超大规模集成电路中基于OCV的时序收敛方法

集成电路测试原理及方法

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 集成电路测试原理及方法简介院系：电气工程及自动化学院姓名： XXXXXX 学号： XXXXXXXXX 指导教师： XXXXXX 设计时间： XXXXXXXXXX

摘要随着经济发展和技术的进步，集成电路产业取得了突飞猛进的发展。集成电路测试是集成电路产业链中的一个重要环节，是保证集成电路性能、质量的关键环节之一。集成电路基础设计是集成电路产业的一门支撑技术，而集成电路是实现集成电路测试必不可少的工具。本文首先介绍了集成电路自动测试系统的国内外研究现状，接着介绍了数字集成电路的测试技术，包括逻辑功能测试技术和直流参数测试技术。逻辑功能测试技术介绍了测试向量的格式化作为输入激励和对输出结果的采样，最后讨论了集成电路测试面临的技术难题。关键词：集成电路；研究现状；测试原理；测试方法

目录一、引言 (4) 二、集成电路测试重要性 (4) 三、集成电路测试分类 (5) 四、集成电路测试原理和方法 (6) 4.1.数字器件的逻辑功能测试 (6) 4.1.1测试周期及输入数据 (8) 4.1.2输出数据 (10) 4.2 集成电路生产测试的流程 (12) 五、集成电路自动测试面临的挑战 (13) 参考文献 (14)

一、引言随着经济的发展，人们生活质量的提高，生活中遍布着各类电子消费产品。电脑﹑手机和mp3播放器等电子产品和人们的生活息息相关，这些都为集成电路产业的发展带来了巨大的市场空间。2007年世界半导体营业额高达2.740亿美元，2008世界半导体产业营业额增至2.850亿美元，专家预测今后的几年随着消费的增长，对集成电路的需求必然强劲。因此，世界集成电路产业正在处于高速发展的阶段。集成电路产业是衡量一个国家综合实力的重要重要指标。而这个庞大的产业主要由集成电路的设计、芯片、封装和测试构成。在这个集成电路生产的整个过程中，集成电路测试是惟一一个贯穿集成电路生产和应用全过程的产业。如：集成电路设计原型的验证测试、晶圆片测试、封装成品测试，只有通过了全部测试合格的集成电路才可能作为合格产品出厂，测试是保证产品质量的重要环节。集成电路测试是伴随着集成电路的发展而发展的，它为集成电路的进步做出了巨大贡献。我国的集成电路自动测试系统起步较晚，虽有一定的发展，但与国外的同类产品相比技术水平上还有很大的差距，特别是在一些关键技术上难以实现突破。国内使用的高端大型自动测试系统，几乎是被国外产品垄断。市场上各种型号国产集成电路测试，中小规模占到80%。大规模集成电路测试系统由于稳定性、实用性、价格等因素导致没有实用化。大规模/超大规模集成电路测试系统主要依靠进口满足国内的科研、生产与应用测试，我国急需自主创新的大规模集成电路测试技术，因此，本文对集成电路测试技术进行了总结和分析。二、集成电路测试重要性随着集成电路应用领域扩大，大量用于各种整机系统中。在系统中集成电路往往作为关键器件使用，其质量和性能的好坏直接影响到了系统稳定性和可靠性。如何检测故障剔除次品是芯片生产厂商不得不面对的一个问题，良好的测试流程，可以使不良品在投放市场之前就已经被淘汰，这对于提高产品质量，建立生产销售的良性循环，树立企业的良好形象都是至关重要的。次品的损失成本可以在合格产品的售价里得到相应的补偿，所以应寻求的是质量和经济的相互制衡，以最小的成本满足用户的需要。作为一种电子产品，所有的芯片不可避免的出现各类故障，可能包括：1.固定型故障；2.跳变故障；3.时延故障；4.开路短路故障；5桥接故障，等等。测试的作用是检验芯片是否存在问题，测试工程师进行失效分析，提出修改建议，从工程角度来讲，测试包括了验证测试和生产测试两个主要的阶段。

《数字集成电路基础》试题C

《数字集成电路基础》试题C （考试时间：120分钟）班级：姓名：学号：成绩：一、填空题（共30分） 1.三极管有NPN和PNP两种类型，当它工作在放大状态时，发射结＿＿＿＿，集电结＿＿＿＿＿＿；NPN型三极管的基区是＿＿＿＿＿＿型半导体，集电区和发射区是＿＿＿＿＿＿型半导体。 2.把高电压作为逻辑1，低电平作为逻辑0的赋值方法称作＿＿＿＿＿＿＿逻辑赋值。一种电路若在正逻辑赋值时为与非门，则在负逻辑赋值时为＿＿＿＿＿＿＿＿。 3.四位二进制编码器有＿＿＿＿个输入端；＿＿＿＿个输出端。 4.将十进制数287转换成二进制数是＿＿＿＿＿＿＿＿；十六进制数是＿＿＿＿＿＿＿。 5.根据触发器功能的不同，可将触发器分成四种，分别是＿＿＿＿触发器、＿＿＿＿触发器、＿＿＿＿触发器和＿＿＿＿触发器。 3＝＿＿＿＿＿＿。 A.发射结和集电结均处于反向偏置 B.发射结正向偏置，集电结反向偏置 C.发射结和集电结均处于正向偏置 2.在下列三个逻辑函数表达式中，＿＿＿＿是最小项表达式。 A．B C ) A BC ,B ,A = + Y+ ( A B B ) A B ,A ( C B = B. C Y+ A

C. C AB ABC B C A C B A )D ,C ,B ,A (Y +++??= 3．用8421码表示的十进制数45，可以写成＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ A ．45 B. [101101]BCD C. [01000101]BCD D. [101101]2 4．采用OC 门主要解决了＿＿＿＿＿ A ．TTL 与非门不能相与的问题 B. TTL 与非门不能线与的问题 C. TTL 与非门不能相或的问题 5．已知某触发的特性表如下（A 、B 为触发器的输入）其输出信号的逻辑表达式为＿＿＿ A ． Q n+1 ＝A B. n n 1n Q A Q A Q +=+ C. n n 1n Q B Q A Q +=+ 三、化简下列逻辑函数，写出最简与或表达式：（共20分） 1． BC A C B A C B B A Y 1+?++= 2． Y 2＝Σm （0，1，8，9，10，11） 3． Y 3见如下卡诺图

