北大集成电路原理与设计之一：数字集成电路原理与设计课件01绪论及工艺原理

集成电路原理与设计绪论及工艺原理GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware课程目标学习利用MOS器件构建数字集成电路培养电路设计能力：根据不同设计要求（面积，速度，功耗和可靠性），进行电路分析和优化设计的能力GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware关于本课程联系器件和电路知识：SOC、ULSI、MEMS方向均需要先修课程：工艺原理、器件物理、数字逻辑后续课程：集成电路设计实习考核方式：期末考试60％＋作业25％＋期中考试15％GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware课程教材和参考书教材：《集成电路原理与设计》参考书：《数字集成电路－设计透视》，第二版，Rabaey等GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware第一章绪论集成电路的历史集成电路的发展规律等比例缩小原则未来发展和挑战GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware集成电路的发展第一个晶体管是那年发明的?A.1945B.1947C.1951D.1958发明者当时供职与哪家公司?A.IBMB.BellLabC.TID.MotorolaGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware第一个晶体管Modern-dayelectronicsbeganwiththeinventionin1947ofthebi-polartransistorbyBardeenet.alatBellLaboratoriesGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware第一块集成电路是那年做出来的?A.1956B.1958C.1959D.1961发明者当时供职于哪家公司?A.IBMB.BellLabsC.TID.MotorolaGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware第一块集成电路In1958theintegratedcircuitwasbornwhenJackKilbyatTexasInstrumentssuccessfullyinterconnected,byhand,severaltransistors,resistorsandcapacitorsonasinglesubstrateGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware晶体管发展Transistor–Bardeenet.al.(BellLabs)in1947Bipolartransistor–Schockleyin1948FirstmonolithicIC–JackKilbyin1958FirstcommercialIClogicgates–Fairchild1960TTL–1962intothe1990’sECL–1974intothe1980’sGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware工艺MOSFETtransistor-Lilienfeld(Canada)in1925andHeil(England)in1935CMOS–1960’s,但是有很多工艺加工问题PMOSin1960’s(calculators)NMOSin1970’s(4004,8080)–forspeedCMOSin1980’s–功耗优势BiCMOS,Gallium-Arsenide,Silicon-GermaniumSOI,Copper-LowK,strainedsilicon,High-kgateoxide...GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware’sECL3-inputGateMotorola1966GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware：NMOS工艺GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware(IV)microprocessorGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware绪论集成电路的历史集成电路的发展规律等比例缩小原则未来发展和挑战GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware’sLaw1965年，GordonMoore预测单个芯片上集成的晶体管的数目每18个月可以增加一倍2300transistors,108KHzclock(Intel4004)-197116Milliontransistors(UltraSparcIII)-199842Million,2GHzclock(IntelP4)-2001125Million,3.4Ghz(IntelP4Prescott)-2004Feb02GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware’sLawplot(fromhisoriginalpaper)GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware:ISSCC2003G.Moore“Noexponentialisforever,but‘forever’canbedelayed”GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware摩尔定律－－晶体管贬值GordonMoore在1965年提出了摩尔定律，认为芯片上晶体管的数目每18个月增加1倍，这相当于每个晶体管的价格同步下降的过程假设1965年一辆豪华跑车的售价是10万美元，如果该车的价格也能按照摩尔定律发展，则目前的售价如何？1.E-061.E-051.E-041.E-031.E-021.E-01196019701980199020002010$/Transistor$perTransistorGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware绪论集成电路的历史集成电路的发展规律等比例缩小原则未来发展和挑战GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware器件的发展：按比例缩小半导体工艺技术的发展遵循摩尔定律：新工艺的特征尺寸是前代工艺的0.7倍，即器件密度为前代的2倍MOS器件的发展就是按比例缩小（scalingdown）的过程GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware©FoxitSoftware按比例缩小理论为了跟上摩尔定律，器件尺寸不断缩小，短沟效应等二级效应出现，为了抑制二级效应，在器件按比例缩小过程中需要遵守一定的规则:恒定电场原则CE恒定电压原则CV准恒定电场原则QCEGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware器件的横向尺寸和纵向尺寸缩小α倍外加电压按同样比例缩小衬底掺杂浓度按同样比例增大对于相邻两代工艺，α＝1.4按比例缩小：CE规则AADDDDjjoxox'/'/',/',/',/'NNVVxxttWWLLGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftwareGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware耗尽层厚度的变化/'''2'22/102/10dBSDSbiAsidBSDSbiAsidXVVVqNXVVVqNXAADDDDjjoxox'/'/',/',/',/'NNVVxxttWWLLCE中通过按比例降低工作电压和提高衬底掺杂浓度，可以使得源漏pn结耗尽区宽度实现按比例缩小GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware(2)112(2)/siFBSoxToxoxoxsiAFBSoxoxTqNVQVCCQqNVCCV阈值电压不是严格的按比例缩小GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftwarehtt