云南大学信息学院集成电路期中论文

集成电路期中论文题目：CMOS二输入与非门院系：信息学院姓名：学号：专业：指导老师：2012年5月20日-1-摘要本文介绍了集成电路设计的相关思路、电路的实现、SPICE电路模拟软件和LASI7集成电路工艺设计的相关用法。主要讲述CMOS二输入与非门的设计目的、设计的思路、以及设计的过程，用SPICE电路设计软件来实现对二输入与非门的设计。集成电路与非门的实现用到NMOS和PMOS，两种MOS管各用到两个，所以涉及LASI7其在物理层的设计方法，在物理层的基础上实现电路的设计，最终实现二输入与非门的工业生产版图。关键字：集成电路SPICELASI7MOS管CMOS二输入与非门目录前言····························································2第一章基本概述···················································21.1集成电路的概念··········································21.2集成电路分类············································31.3半导体简介················································31.4SPICE简介及用法···········································4第二章与非门SPICE仿真和版图设计过程······························52.1选题构思过程···············································52.2实现方案和SPICE电路仿真···································62.3LASI版图设计·············································102.3.1LASI软件简介··········································102.3.2LASI的版图设计········································102.4出现的问题和解决··········································12第三章电路工作原理分析···········································133.1SPICE电路工作原理··········································133.2版图设计原理················································14第五章实验心得·····················································16第六章结束语和参考文献·············································16-2-6.1结束语························································266.2参考文献························································26前言集成电路是现代信息社会的基石。集成电路的应用渗透到工业、农业、国防以及人们生活的方方面面。首先，计算机给人类带来了飞跃式的发展，计算机带来了通信和网络的出现，可以说，没有计算机，人类还在飞鸽传信的时代，而现在的通信网络的发展带来了经济的发展，现在的互联网信息传输有速度快、信息可以准确可靠、而且信息量很大。早期的计算机功能很少，就是只能用于计算等简单的事情，而且有很大的缺点，比如说体积大，占用空间大，计算速度慢等等。之后集成电路的问世给计算机带来了飞快的发展，微计算机的出现更是离不开集成电路，现在的微计算机有体积小、重量轻、寿命长。效率高、功耗低等特点，并把计算速度从每秒几千次提高到几十万次。现在信息时代的发展功劳归于集成电路。本文介绍的是用SPICE软件设计集成电路，设计的内容很简单，仅仅是CMOS二输入与非门的设计，虽然很简单，但是其用处很大，集成电路里都是由成千上万的简单逻辑电路组成，实现大功能。要设计出出色的集成电路芯片，需要从很小的逻辑单元开始设计，所以把基本功学好是成大器的必要条件。第一章基本概述1.1集成电路的概念从概念上理解，顾名思义，集成电路（integratedcircuit）就是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等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、低功耗和高可靠性方面-3-迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”表示。集成电路发明者为杰克·基尔比（基于硅的集成电路）和罗伯特·诺伊思（基于锗的集成电路）。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛的应用。用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可大大提高。1.2集成电路分类集成电路有很多的分类方法，按功能结构分类，按规模的分类，生产目的的分类等等按功能结构分类集成电路，又称为IC，按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路三大集成电路类。模拟集成电路又称线性电路,用来产生、放大和处理各种模拟信号（指幅度随时间变化的信号。例如半导体收音机的音频信号、录放机的磁带信号等），其输入信号和输出信号成比例关系。而数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号（指在时间上和幅度上离散取值的信号。例如3G手机、数码相机、电脑CPU、数字电视的逻辑控制和重放的音频信号和视频信号）。其他的分类在此就不一一列出了，请参考相关书籍（如：云南大学信息学院老师出版的《MOS管集成电路设计》）1.3半导体简介半导体是指电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。半导体室温时电阻率约在10E-5～E欧姆·米之间，温度升高时电阻率指数则减小。半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半-4-导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物(硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下，半导体的价带是满带(见能带理论)，受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴（图1）。导带中的电子和价带中的空穴合称电子-空穴对，均能自由移动，即载流子，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生半导体而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，电子-空穴对消失，称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。在一定温度下，电子-空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时半导体具有一定的载流子密度，从而具有一定的电阻率。温度升高时，将产生更多的电子-空穴对，载流子密度增加，电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大，实际应用不多。1.4SPICE简介及用法Spice是SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis的缩写，是一种功能强大的通用模拟电路仿真器，已经具有几十年的历史了，该程序是美国加利福尼亚大学伯克利分校电工和计算科学系开发的，主要用于集成电路的电路分析程序中，Spice的网表格式变成了通常模拟电路和晶体管级电路描述的标准，其第一版本于1972年完成，是用Fortran语言写成的，1975年推出正式实用化版本，1988年被定为美国国家工业标准，主要用于IC，模拟电路，数模混合电路，电源电路等电子系统的设计和仿真。由于Spice仿真程序采用完全开放的政策，用户可以按自己的需要进行修改，加之实用性好，迅速得到推广，已经被移植到多个操作系统平台上。自从Spice问世以来，其版本的更新持续不断，有Spice2、Spice3等多个版本，新版本主要在电路输入、图形化、数据结构和执行效率上有所增强，人们普遍认为Spice2G5是最为成功和有效的，以后的版-5-本仅仅是局部的变动。同时，各种以伯克利的Spice仿真程序的算法为核心的商用Spice电路仿真工具也随之产生，运行在PC和UNIX平台，许多都是基于原始的SPICE2G6版的源代码，这是一个公开发表的版本，它们都在Spice的基础上做了很多实用化的工作，比较常见的Spice仿真软件有Hspice、Pspice、Spectre、Tspice、SmartSpcie、IsSpice等，虽然它们的核心算法雷同，但仿真速度、精度和收敛性却不一样，其中以Synopsys公司的Hspice和Cadence公司的Pspice最为著名。Hspice是事实上的Spice工业标准仿真软件，在业内应用最为广泛，它具有精度高、仿真功能强大等特点，但它没有前端输入环境，需要事前准备好网表文件，不适合初级用户，主要应用于集成电路设计；Pspice是个人用户的最佳选择，具有图形化的前端输入环境，用户界面友好，性价比高，主要应用于PCB板和系统级的设计。SPICE的使用本人也不是很熟悉，但是对于这一次实验电路相当简单，所以能实现电路功能不成问题。首先，新建一个文件按钮，或是从File菜单新建，然后从原件库里加载实验用的原件，添加单电路板上，工具如下，具体的用法和操作比较简单，在这就不一一介绍。第二章与非门SPICE仿真和版图设计过程本章讲的是实现二输入CMOS与非门的构思和实现的过程。首先，画电路要想到要画什么样的电路，以及它要实现的功能，本次电路要实现二输入CMOS与非门，本人对集成电路不是很熟，但是上了这门课后对集成电路的了解有了很大的进步，所以本次实验要把自己学到的知识来实现二输入CMOS与非门，这个实验比较简单，但是对于初学的我也有一定的难度。首先，对电路仿真软件是初学，其次是集成电路的生产设计不太了解，这是第一次设计简单的集成电路，所以只能实现简单的功能。2.1选题构思过程-6-本门课的任务是学习集成电路，集成电路是个很大概念，小到一些小系统的电路，不如说单片机，达到电脑的主板、CPU等都是很大的集成度，我们是初学者，从简单的开始，到期中为止，我们也学了不少的东西，如：集成电路的应用领域，材料，以及简单的集成单元，就是简单的逻辑门。这些简单逻辑门，老师在课堂上也讲了很多，软件的使用等等。现在自己来实现简单的电路功能，这些软件和集成电路不仅是二输入CMOS与非门那么简单，在这就算是牛刀小试吧！我们学的有二输入NMOS与非门，反相器，多输入或非门等等，这次就来做个二输入CMOS与非门。在大的功能以我们现在的能力做不出来，就做个简单的逻辑门电路实现与非功能。二输入CMOS与非门所用到的MOS管有l两个NMOS和两个PMOS，首先要对其以正确的方式连起来，这就得对MOS管有一定的掌握，然后用SPICE对电路进行仿真，最后用LASI7设计成生产用的物理层结构。2.2实现方案和SPICE电路仿真1、实现方案：以上的内容已经说明了，本次电路实现的