数字集成电路总结

数字集成电路基础学习总结

第一章数字电子技术概念 1.1 数字电子技术和模拟电子技术的区别模拟信号：在时间上和数值上均作连续变化的电路信号。数字信号：表示数字量的信号，一般来说数字信号是在两个稳定状态之间作阶跃式变化的信号，它有电位型和脉冲型两种表达形式：用高低不同的电位信号表示数字“1”和“0”是电位型表示法；拥有无脉冲表示数字“1”和“0”是脉冲型表示法。数字电路包括：脉冲电路、数字逻辑电路。数字电路的特点：1）小、轻、功耗低2）抗干扰力强3）精度高按电路组成的结构可分立元件电路集成电路数数字电路分类小规模按集成度的大小来分中规模大规模超大规模双极型电路按构成电路的半导体器件来分单极型电路组合逻辑电路按电路有记忆功能来分 1.2 1.3 三极管：是一种三极（发射极E、基极B(发射结、集电结)半导体器件，他有NPN和PNP两种，可工作在截止、放大、饱和三种工作状态。电流公式：I(E)=I(B)+I(C) 放大状态：I(C)=βI(B) 饱和状态：I(C)< βI(B) 1.4 数制，两要素基数权二进制，十进制，十六进制之间的转换：二进制转换成十进制：二进制可按权相加法转化成十进制。十进制转换成二进制：任何十进制数正数的整数部分均可用除2取余法转换成二进制数。二进制转化成八进制：三位一组分组转换。二进制转换成十六进制：四位一组分组转换。八进制转换成十六进制：以二进制为桥梁进行转换。 1.5 码制十进制数的代码表示法常用以下几种：8421BCD码、5421BCD码、余3BCD码。 8421BCD码+0011=5421BCD码第二章逻辑代数基础及基本逻辑门电路

《超大规模集成电路设计》考试习题(含答案)完整版分析

1．集成电路的发展过程经历了哪些发展阶段？划分集成电路的标准是什么？集成电路的发展过程: ?小规模集成电路(Small Scale IC，SSI) ?中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI) ?大规模集成电路(Large Scale IC，LSI) ?超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI) ?特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI) ?巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）划分集成电路规模的标准 2．超大规模集成电路有哪些优点？ 1. 降低生产成本 VLSI减少了体积和重量等,可靠性成万倍提高,功耗成万倍减少. 2.提高工作速度 VLSI内部连线很短,缩短了延迟时间.加工的技术越来越精细.电路工作速度的提高,主要是依靠减少尺寸获得. 3. 降低功耗芯片内部电路尺寸小,连线短,分布电容小,驱动电路所需的功率下降. 4. 简化逻辑电路芯片内部电路受干扰小,电路可简化. 5.优越的可靠性采用VLSI后，元件数目和外部的接触点都大为减少，可靠性得到很大提高。 6.体积小重量轻 7.缩短电子产品的设计和组装周期一片VLSI组件可以代替大量的元器件,组装工作极大的节省,生产线被压缩,加快了生产速度. 3．简述双阱CMOS工艺制作CMOS反相器的工艺流程过程。 1、形成N阱 2、形成P阱 3、推阱 4、形成场隔离区 5、形成多晶硅栅 6、形成硅化物 7、形成N管源漏区 8、形成P管源漏区 9、形成接触孔10、形成第一层金属11、形成第一层金属12、形成穿通接触孔13、形成第二层金属14、合金15、形成钝化层16、测试、封装，完成集成电路的制造工艺 4．在VLSI设计中，对互连线的要求和可能的互连线材料是什么？互连线的要求低电阻值：产生的电压降最小；信号传输延时最小（RC时间常数最小化）与器件之间的接触电阻低长期可靠工作可能的互连线材料金属（低电阻率），多晶硅（中等电阻率），高掺杂区的硅(注入或扩散)（中等电阻率）

数字集成电路设计笔记归纳资料.doc

第三章、器件一、超深亚微米工艺条件下MOS 管主要二阶效应： 1、速度饱和效应：主要出现在短沟道NMOS 管，PMOS 速度饱和效应不显著。主要原因是 TH GS V V -太大。在沟道电场强度不高时载流子速度正比于电场强度（μξν=），即载流子迁移率是常数。但在电场强度很高时载流子的速度将由于散射效应而趋于饱和，不再随电场强度的增加而线性增加。此时近似表达式为：μξυ=（c ξξ<），c sat μξυυ==（c ξξ≥），出现饱和速度时的漏源电压DSAT V 是一个常数。线性区的电流公式不变，但一旦达到DSAT V ，电流即可饱和，此时DS I 与GS V 成线性关系（不再是低压时的平方关系）。 2、Latch-up 效应：由于单阱工艺的NPNP 结构，可能会出现VDD 到VSS 的短路大电流。正反馈机制：PNP 微正向导通，射集电流反馈入NPN 的基极，电流放大后又反馈到PNP 的基极，再次放大加剧导通。克服的方法：1、减少阱/衬底的寄生电阻，从而减少馈入基极的电流，于是削弱了正反馈。 2、保护环。 3、短沟道效应：在沟道较长时，沟道耗尽区主要来自MOS 场效应，而当沟道较短时，漏衬结（反偏）、源衬结的耗尽区将不可忽略，即栅下的一部分区域已被耗尽，只需要一个较小的阈值电压就足以引起强反型。所以短沟时VT 随L 的减小而减小。此外，提高漏源电压可以得到类似的效应，短沟时VT 随VDS 增加而减小，因为这增加了反偏漏衬结耗尽区的宽度。这一效应被称为漏端感应源端势垒降低。

