微电子学概论 集成电路设计的EDA系统

第一章绪论1.1946年第一台计算机：ENIAC2.1947年12月23日第一个晶体管:巴丁、肖克莱、布拉顿3.集成电路：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、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（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4.达默第一个提出集成电路的设想，1958年德克萨斯仪器公司基尔比研制除了第一块集成电路5.集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小倍，这就是摩尔定律6.集成电路按器件结构类型分类：a)双极集成电路：主要由双极晶体管构成a)NPN型双极集成电路b)PNP型双极集成电路b)金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管(单极晶体管)构成1.NMOS2.PMOS3.CMOS(互补MOS)c)双极-MOS(BiMOS)集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂7.按结构形式的分类：单片集成电路：a)它是指电路中所有的元器件都制作在同一块半导体基片上的集成电路b)在半导体集成电路中最常用的半导体材料是硅，除此之外还有GaAs等混合集成电路：c)厚膜集成电路d)薄膜集成电路8.按电路功能分类：↗数字集成电路(Digital IC)：它是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路↗模拟集成电路(Analog IC)：它是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路✍线性集成电路：又叫做放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等✍非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路↗数模混合集成电路(Digital - Analog IC) ：例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等第三章第四章1.集成电路的集成度，功耗延迟积，特征尺寸是描述集成电路性能的几个重要指标2.特征尺寸：指集成电路中半导体器件的最小尺度3.图形转换：光刻：光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机；4.光刻胶：光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变5.正胶：曝光后可溶；负胶：曝光后不可溶；6.几种常见的光刻方法：接触式光刻，接近式曝光，投影式曝光，i.超细线条光刻技术b)甚远紫外线(EUV)c)电子束光刻d)X射线e)离子束光刻7.化学汽相淀积(CVD)：通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程CVD技术特点：a)具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点b)CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等2单晶硅的化学汽相淀积(外延)：一般地，将在单晶衬底上生长单晶材料的工艺叫做外延，生长有外延层的晶体片叫做外延片 二氧化硅的化学汽相淀积：可以作为金属化时的介质层，而且还可以作为离子注入或扩散的掩蔽膜，甚至还可以将掺磷、硼或砷的氧化物用作扩散源c)低温CVD氧化层：低于500℃d)中等温度淀积：500～800℃e)高温淀积：900℃左右多晶硅的化学汽相淀积：利用多晶硅替代金属铝作为MOS器件的栅极是MOS集成电路技术的重大突破之一，它比利用金属铝作为栅极的MOS器件性能得到很大提高，而且采用多晶硅栅技术可以实现源漏区自对准离子注入，使MOS集成电路的集成度得到很大提高。

第一章 绪论1.画出集成电路设计与制造的主要流程框架。

2.集成电路分类情况如何？答：3.微电子学的特点是什么？答：微电子学：电子学的一门分支学科微电子学以实现电路和系统的集成为目的，故实用性极强。

微电子学中的空间尺度通常是以微米(μm, 1μm ＝10－6m)和纳米(nm, 1nm = 10-9m)为单位的。

微电子学是信息领域的重要基础学科微电子学是一门综合性很强的边缘学科涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧按应用领域分类数字模拟混合电路非线性电路线性电路模拟电路时序逻辑电路组合逻辑电路数字电路按功能分类GSI ULSI VLSI LSI MSI SSI 按规模分类薄膜混合集成电路厚膜混合集成电路混合集成电路BiCMOS BiMOS 型BiMOS CMOS NMOS PMOS 型MOS 双极型单片集成电路按结构分类集成电路机辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向微电子学的渗透性极强，它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如微机电系统(MEMS)、生物芯片等第二章半导体物理和器件物理基础1.什么是半导体？特点、常用半导体材料答：什么是半导体？金属：电导率106～104(W∙cm-1)，不含禁带；半导体：电导率104~10-10(W∙cm-1)，含禁带；绝缘体：电导率<10-10(W∙cm-1)，禁带较宽；半导体的特点：（1）电导率随温度上升而指数上升；（2）杂质的种类和数量决定其电导率；（3）可以实现非均匀掺杂；（4）光辐照、高能电子注入、电场和磁场等影响其电导率；半导体有元素半导体，如：Si、Ge（锗）化合物半导体，如：GaAs（砷化镓）、InP （磷化铟）硅：地球上含量最丰富的元素之一，微电子产业用量最大、也是最重要的半导体材料。

《微电子学导论》课程教学大纲课程代码：030432001课程英文名称：Introduction of Microelectronics课程总学时：24 讲课：24 实验：0 上机：0适用专业：电子科学与技术专业大纲编写（修订）时间：2010.7一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标微电子学导论是高等工业学校电子科学与技术专业开设的一门引导学生了解本专业学习与研究内容的技术基础课，主要讲授与集成电路及集成系统相关的基本知识、基本理论和基本方法的一般性知识，在电子科学与技术专业培养计划中，它起到开启专业基础理论课学习的作用。

本课程在教学内容方面除基本知识、基本理论和基本方法的教学外，通过案例分析，着重培养学生的学习兴趣,明确专业的学习目标,使学生在进一步学习专业课程前作必要的准备。

通过本课程的学习，学生将达到以下要求：1．掌握微电子科学技术的发展历程、集成电路的分类及微电子学的特点、半导体物理与器件基础、集成电路基础、集成电路制造工艺、集成电路的设计基础、集成电路CAD以及系统芯片设计等相关方面的基本学习与研究范畴；2．树立正确的设计思想，了解国家当前的有关技术经济政策；3．基本具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术的一般能力；4．了解集成电路工艺与设计的新发展。

（二）知识、能力及技能方面的基本要求1.基本知识：掌握机微电子科学技术的发展历程、集成电路的分类及微电子学的特点、半导体物理与器件基础、集成电路基础、集成电路制造工艺、集成电路的设计基础、集成电路CAD以及系统芯片设计等相关方面的基本学习与研究范畴。

2.基本理论和方法：掌握集成电路设计的基本原则，可采用的设计方法的种类及划分方式。

3.基本技能:加强查阅、收集、整理参考资料的能力，增强自学能力。

（三）实施说明1．教学方法：课堂讲授中要重点对基本概念、基本方法和解题思路的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；增加讨论课，调动学生学习的主观能动性；注意培养学生提高利用标准、规范及手册等技术资料的能力。

人类社会已进入到高度发达的信息化社会，信息社会发展离不开电子产品的进步。

现代电子产品在性能提高、复杂度增大的同时，价格却一直呈下降趋势，而且产品更新换代的步伐也越来越快，实现这种进步的主要因素是生产制造技术和电子设计技术的发展。

前者以微细加工技术为代表，目前已进展到深亚微米阶段，可以在几平方厘米的芯片上集成数千万个晶体管。

后者的核心就是EDA技术，EDA是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作：IC设计,电子电路设计,PCB设计。

没有EDA技术的支持，想要完成上述超大规模集成电路的设计制造是不可想象的，反过来，生产制造技术的不断进步又必将对EDA技术提出新的要求。

EDA技术是指立足于计算机工作平台而开发出来的一整套先进的设计电子系统的软件工具。

通常把门电路、触发器等成为逻辑器件；将由逻辑器件构成。

能执行某单一的功能电路，如计数、译码器、加法器等，称为逻辑功能部件；把由逻辑功能部件组成的能实现复杂能的数字电路称为数字系统。

EDA技术是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机软件系统，是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。

现在对EDA的概念或范畴用得很宽。

包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。

目前EDA 技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。

例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。

本文所指的EDA技术，主要针对电子电路设计、PCB设计和IC设计。

EDA 设计可分为系统级、电路级和物理实现级。

EDA工具层出不穷，目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件有：EWB、PSPICE、OrCAD、PCAD、Protel、ViewLogic、Mentor、Graphics、Synopsys、LSIlogic、Cadence、MicroSim等等。

eda的基本概念
EDA（Electronic Design Automation）即电子设计自动化，是利用计算机辅助设计（CAD）软件，来完成超大规模集成电路（VLSI）芯片的功能设计、综合、验证、物理设计（包括布局、布线、版图、设计规则检查等）等流程的设计方式。

EDA被誉为“芯片之母”，是电子设计的基石产业。

集成电路设计主要分为模拟电路设计和数字电路设计。

处理模拟信号的芯片称为模拟芯片，用于产生、放大、滤波、运算、转换、传输或处理模拟信号，如数模/模数转换器芯片、放大器芯片等。

声音、图像等模拟信号经采样量化后即可转换为以0和1表示的数字信号。

数字信号被存储、处理后就有了丰富多彩的数字世界。

处理这些0和1信号的芯片就是数字芯片，如图形处理芯片、微控制器芯片和数字信号处理单元芯片等。

集成电路企业需要使用EDA工具完成设计和制造的过程。

一个完整的集成电路设计和制造流程主要包括工艺平台开发、集成电路设计和集成电路制造三个阶段。

随着大规模集成电路和电子计算机的迅速发展，电子电路分析与设计方法发生了根本性变革。

以计算机辅助分析与设计为基础的电子设计自动化EDA （Electronic Design Automation）技术已经广泛应用于集成电路与系统的设计中。

电子设计自动化技术改变了以定量计算、估算和实验为基础的传统电子电路设计方法，使产品从电路设计、性能分析、参数优化到PCB（印制电路板）和专用集成电路设计，可以由计算机完成，实现了整个过程成的自动化。

