58

+CGDO=4.3E-10 CGSO=4.3E-10 CJ=0.0003 MJ=0.66 CJSW=8.0E-10 MJSW=0.24

其中，+为SPICE语法，表示续行。

3. 用SPICE程序仿真出MOS管的输出特性曲线。

.title CH6-3

.include “models.sp”

M1 2 1 0 0 nmos w=5u l=1.0u

Vds 2 0 5

Vgs 1 0 1

.dc vds 0 5 0.2 vgs 1 5 1

.print dc v(2) i(vds)

.end

4. 构思一个基本电路如一个放大器,画出电路图,编写SPICE输入文件,执行分析,观察结果。

.title CH6-4

.include “models.sp”

.global vdd

M1 out in 0 0 nmos w=5u l=1.0u

M2 out in vdd vdd pmos w=5u l=1.0u

Vcc vdd 0 5

Vin in 0 sin(0 1 10G 1ps 0)

.trans 0.01u 4u

.print trans v(out)

.end

CH8

1．说明版图与电路图的关系。

版图（Layout）是集成电路设计者将设计、模拟和优化后的电路转化成为一系列的几何图形，它包含了集成电路尺寸、各层拓扑定义等器件相关的物理信息数据。版图与电路图是一一对应的，包括元件对应以及结点连线对应。

2．说明版图层、掩膜层与工序的关系。

集成电路制造厂家根据版图中集成电路尺寸、各层拓扑定义等器件相关的物理信息数据来制造掩膜。根据复杂程度，不同工艺需要的一套掩膜可能有几层到十几层。一层掩膜对应于一种工艺制造中的一道或数道工序。掩膜上的图形决定着芯片上器件或连接物理层的尺寸。因此版图上的几何图形尺寸与芯片上物理层尺寸直接相关。

3．说明设计规则与工艺制造的关系。

由于器件的物理特性和工艺限制，芯片上物理层的尺寸对版图的设计有着特定的规则，这些规则是各集成电路制造厂家根据本身的工艺特点和技术水平而制定的。因此不同的工艺，就有不同的设计规则。

4．设计规则主要包括哪几种几何关系？

设计规则主要包括各层的最小宽度、层与层之间的最小间距以及最小交叠等。

5．给出版图设计中的图元（Instance）与电路中的元件（Element）概念的区别。

图元可以是一些不具有电路功能的图形组合，譬如以图形组成的字母、图标（Logo）等。

6. 为提高电路性能在版图设计中要注意哪些准则？

（1）匹配设计

（2）抗干扰设计

（3）寄生优化设计

（4）可靠性设计

7．版图设计中整体布局有哪些注意事项？

（1）布局图应尽可能与功能框图或电路图一致，然后根据模块的面积大小进行调整。

（2）设计布局图的一个重要的任务是安排焊盘。一个设计好的集成电路应该有足够的焊盘来进行信号的输入/输出和连接电源电压及地线。

（3）集成电路必须是可测的。最后的测试都是将芯片上的输入/输出焊盘和测试探针或封装线连接起来。

8．版图设计中元件布局布线方面有哪些注意事项？

（1）金属连线的宽度是版图设计必须考虑的问题。

（2）应确保电路中各处电位相同。芯片内部的电源线和地线应全部连通，对于衬底应该保证良好的接地。

（3）对高频信号，尽量减少寄生电容的干扰，对直流信号，尽量利用寄生电容来旁路掉直流信号中的交流成分从而稳定直流。

（4）对于电路中较长的走线，要考虑到电阻效应。为防止寄生大电阻对电路性能的影响，电路中尽量不走长线。

9. 简述用cadence软件进行全定制IC设计的流程。

Ⅰ原理图

（1）建库；

（2）建底层单元；

（3）电路图输入；

（4）设置电路元件属性；

（5）Check & Save；

（6）生成symbol；

（7）原理图仿真。

Ⅱ版图

（1）新建一个library/cell/view；

（2）进行 cell 的版图编辑；

（3）版图验证；

（4）寄生提取与后仿真；

（5）导出GDSII 文件。

CH9

1．小信号放大器有哪些特点?

小信号放大器工作在小信号状态，提供放大的信号电流和电压，需要考虑电路的增益和带宽等指标。

2．限幅放大器属于小信号放大器还是大信号放大器?

大信号放大器

3．运算放大器有哪些特点和性能指标?

运算放大器是高增益的差动放大器，通常工作在闭环状态。

其性能指标有：

（1） 增益

（2） 小信号带宽 （3） 大信号带宽 （4） 输出摆幅 （5） 线形度 （6） 噪声与失调 （7） 电源抑制

4．说明环形振荡器的工作原理，比较环形RC 振荡器和LC 振荡器的优缺点。

环形振荡器是由若干增益级首尾相连组成的,

是一个总直流相位偏移180。

的N 个增益级级联于反馈电路的环形振荡器。

环形振荡器不需要电感元件，可以节省大量的芯片面积，从而实现低代价的振荡器，而且这种振荡器可以实现很宽的调谐范围。但环形振荡器的噪声性能差，功耗高。

LC 振荡器的可以有效改善噪声性能，降低功耗；但由于使用电感元件，这使得芯片面积大大增加，芯片成本随之增加。

5. 在图9.57所示的负跨导振荡器中，假设C P =0，只考虑M1和M2漏极结电容C DB ，请解释为什么VDD 可被视为控制电压，计算VCO 的压控增益。

解：因为C DB 随漏-衬底电压变化而变化，若VDD 变化，振荡回路的谐振频率也随之变化。由于C DB 两端的平均电压近似等于VDD ，可以得到：

错误!未找到引用源。且错误!未找到引用源。 由错误!未找到引用源。，得错误!未找到引用源。

6. 某环形VCO 为6级结构，每级单元电路为图9.58所示的MOS 差分放大器，其中每只NMOS 管

的V TH =0.5V ，k ＝0.1mA/V 2

，C DS =7pF ，VDD=5V 。若控制电压Vcon=3~4V ，求输出频率范围和压控灵敏度K 。

V con

V in

V out

V DD

M 1M 2

图9.58 NMOS 差分单元

解：错误!未找到引用源。，将V TH =0.5V ，k ＝0.1mA/V 2

，C DS =7pF ，VDD=5V 带入公式，

Vcon=3V 时，f =2.14GHz ；Vcon=4V 时，f =0.714GHz 。 K=（2.14-0.714）/(4-3)=1.42GHz/V 。