4、漏端感应源端势垒降低（DIBL）： VDS增加会使源端势垒下降，沟道长度缩短会使源端势垒下降。VDS很大时反偏漏衬结击穿，漏源穿通，将不受栅压控制。 5、亚阈值效应（弱反型导通）：当电压低于阈值电压时MOS管已部分导通。不存在导电沟道时源（n+）体（p）漏（n+）三端实际上形成了一个寄生的双极性晶体管。一般希望该效应越小越好，尤其在依靠电荷在电容上存储的动态电路，因为其工作会受亚阈值漏电的严重影响。绝缘体上硅（SOI） 6、沟长调制：长沟器件：沟道夹断饱和；短沟器件：载流子速度饱和。 7、热载流子效应：由于器件发展过程中，电压降低的幅度不及器件尺寸，导致电场强度提高，使得电子速度增加。漏端强电场一方面引起高能热电子与晶格碰撞产生电子空穴对，从而形成衬底电流，另一方面使电子隧穿到栅氧中，形成栅电流并改变阈值电压。影响：1、使器件参数变差，引起长期的可靠性问题，可能导致器件失效。2、衬底电流会引入噪声、Latch-up、和动态节点漏电。解决：LDD（轻掺杂漏）：在漏源区和沟道间加一段电阻率较高的轻掺杂n-区。缺点是使器件跨导和IDS减小。 8、体效应：衬底偏置体效应、衬底电流感应体效应（衬底电流在衬底电阻上的压降造成衬偏电压）。二、MOSFET器件模型 1、目的、意义：减少设计时间和制造成本。 2、要求：精确；有物理基础；可扩展性，能预测不同尺寸器件性能；高效率性，减少迭代次数和模拟时间 3、结构电阻：沟道等效电阻、寄生电阻 4、结构电容：三、特征尺寸缩小目的：1、尺寸更小；2、速度更快；3、功耗更低；4、成本更低、方式： 1、恒场律（全比例缩小），理想模型，尺寸和电压按统一比例缩小。优点：提高了集成密度未改善：功率密度。问题：1、电流密度增加；2、VTH小使得抗干扰能力差；3、电源电压标准改变带来不便；4、漏源耗尽层宽度不按比例缩小。 2、恒压律，目前最普遍，仅尺寸缩小，电压保持不变。优点：1、电源电压不变；2、提高了集成密度问题：1、电流密度、功率密度极大增加；2、功耗增加；3、沟道电场增加，将产生热载流子效应、速度饱和效应等负面效应；4、衬底浓度的增加使PN结寄生电容增加，速度下降。 3、一般化缩小，对今天最实用，尺寸和电压按不同比例缩小。限制因素：长期使用的可靠性、载流子的极限速度、功耗。

数字集成电路复习指南..

1. 集成电路是指通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管、MOS管等有源器件和阻、电容、电感等无源器件，按一定电路互连，“集成”在一块半导体晶片（硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能的一种器件。 2.集成电路的规模大小是以它所包含的晶体管数目或等效的逻辑门数目来衡量。等效逻辑门通常是指两输入与非门，对于CMOS集成电路来说，一个两输入与非门由四个晶体管组成，因此一个CMOS电路的晶体管数除以四，就可以得到该电路的等效逻辑门的数目，以此确定一个集成电路的集成度。 3.摩尔定律”其主要内容如下：集成电路的集成度每18个月翻一番/每三年翻两番。摩尔分析了集成电路迅速发展的原因，他指出集成度的提高主要是三方面的贡献: （1）特征尺寸不断缩小，大约每3年缩小1.41倍；（2）芯片面积不断增大，大约每3年增大1.5倍；（3）器件和电路结构的改进。 4.反标注是指将版图参数提取得到的分布电阻和分布电容迭加到相对应节点的参数上去，实际上是修改了对应节点的参数值。 5.CMOS反相器的直流噪声容限:为了反映逻辑电路的抗干扰能力，引入了直流噪声容限作为电路性能参数。直流噪声容限反映了电流能承受的实际输入电平与理想逻辑电平的偏离范围。 6. 根据实际工作确定所允许的最低输出高电平，它所对应的输入电平定义为关门电平；给定允许的最高输出低电平，它所对应的输入电平为开门电平 7. 单位增益点. 在增益为0和增益很大的输入电平的区域之间必然存在单位增益点，即dV out/dVin=1的点 8. “闩锁”现象在正常工作状态下，PNPN四层结构之间的电压不会超过Vtg，因此它处于截止状态。但在一定的外界因素触发下，例如由电源或输出端引入一个大的脉冲干扰，或受r射线的瞬态辐照，使 PNPN四层结构之间的电压瞬间超过Vtg，这时，该寄生结构中就会出现很大的导通电流。只要外部信号源或者Vdd和Vss能够提供大于维持电流Ih的输出，即使外界干扰信号已经消失，在PNPN四层结构之间的导通电流仍然会维持，这就是所谓的“闩锁”现象 9. 延迟时间： T pdo ——晶体管本征延迟时间； UL ——最大逻辑摆幅，即最大电源电压； Cg ——扇出栅电容(负载电容)； Cw ——内连线电容； Ip ——晶体管峰值电流。

大规模集成电路设计答案(1)