因此，EDA 刚一出现，便在电子工程设计领域刮起一场狂飙，引发了一场设计方法的大革命。

所以，新一代电子设计工程师以及从事电子技术开发和研究的人员必须掌握EDA 技术。

一、EDA技术的简介EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，是从CAD （计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAT（计算机辅助测试）和CAE（计算机辅助工程）的概念发展而来的。

EDA技术是以计算机为工具集数据库、图形学、图论与拓扑逻辑、计算数学、优化理论等多学科最新理论于一体，是计算机信息技术、微电子技术、电路理论、信息分析与信号处理的结晶。

它能根据硬件描述语言自动完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局布线、仿真以及对于特定目标芯片的适配编译和编程下载等工作。

20世纪90年代以来，微电子技术以惊人的速度发展，其工艺水平达到深亚微米级，在一个芯片上可继承数百万乃至上千万只晶体管，工作速度可达到GHz，这为制造出规模和信息容量更大，速度更快的芯片系统提供了条件，但同时也对EDA系统提出了更高的要求，并促进了EDA技术的发展。

此阶段出现了以高级语言描述、系统仿真和综合技术为特征的第三代EDA技术。

它不仅极大地提高了系统的设计效率，而且使设计人员摆脱了大量的辅助性及基础性工作，从而能够将精力集中于创造性的方案与概念的构思上。

EDA技术在进入21世纪后，得到了更大的发展，突出表现在以下几个方面：1）在FPGA上实现DSP应用成为可能；用纯数字逻辑进行DSP模块的设计，使得高速DSP实现成为现实，并有力地推动了软件无线电技术的实用化和发展。

电子工程设计的EDA技术详解电子工程设计是一门复杂的学科，需要高超的技术和技能才能成功完成。

为了简化工程设计，EDA技术应运而生。

EDA 技术是指电子设计自动化技术，是通过计算机软件和硬件工具辅助电子工程师完成电路设计、电路仿真、布局及版图设计和自动化测试等流程的一组技术。

这些技术已经成为全球电子工程设计的标准，本文将详尽介绍EDA技术。

一、EDA的历史发展EDA技术是在20世纪60年代末、70年代初出现的，随着计算机技术的发展而逐渐被广泛应用。

在当时，使用电路仿真工具和还原与印刷电路板设计等自动化技术的设计过程仍然需要耗费大量时间，但这项技术的出现使设计人员更快地获得模拟电路的准确性，设计效率也显著提高了。

在EDA的诞生初期，主要限制因素是缺乏高速计算机和处理器等硬件设备，当时的系统也缺乏必要的软件功能和设计方法，无法对大型电路进行完整的模拟和分析。

而如今，EDA技术已经迅速发展，已经基本成为电子工程领域的核心技术。

二、EDA技术的应用机制EDA技术利用计算机技术，以及从自动化设计到真实物理系统测试的各种工具来辅助电路设计全过程。

其完整应用包括了以下浅显组成机制：1、原语、模型库和输入通过系统的数据终端和透过特殊的软件来访问EDM模型库，工程师可以立刻从模型库中获取需要相应的电子元件模型、原语等。

2、应用的添加及网表生成EDA的利用者可以按照模型库添加自行的应用，随后通过软件对网表的作用，来管理整个电路。

同时，应用程序还能帮助电路设计者将电路转换为网络表，以更方便地进行后续的操作。

3、顶层设计在确定了电路元器件和电路板的所有附加元素的基础上，电路设计师就开始考虑如何将电路拼接在一起，并以最有效和可支持的方式实现电路的最终设计目标。

4、布局设计布局设计涉及到代替板上元器件的几何图形，包括元器件间的物理距离等。

电路板的布局设计受到很多因素的限制，例如电路板尺寸，供电要求和热排除等。

5、仿真通过计算机，EDA技术能够仿真检测电路功能和设计的可行性，并对电路进行性能测试。

《微电子学概论》课程教学大纲课程名称：微电子学基础 / Conspectus of Microelectronics课程代码：020727学时：32 学分：2 讲课学时： 32 上机/实验学时：0 考核方式：考查先修课程：模拟电子技术适用专业：电子信息工程等电类专业开课院系：电子电气工程学院电子信息系教材：张兴黄如刘晓彦主编.微电子学概论（第二版）.北京：北京大学出版社,2005年主要参考书：[1] 郝跃主编.微电子学概论.北京：高等教育出版社,2003年[2] 吴德馨主编.现代微电子技术.北京：化学工业出版社,2003年[3] （美）Donald A.Neamen编.半导体器件导论.北京：清华大学出版,2006年一、课程的性质和任务本课程是电子信息工程类专业的一门专业基础课。