`CMOS反相器电路图、版图、剖面图

CMOS的广泛使用，是由于解决了latch-up效应 Latch-up效应解释、原理、解决方法（略）避免栅锁效应方法：用金掺杂或中子辐射，降低少数载流子寿命；深阱结构或高能量注入形成倒退阱；将器件制作于高掺杂衬底上的低掺杂外延层中；沟槽隔离。在基体（substrate)上改变金属的掺杂，降低BJT的增益 ?避免source和drain的正向偏压 ?增加一个轻掺杂的layer在重掺杂的基体上，阻止侧面电流从垂直BJT到低阻基体上的通路 ?使用Guard ring: P+ ring环绕nmos并接GND；N+ ring环绕pmos 并接VDD，一方面可以降低Rwell和Rsub的阻值，另一方面可阻止栽子到达BJT的基极。如果可能，可再增加两圈ring。 ? Substrate contact和well contact应尽量靠近source,以降低Rwell和Rsub的阻值。?使nmos尽量靠近GND，pmos尽量靠近VDD,保持足够的距离在pmos 和nmos之间以降低引发SCR的可能 ?除在I/O处需采取防Latch up的措施外，凡接I/O的内部mos 也应圈guard ring。? I/O处尽量不使用pmos(nwell) 门级电路图（AOI221） AOI221=(AB+CD+E)’

伪NMOS: 伪NMOS的下拉网络和静态门的下拉网络相似，上拉网络是用一个PMOS管，且此管输入接地，因此PMOS管总是导通的。动态电路：动态电路用一个时钟控制的PMOS管取代了总是导通的PMOS管，克服了有比电路的缺点。动态电路速度快，输入负载小，切换时不存在竞争电流，而且动态电路没有静态功耗。动态电路存在的根本性问题就是对输入单调性的要求。多米诺电路：多米诺电路由一级动态门和一级静态CMOS反相器构成。典型结构：下拉网络+上拉预充值网络+反相器构成过程就是充值+求值的过程在多米诺电路中，所有门的预充、求值都可以用一个时钟控制。求值期间，动态门的输出单调下降，所以静态反相器的输出单调上升。多米诺电路是同时进行预充，但求值是串行的。逻辑功效（logic effort）逻辑功效定义为门的输入电容与能够提供相同输出电流的反相器的输入电容的比值。也就是说逻辑功效表示某个门在产生输出电流时相比反相器的糟糕程度。逻辑功效不仅使我们能容易计算时延，它也向我们展示了如何确定晶体管的尺寸以优化路径中的延时。

数字集成电路必备考前复习总结

Digital IC：数字集成电路是将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统第一章引论 1、数字IC芯片制造步骤设计：前端设计（行为设计、体系结构设计、结构设计）、后端设计（逻辑设计、电路设计、版图设计）制版：根据版图制作加工用的光刻版制造：划片：将圆片切割成一个一个的管芯（划片槽）封装：用金丝把管芯的压焊块（pad）与管壳的引脚相连测试：测试芯片的工作情况 2、数字IC的设计方法分层设计思想：每个层次都由下一个层次的若干个模块组成，自顶向下每个层次、每个模块分别进行建模与验证 SoC设计方法：IP模块（硬核（Hardcore)、软核（Softcore)、固核（Firmcore））与设计复用Foundry（代工）、Fabless（芯片设计）、Chipless（IP设计）“三足鼎立”——SoC发展的模式 3、数字IC的质量评价标准（重点：成本、延时、功耗，还有能量啦可靠性啦驱动能力啦之类的） NRE (Non-Recurrent Engineering) 成本设计时间和投入，掩膜生产，样品生产一次性成本 Recurrent 成本工艺制造（silicon processing），封装（packaging），测试（test）正比于产量一阶RC网路传播延时：正比于此电路下拉电阻和负载电容所形成的时间常数功耗：emmmm自己算 4、EDA设计流程 IP设计系统设计（SystemC）模块设计（verilog）综合版图设计(.ICC) 电路级设计（.v 基本不可读）综合过程中用到的文件类型(都是synopsys版权)：可以相互转化 .db（不可读）.lib（可读）加了功耗信息

《数字集成电路基础》试题D

《数字集成电路基础》试题D （考试时间：120分钟）班级：姓名：学号：成绩：一、填空题（共30分） 1. 当PN 结外加正向电压时，PN 结中的多子＿＿＿＿＿＿形成较大的正向电流。 2. NPN 型晶体三极管工作在饱和状态时，其发射结和集电结的外加电压分别处于＿＿＿＿＿＿偏置和＿＿＿＿＿＿＿偏置。 3. 逻辑变量的异或表达式为：_____________________B A =⊕。 4. 二进制数A=1011010；B=10111，则A -B=＿＿＿＿＿＿＿。 5. 组合电路没有＿＿＿＿＿＿功能，因此，它是由＿＿＿＿＿＿组成。 6. 同步RS 触发器的特性方程为：Q n+1 =＿＿＿＿＿＿,其约束方程为：＿＿＿＿＿＿。 7. 将BCD 码翻译成十个对应输出信号的电路称为＿＿＿＿＿＿＿＿，它有＿＿＿个输入端，＿＿＿＿输出端。 8. 下图所示电路中，Y 1 Y 3 ＝＿＿＿＿＿＿。二、选择题(共 20分) 1. 四个触发器组成的环行计数器最多有＿＿＿＿个有效状态。 A.4 B. 6 C. 8 D. 16 2. 逻辑函数D C B A F +=，其对偶函数F * 为＿＿＿＿＿＿＿＿。 A ．( )()D C B A ++ B. ()()D C B A ++ C. ()()D C B A ++ 3. 用8421码表示的十进制数65，可以写成＿＿＿＿＿＿。 A ．65 B. [1000001]BCD C. [01100101]BCD D. [1000001]2 1 A B 3

4. 用卡诺图化简逻辑函数时，若每个方格群尽可能选大，则在化简后的最简表达式中。 A ．与项的个数少 B . 每个与项中含有的变量个数少 C . 化简结果具有唯一性 5. 已知某电路的真值表如下，该电路的逻辑表达式为。 A ．C Y = B. A B C Y = C ．C AB Y += D ．C C B Y += 三、化简下列逻辑函数，写出最简与或表达式：（共20分） 1．证明等式:AB B A B A B A +?=+ 2． Y 2＝Σm （0，1，2，3，4，5，8，10，11，12） 3． Y 3＝ABC C AB C B A C B A +++? 四、分析设计题 (共 30分)

清华大学《数字集成电路设计》周润德第8章时序电路

第八章时序逻辑
输入 Inputs 当前状态 Current State 输出 Outputs
COMBINATIONAL LOGIC 组合逻辑 Registers Q
寄存器
下一状态 Next state
D
CLK 时钟
2 种存储机理：
? 正反馈 ? 基于电荷
2004－12－1
清华大学微电子所《数字大规模集成电路》周润德第 8 章 (1) 第 1 页

存储机理
静态
正反馈
CLK
动态
CLK
基于电荷
Q CLK
D
Q
D
CLK
CLK
2004－12－1
清华大学微电子所《数字大规模集成电路》周润德
第 8 章 (1) 第 2 页

存储单元的实现方法与比较：
1. 利用正反馈（再生）：静态（双稳态）（1）静态：信号可以“无限”保持（2）鲁棒性好：对扰动不敏感（3）对触发脉冲宽度的要求:
触发脉冲的宽度须稍大于沿环路总的传播时间，也即这两个反相器平均延时的两倍
Vi1
Vo1 = Vi2
Vo2
Vo2 = Vi1 Vi2 = Vo1 A C（亚稳态点）
（4）尺寸大
限制了在计算结构如流水线式数据通路中的应用
B Vi1 = Vo2
2. 利用电荷存储动态（要求定期刷新，要求从电容中读出信号时不会干扰所存储的电荷，因此要求具有高输入阻抗的器件）
2004－12－1
清华大学微电子所《数字大规模集成电路》周润德第 8 章 (1) 第 3 页

数字集成电路

CMOS - 数字集成电路 (讲义) 编著吴金东南大学无锡分校 2008.09

目录第一章绪论 1.1信号处理的对象方式与特点 1.2教学方法与重要知识点 1.3课程目标与要求 1.4主要参考文献1-5 第二章静态组合逻辑电路 2.1概述 2.2组合逻辑 2.3 NMOS反相器 2.4 CMOS组合逻辑的实现原理 2.4.1 CMOS逻辑原理 2.4.2 静态CMOS倒相器 2.4.3 CMOS逻辑门 2.5 NMOS组合逻辑逻辑 2.5.1 NMOS基本逻辑门 2.5.2 伪NMOS逻辑 2.6传输门开关逻辑 2.6.1 CPL逻辑 2.6.2、DPL逻辑 2.6.3 多路开关MUX逻辑 2.7 差分逻辑 2.8本章小结2-23 第三章动态组合逻辑电路 3.1 概述 3.2动态逻辑 3.3多米诺动态组合逻辑电路 3.3.1 同型Domino-CMOS动态逻辑 3.3.2 np-CMOS 动态逻辑 3.4 钟控逻辑 3.5 钟控动态逻辑电路 3.4.1 无竞争动态逻辑 NPORA 3.4.2 单相位时钟动态逻辑 3.4.3 差分动态逻辑 3.6本章小结 3-13 第四章时序逻辑电路 4.1概述 4.2锁存器 - Latch 4.3触发器 – Flip-Flop 4.3.1 边沿型触发器

4.3.2主从R-S触发器 4.4逻辑电路结构 4.4.1 D_Latch电路 4.4.2 D_FF电路 4.5寄存器 Register 4.5.1 双港口寄存器 4.5.2 移位寄存器 4.6分频器 Frequency Divide 4.6.1 基本1/2分频单元 4.6.2 规则分频器/计数器 4.6.3 奇数分频器 4.6.4 任意占空比和任意进制的分频器 4.6.5 1:1占空比的奇数分频器(1/N, Odd N) 4.7计数器 - Counter 4.7.1 N进制异步计数器 4.7.2 N进制同步计数器 4.8 本章小结4-25 第五章数据与控制通道 5.1概述 5.2 1-bit加法器 5.2.1 1bit 半/全加器原理 5.2.2 基于传输逻辑的1bit全加器 5.3 N-bit加法器 5.3.1 进位完成加法器CCA(Carry Completion Adder) 5.3.2 条件加法器-Conditional Sum Adder(CSA) 5.3.3 进位选择加法器-Carry Select Adder(CSA) 5.3.4 超前进位加法器-Carry Lookahead Adder(CLA) 5.4编码/解码电路 5.4.1 组合逻辑译码电路 5.4.2 阵列译码电路 5.4.3 可编程译码电路 5.5控制电路 5.6本章小结5-26 第六章存储器 6.1概述 6.2 SRAM存储器 6.2.1 存储单元 6.2.2 存储阵列的系统结构 6.2.3地址译码器 6.2.4灵敏放大器 6.3 非挥发存储器 6.3.1 ROM 6.3.2 EPROM和E2PROM

集成电路分析与设计实验

集成电路分析与设计实验报告班号：_________ 学号：_____ 姓名：___ 成绩：___________________ 完成日期：年月

目录实验2：Linux环境下基本操作 (1) 实验3：RTLCompiler对数字低通滤波器电路的综合 (3) 实验4: NC对数字低通滤波器电路的仿 (6)

实验2：Linux环境下基本操作集成电路设计发展过程中，EDA工具对设计效率的提高起到了巨大推动作用，继而成为现代集成电路设计中不可或缺的一环。用于集成电路设计的EDA工具多数基于UNIX、Solaris、linux平台。为了帮助同学学习和使用基于此类平台的集成电路EDA 工具，本实验介绍了linux下的基本操作、命令等。本实验是实验3和实验4的必要组成部分。实验中主要对命令行模式下的linux基本操作作了介绍。命令行模式简单易行，是理解基于脚本的高效率使用EDA工具的方法的基础。一、目的： 1. 熟悉linux文件、目录管理命令； 2. 熟悉linux文件链接命令； 3. 熟悉linux下文件编辑命令。二、实验设备与软件集成电路设计终端 Linux RedHat 9 三、实验内容和步骤 1. 系统登陆启动计算机，选择启动linux 输入用户名：cdsuser，输入密码：cdsuser 至此，完成系统启动，并作为用户cdsuser登录一下简述各种操作。 2. 创建终端和工作文件夹在桌面区域单击右键，选择New Terminal，至此进入命令行模式（可根据需要打开多个）键入察看当前目录命令： pwd ↙ 说明：此时出现的是当前用户的根文件夹路径。路径指的是一个文件夹或文件在系统中的位置。Linux根路径为“/”;当前路径为“./”; 当前路径的上一级路径为“../”。使用从根路径开始的路径名称成为绝对路径，如“/home/holygun/”。利用“../”，“./”等方式定义的路径名称成为相对路径，如“../holygun/”。键入察看当前目录文件命令： ls↙ 说明：此时列出的是当前目录下的文件和子文件夹列表键入创建文件夹命令： mkdir [学号]↙ 说明：以你的学号为名建立工作文件夹，所有实验工作应在此文件夹中完成。以防