该门课程主要介绍了微电子学发展史、半导体器件、制造工艺、集成电路和SOC电路的设计以及计算机辅助设计技术。

该课程为学生进行微电子技术研究和集成电路的开发提供了理论基础。

二、教学内容和基本要求对本课程的学习，要求掌握集成电路的器件、组成、制造工艺及基本设计方法。

教学内容如下：第一章绪论1. 晶体管的发明和集成电路的发展史2. 集成电路的分类3. 微电子学的特点第二章半导体物理和器件物理基础1. 半导体及其基本特性2. 半导体中的载流子3. pn结4. 双极晶体管5. MOS场效应管第三章大规模集成电路基础1. 半导体集成电路概述2. 双极集成电路基础3. MOS集成电路基础第四章集成电路制造工艺1. 双极集成电路工艺流程2. MOS集成电路工艺流程3. 光刻与刻蚀技术4. 氧化5. 扩散与离子注入6. 化学气象淀积7. 接触与互联8. 隔离技术第五章集成电路设计i. 集成电路设计特点与设计信息描述ii. 集成电路的设计流程iii. 集成电路的设计规则和全定制设计方法iv. 专用集成电路的设计方法v. 集中集成电路设计方法的比较vi. 可测性设计技术第六章集成电路设计的EDA系统1. VHDL及模拟2. 综合3. 逻辑模拟4．电路模拟5．时序分析和混合模拟6．版图设计7．器件模拟8．工艺模拟9．计算机辅助测试（CAT）技术第七章系统芯片（SOC）设计1．系统芯片的基本概念和特点2．SOC设计过程第八章光电子器件1．固体中的光吸收和光发射2．半导体发光二极管第九章微机电系统1．基本概念2. 几种重要的MEMS器件3．MEMS加工工艺4．MEMS技术发展的趋势5．纳机电系统第十章纳电子器件1．纳电子器件概述2．碳纳米管和半导体纳米管3．量子电、量子线4．单电子晶体管5．分子结器件6．场效应晶体管7．逻辑器件及其电路第十一章微电子技术发展的规律和趋势1．基本规律2．趋势和展望三、实验（上机、习题课或讨论课）内容和基本要求1. 各章课后均有习题2．关于微电子发展、集成电路设计、光电子、微机电系统及纳电子等方面撰写小论文。

EDA技术概述EDA技术概述1 EDA和PLD发展概况2 可编程逻辑器件的设计EDA技术概述1 EDA和PLD发展概况1.1 EDA技术发展概况电子设计自动化（EDA，Electronic Design Automation）是指利用计算机完成电子系统的设计。

EDA技术是以计算机和微电子技术为先导，汇集了计算机图形学、拓扑、逻辑学、微电子工艺与结构学和计算数学等多种计算机应用学科最新成果的先进技术。

EDA技术以计算机为工具，代替人完成数字系统的逻辑综合、布局布线和设计仿真等工作。

EDA技术概述设计人员只需要完成对系统功能的描述，就可以由计算机软件进行处理，得到设计结果，而且修改设计如同修改软件一样方便，可以极大地提高设计效率。

从20世纪60年代中期开始，人们就不断开发出各种计算机辅助设计工具来帮助设计人员进行电子系统的设计。

电路理论和半导体工艺水平的提高，对EDA技术的发展起了巨大的推进作用，使EDA作用范围从PCB 板设计延伸到电子线路和集成电路设计，直至整个系统的设计，也使IC芯片系统应用、电路制作和整个电子系统生产过程都集成在一个环境之中。

根据电子设计技术的发展特征，EDA技术发展大致分为三个阶段。

EDA技术概述1. CAD阶段（20世纪60年代中期～20世纪80年代初期）第一阶段的特点是一些单独的工具软件，主要有PCB（Printed Circuit Board）布线设计、电路模拟、逻辑模拟及版图的绘制等，通过计算机的使用，从而将设计人员从大量繁琐重复的计算和绘图工作中解脱出来。

例如，目前常用的Protel早期版本Tango，以及用于电路模拟的SPICE软件和后来产品化的IC版图编辑与设计规则检查系统等软件，都是这个阶段的产品。

这个时期的EDA一般称为CAD（Computer Aided Design）。

EDA技术概述20世纪80年代初，随着集成电路规模的增大，EDA技术有了较快的发展。