超大规模集成电路发展趋势

超大规模集成电路的设计发展趋势；摘要：随着信息产品市场需求的增长，尤其通过通信、；关键字：超大规模集成电路发展趋势SOCIP复用技；1引言；集成电路是采用半导体制作工艺，在一块较小的单晶硅；2超大规模集成电路发展的概述；集成电路之所以获得如此迅速的发展，与数据处理系统；1.改进性能；在计算机中采用高密度的半导体集成电路是减少信号传；2.降低成本；用Lsl替换超大规模集成电路的设计发展趋势摘要：随着信息产品市场需求的增长，尤其通过通信、计算机与互联网、电子商务、数字视听等电子产品的需求增长，世界集成电路市场在其带动下高速增长。本文主要从半导体电子学与计算技术工程方面进行进行的诸多研究成果以及国际集成电路的发展现状和发展趋势反映其在国际上的重要地位。关键字：超大规模集成电路发展趋势 SOC IP复用技术 1 引言集成电路是采用半导体制作工艺，在一块较小的单晶硅片上制作许多晶体管及电阻器、电容器等元器件，并按照多层布线或隧道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路，通常用IC（Integrated Circuit）表示。近廿多年来，半导体电子学的发展速度是十分惊人的。从分离元件发展为集成电路，从小规模集成电路发展为现代的超大规模集成电路。集成电路的性能差不多提高了3个数量级，而其成本却下降了同样的数量级。 2 超大规模集成电路发展的概述集成电路之所以获得如此迅速的发展，与数据处理系统日益增长的各种要求是分不开的，也是半导体电子学与计算技术工程方面进行了许多研究工作的结果。这些工作可以概括为:(l)改进性能一尽可能减少信号处理的传递时间。(2)降低成本一从设计、制造、组装、冷却等各方而降低成本。(3)提高可靠性一减少失效率，增加检测与诊断的手段。(4)缩短研制/生产周期一加快从确定研制产品到产品可用之间的时间，使产品保持领先地位。(5)结构上的改进一半导体存储器的进展，推动了计算机体系的发展。 1.改进性能在计算机中采用高密度的半导体集成电路是减少信号传递时间，提高机器性能的重要环节。因为在普通采用小规模集成电路(551)或中规模集成电路(MSI)的硬件结构中，信号传输与负载引起的延迟，与插件上的门的有效组装密度的平方根成正比，如图(1.1.1)。也就是说，组装延迟与每个门所需的有效面积的平方根成正比。因此将组装延迟减少一半的话，必须提高组装密度4倍。从 ssl/Msl发展为LSI/VLsl标志着芯片上元件的集成度得到了很大的提高。目

半导体数字集成电路

数字逻辑基础 LOGO

半导体数字集成电路 --集成电路的发展集成电路的发展包含四个主要的阶段： ?在上世纪六十年代早期出现了第一片集成电路，其集成的晶体管数量少于100个，该集成电路称为小规模集成电路（Small-Scale Integrated Circuit,SSI ）。 ?在上世纪六十年代后期出现了中规模集成电路（Medium-Scale Integrated Circuit,MSI ）,其集成的晶体管数量达到几百个。

半导体数字集成电路 --集成电路的发展 ?在上世纪70年代中期，出现了大规模集成电路（Large-Scale Integrated Circuit,LSI ），其集成的晶体管数量达到几千个。?在上世纪80年代早期，出现了超大规模集成电路（Very-large-scale-integrated,VLSI ），其集成的晶体管的数量超过了100,000个(十万)。 ?到上世纪80年代后期，集成的晶体管数量超过了1,000,000个。?到上世纪90年代，集成的晶体管数量超过了10,000,000；?到了2004年，这一数量已经超过了100,000,000个。 ?现在这一数量突破1,000,000,000个。

半导体数字集成电路 --集成电路构成术语“芯片”和集成电路是指半导体电路，即：在一个硅片上，集成了大量的微型的晶体管。 ?对于实现逻辑功能比较简单的芯片来说，一个硅片上可能只集成了少量的晶体管； ?而对于功能比较复杂的芯片来说，一个硅片上可能集成了几百万个晶体管。

集成电路构成 --集成电路的DIP 封装 DIP封装外观DIP封装芯片内部结构引脚器件裸片键合线塑料芯片载体封装引脚1标记

超大规模集成电路及其生产工艺流程

超大规模集成电路及其生产工艺流程现今世界上超大规模集成电路厂（Integrated Circuit, 简称IC，台湾称之为晶圆厂）主要集中分布于美国、日本、西欧、新加坡及台湾等少数发达国家和地区，其中台湾地区占有举足轻重的地位。但由于近年来台湾地区历经地震、金融危机、政府更迭等一系列事件影响，使得本来就存在资源匮乏、市场狭小、人心浮动的台湾岛更加动荡不安，于是就引发了一场晶圆厂外迁的风潮。而具有幅员辽阔、资源充足、巨大潜在市场、充沛的人力资源供给等方面优势的祖国大陆当然顺理成章地成为了其首选的迁往地。晶圆厂所生产的产品实际上包括两大部分：晶圆切片（也简称为晶圆）和超大规模集成电路芯片（可简称为芯片）。前者只是一片像镜子一样的光滑圆形薄片，从严格的意义上来讲，并没有什么实际应用价值，只不过是供其后芯片生产工序深加工的原材料。而后者才是直接应用在应在计算机、电子、通讯等许多行业上的最终产品，它可以包括CPU、内存单元和其它各种专业应用芯片。一、晶圆所谓晶圆实际上就是我国以往习惯上所称的单晶硅，在六、七十年代我国就已研制出了单晶硅，并被列为当年的十天新闻之一。但由于其后续的集成电路制造工序繁多（从原料开始融炼到最终产品包装大约需400多道工序）、工艺复杂且技术难度非常高，以后多年我国一直末能完全掌握其一系列关键技术。所以至今仅能很小规模地生产其部分产品，不能形成规模经济生产，在质量和数量上与一些已形成完整晶圆制造业的发达国家和地区相比存在着巨大的差距。二、晶圆的生产工艺流程：从大的方面来讲，晶圆生产包括晶棒制造和晶片制造两面大步骤，它又可细分为以下几道主要工序（其中晶棒制造只包括下面的第一道工序，其余的全部属晶片制造，所以有时又统称它们为晶柱切片后处理工序）：多晶硅——单晶硅——晶棒成长——晶棒裁切与检测——外径研磨——切片——圆边——表层研磨——蚀刻——去疵——抛光—（外延——蚀刻——去疵）—清洗——检验——包装 1、晶棒成长工序：它又可细分为： 1）、融化（Melt Down）：将块状的高纯度多晶硅置石英坩锅内，加热到其熔点1420℃以上，使其完全融化。2）、颈部成长（Neck Growth）：待硅融浆的温度稳定之后，将，〈1.0.0〉方向的晶种慢慢插入其中，接着将晶种慢慢往上提升，使其直径缩小到一定尺寸（一般约6mm左右），维持此真径并拉长100---200mm，以消除晶种内的晶粒排列取向差异。 3）、晶冠成长（Crown Growth）：颈部成长完成后，慢慢降低提升速度和温度，使颈直径逐渐加响应到所需尺寸（如5、6、8、12时等）。 4）、晶体成长（Body Growth）：不断调整提升速度和融炼温度，维持固定的晶棒直径，只到晶棒长度达到预定值。 5、）尾部成长（Tail Growth）：当晶棒长度达到预定值后再逐渐加快提升速度并提高融炼温度，使晶棒直径逐渐变小，以避免因热应力造成排差和滑移等现象产生，最终使晶棒与液面完全分离。到此即得到一根完整的晶棒。 2、晶棒裁切与检测（Cutting & Inspection）：将长成的晶棒去掉直径偏小的头、尾部分，并对尺寸进行检测，以决定下步加工的工艺参数。 3、外径研磨（Surface Grinding & Shaping）：由于在晶棒成长过程中，其外径尺寸和圆度均有一定偏差，其外园柱面也凹凸不平，所以必须对外径进行修整、研磨，使其尺寸、形状误差均小于允许偏差。 4、切片（Wire Saw Slicing）：由于硅的硬度非常大，所以在本序里，采用环状、其内径边缘嵌有钻石颗粒的薄锯片将晶棒切割成一片片薄片。 5、圆边（Edge profiling）：由于刚切下来的晶片外边缘很锋利，单晶硅又是脆性材料，为避免边角崩裂影响晶片强度、破坏晶片表面光洁和对后工序带来污染颗粒，必须用专用的电脑控制设备自动修整晶片边缘形状和外径尺寸。 6、研磨（Lapping）：研磨的目的在于去掉切割时在晶片表面产生的锯痕和破损，使晶片表面达到所要求的光洁度。

超大规模集成电路设计导论考试题及答案

1、MOS集成电路的加工包括哪些基本工艺？各有哪些方法和工序？答：（1）热氧化工艺：包括干氧化法和湿氧化法；（2）扩散工艺：包括扩散法和离子注入法；（3）淀积工艺：化学淀积方法：1 外延生长法；2 热CVD法；3 等离子CVD法；物理淀积方法：1 溅射法；2 真空蒸发法（4）光刻工艺：工序包括：1 涂光刻胶；2 预烘干；3 掩膜对准；4 曝光；5 显影； 6 后烘干； 7 腐蚀； 8 去胶。 2、简述光刻工艺过程及作用。答：（1）涂光刻胶：为了增加光刻胶和硅片之间的粘附性，防止显影时光刻胶的脱落，以及防止湿法腐蚀产生侧向腐蚀；（2）预烘干：以便除去光刻胶中的溶剂；（3）掩膜对准：以保证掩模板上的图形与硅片上已加工的各层图形套准；（4）曝光：使光刻胶获得与掩模图形相同的感光图片；（5）显影：将曝光后的硅片浸泡在显影液中，使正光刻胶的曝光部分和负光刻胶的未曝光部分被溶解掉；（6）后烘干：使残留在光刻胶中的有机溶剂完全挥发掉，提高光刻胶和硅片的粘接性及光刻胶的耐腐蚀性；（7）腐蚀：以复制在光刻胶上图形作为掩膜，对下层材料进行腐蚀，将图形复制到下层材料中；（8）去胶：除去光刻胶。 3、说明MOS晶体管的工作原理答：MOS晶体管有四种工作状态：（1）截止状态：即源漏之间不加电压时，沟道各电场强度相等，沟道厚度均匀，S、D之间没有电流I ds=0；（2）线性工作状态：漏源之间加电压Vds时，漏端接正，源端接负，沟道厚度不再均匀，在D端电位升为V d，栅漏极电位差为

Vgs-Vtn，电场强度变弱，反型层变薄，并在沟道上产生由D到S的电场E ds，使得多数载流子由S端流向D端形成电流I ds，它与V ds变化呈线性关系：I ds=βn[(V gs-V tn)-V ds/2]V ds （3）饱和工作状态：Vs继续增大到V gs-V tn时，D端栅极与衬底不足以形成反型层，出现沟道夹断，电子运动到夹断点V gs-V ds=V tn时，便进入耗尽区，在漂移作用下，电子被漏极高电位吸引过去，便形成饱和电流，沟道夹断后，（V gs-V tn）不变，I ds也不变，即MOS工作进入饱和状态，I ds=V gs-V tn/R c （4）击穿状态：当Vds增加到一定极限时，由于电压过高，晶体管D端得PN结发生雪崩击穿，电流急剧增加，晶体管不能正常工作。 4、MOS反相器有哪些种类？说明每种反相器的特性。答：（1）电阻负载反相器（E/R）：该电路在集成电路中很少用，在分离原件中常用；（2）增强型负载反相器（E/E）：这种反相器的漏端始终处于夹断状态；（3）耗尽型负载反相器（E/D）：有较高的输出电平和较快的上升速度，其翻转时间短，电路工作速度快，是目前最常用的反相器；（4）CMOS反相器：1 静态功耗低；2 抗干扰能力强；3 电源利用率低；4 输入阻抗多，负载能力强。 5、简述Latch-up效应的产生原理及防治办法答：产生原理：用CMOS晶体管的说明闸流效应（1）在P阱内有一个纵向的NPN管，在P阱外有一个横向的NPN管，两个晶体管的集电极各驱动另一个晶体管的基极，构成正反馈回路；（2）P阱中纵向NPN管的电流放大倍数约为50到几百，P阱外的横向PNP管的电流放大倍数约为0.5到10；（3）R w和R s为基极的寄生电阻，阱电阻Rw的典型值为1K--10K欧姆，衬底电阻R s的典型值为500--700欧姆。如果两个晶体管的电流放大倍数和基极寄生电阻Rw、Rs值太大，在外部噪声的影响下，很容易使输出端V o瞬间置于V ss之下约为0.7V，使得N+漏区（也有可能是N+]源区）向P

集成电路复习总结

1、中英名词解释（1）IC（Integrated Circuit）：集成电路，是指通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容、电感等无源器件，按照一定的电路互联，“集成”在一块半导体晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能的一种器件。（2）摩尔定律（Moore's Law）：芯片上晶体管数目每隔18个月翻一番或每三年翻两番，性能也会增加一倍。（3）SOC（system on chip）：在一个微电子芯片上将信息的采集、传输、存储、处理等功能集成在一起而构成系统芯片。（4）EDA（Electronic-System Design Automation）：电子设计自动化（5）能带：能量越高的能级，分裂的能级越多，分裂的能级也就相邻越近，这些邻近的能级看起来就像连续分布，这样的多条相邻近的能级被称为能带（6）本征半导体：是一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。（经过一定的工艺过程将纯净的半导体制成的单晶体称为本征半导体。导带中的自由电子与价带中的空穴都能参与导电。）（7）肖特基接触：金属与半导体接触并且金属的费米能级低于N型半导体或高于P型半导体的费米能级，这种接触为肖特基接触。（8）MESFET：（Metal-Semiconductor Filed Effect Transistor），即金属-半导体场效应晶体管（9）金属-氧化层半导体场效晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（field-effect transistor）（10）Spice（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）：集成电路仿真程序，主要用来在电路硬件实现之前读电路进行仿真分析。（11）FPGA(Filed Programmable Gate Array)：现场可编程门阵列。（又称逻辑单元阵列，Logic Cell A）（12）IP（Intellectual Property）：知识产权。通常讲的IP核是指已经设计优化好。经过验证、功能复杂、可以嵌入到其他电路中重复使用的集成电路模块。（13）HBT（Hetro-junction Bipolar Transistor）：异质结双极晶体管（14）短沟道效应：短沟道效应主要是指阈值电压与沟道相关到非常严重的程度。随着沟道长度变的越来越短，阈值电压与沟长及漏电压有着明显的关系。而随着沟长的变短，阈值电压与衬底偏压的关系变弱。P-125 （15）沟通长度调制效应：MOS晶体管中，栅下沟道预夹断后、若继续增大Vds,夹断点会略向源极方向移动导致夹断点到源极之间的沟道长度略有减小，有效沟道电阻也就略有减小，从而使更多电子自源极漂移到夹断点，导致在耗尽区漂移电子增多是Id增大，这种效应称为沟道长度调制效应。（16）电路仿真：将要分析的电路问题列出数学形式的电路方程，然后对电路方程求解。就是设计好的电路图通过仿真软件进行实时模拟，模拟出实际功能，然后通过其分析改进，从而实现电路的优化设计。P-132 （17）电路综合：synthesis 实现在满足设计电路的功能、速度及面积等限制条件下，将行为级描述转化为指定的技术库中单元电路的连接。（18）ASIC（Application Specific Integrated Circuit）：专用集成电路（19）VDSM（Very Deep Sub-micron）：超深亚微米（20）VLSI（Very Large Scale Integration）：超大规模集成电路（21）DRC：design rule check 设计规则检查，最小线宽、最小图形间距、最小接触孔尺寸、栅和源漏区的最小交叠等。 ERC：Electrical Rules Check 电气规则检查，检测有没有电路意义的连接错误，如短路、开路、孤立布线、非法器件等，介于设计规则与行为级分析之间，不涉及电路行为。 LVS：Layout Versus Schematic 电路与版图一致性验证，从版图提取出的电路网表与从原理图得到的网表进行比较，检查两者是否一致。主要用于保证进行电路功能和性能验证之前避免物理设计错误。（22）GDSII：Graphic Data System是一种时序提供格式，用于设计工具、计算机和掩膜制造商之间进行半导体物理制板的数据传输。 tape –out：提交最终GDSII文件加工 Foundry：芯片代工厂（23）RTL:Register Transfer Level 寄存器传输级，用于描述同步数字电路操作的抽象级。 DC:Desing Compiler 设计编译器（用于综合） FM:Form Test 形式验证 APR: Auto Place and Route 自动布局布线