微电子器件与IC设计 (1)

课后习题答案1.1 为什么经典物理无法准确描述电子的状态？在量子力学中又是用什么方法来描述的？ 解：在经典物理中，粒子和波是被区分的。

然而，电子和光子是微观粒子，具有波粒二象性。

因此，经典物理无法准确描述电子的状态。

在量子力学中，粒子具有波粒二象性，其能量和动量是通过这样一个常数来与物质波的频率ω和波矢k 建立联系的，即 k n c h p h E ====υωυ 上述等式的左边描述的是粒子的能量和动量，右边描述的则是粒子波动性的频率ω和波矢k 。

1.2 量子力学中用什么来描述波函数的时空变化规律？解：波函数ψ是空间和时间的复函数。

与经典物理不同的是，它描述的不是实在的物理量的波动，而是粒子在空间的概率分布，是一种几率波。

如果用()t r ,ψ表示粒子的德布洛意波的振幅，以()()()t r t r t r ,,,2ψψψ*=表示波的强度，那么，t 时刻在r 附近的小体积元z y x ∆∆∆中检测到粒子的概率正比于()z y x t r ∆∆∆2,ψ。

1.3 试从能带的角度说明导体、半导体和绝缘体在导电性能上的差异。

解：如图1.3所示，从能带的观点来看，半导体和绝缘体都存在着禁带，绝缘体因其禁带宽度较大(6~7eV)，室温下本征激发的载流子近乎为零，所以绝缘体室温下不能导电。

半导体禁带宽度较小，只有1~2eV ，室温下已经有一定数量的电子从价带激发到导带。

所以半导体在室温下就有一定的导电能力。

而导体没有禁带，导带与价带重迭在一起，或者存在半满带，因此室温下导体就具有良好的导电能力。

1.4 为什么说本征载流子浓度与温度有关？解：本征半导体中所有载流子都来源于价带电子的本征激发。

由此产生的载流子称为本征载流子。

本征激发过程中电子和空穴是同时出现的，数量相等，i n p n ==00。

对于某一确定的半导体材料，其本征载流子浓度为kT E V C i g e N N p n n ==002式中，N C ，N V 以及Eg 都是随着温度变化的，所以，本征载流子浓度也是随着温度变化的。

1.1 微电子技术概述1.1.1 集成电路的发展回顾全球集成电路发展的路程，基本上可以总结为六个阶段：第一阶段：1962年制造出包含12个晶体管的小规模集成电路（SSI，Small-Scale Integration）。

第二阶段：1966年发展到集成度为100～1000个晶体管的中规模集成电路（MSI，Medium-Scale Integration）。

第三阶段：1967～1973年，研制出1000～100000个晶体管的大规模集成电路（LSI，Large-Scale Integration）。

第四阶段：1977年研制出在30平方毫米的硅晶片上集成15万个晶体管的超大规模集成电路（VLSI，Very Large-Scale Integration）。

这是电子技术的第4次重大突破，从此真正迈入了微电子时代。

第五阶段：1993年随着集成了1000万个晶体管的16MB FLASH和256MB DRAM的研制成功，进入了特大规模集成电路（ULSI，Ultra Large-Scale Integration）时代。

第六阶段：1994年由于集成1亿个元件的1GB DRAM的研制成功，进入巨大规模集成电路（GSI，Giga Scale Integration）时代。

1.1.2 集成电路产业分工微电子技术的迅速发展得益于集成电路产业内部的细致分工。

目前，集成电路产业链主要包括设计、制造、封装和测试，如图所示。

在这历史过程中，世界IC产业为适应技术的发展和市场的需求，其产业结构经历了3次重大变革。

1、以生产为导向的初级阶段20世纪60年代的集成电路产业就是半导体产业，IC设计只是附属产品。

70年代出现独立的IC厂家设计IC产品。

2、Foundry与Fabless设计公司的崛起20世纪80年代，工艺设备生产能力已经相当强大，但是费用十分昂贵，IC厂家自己的设计不足以供其饱和运行，因此开始承接对外加工，继而由部分到全部对外加工，形成了Foundry加工和Fabless设计的分工。

ic设计必备知识点在现代科技发展迅猛的背景下，集成电路（IC）设计在电子领域中扮演着重要的角色。

为了更好地理解和应用IC设计，有一些必备的知识点是不可或缺的。

本文将介绍IC设计的核心概念、设计流程以及常用的设计工具和技术。

一、IC设计的核心概念1. MOSFET：金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）是IC设计中最基本的构建块之一。

它是一种三端器件，由金属栅、绝缘层和半导体构成。

MOSFET的工作原理涉及栅极电压和源极-漏极电压之间的关系。

2. CMOS：互补金属氧化物半导体（CMOS）是一种常用的逻辑电路设计风格。

它由两个互补的MOSFET（pMOS和nMOS）组成，能够在低功耗消耗和高集成度之间取得平衡。

3. 时钟和时序：时钟在IC设计中起到同步和定时电路的作用，确保各个部分的协调工作。

时序设计涉及到信号的传输延迟、时钟抖动、时序约束等问题。

4. 逻辑门：逻辑门是IC设计中的基本单元，用于执行逻辑操作。

常见的逻辑门有与门、或门、非门等，它们可以组合形成更复杂的逻辑电路。

二、IC设计的流程1. 规划和需求分析：在IC设计之前，需要明确设计的目标和需求，包括功能、性能、功耗等方面的要求。

这些需求将指导后续的设计过程。

2. 电路架构设计：在这一阶段，设计师需要确定电路的整体结构和模块划分。

根据需求分析，选择合适的电路拓扑，并确定模块之间的接口和通信方式。

3. 逻辑设计：逻辑设计是将电路架构转化为逻辑电路图的过程。

使用硬件描述语言（HDL）进行高级抽象描述，并进行功能验证和仿真。

4. 物理设计：物理设计将逻辑电路图转化为布局和布线信息。

包括芯片尺寸和形状的规划，元件的布局，信号线的路径规划等。

5. 验证和测试：在IC设计完成后，需要进行验证和测试以确保其满足设计要求。

常用的验证手段包括静态和动态的功能验证、时序约束验证以及功耗和可靠性测试等。

三、IC设计的常用工具和技术1. EDA工具：EDA（Electronics Design Automation）工具是IC设计中不可或缺的辅助软件。

EDA重点（填空题、解答题、论述题、程序题）以下内容完全根据老师给的重点总结得到，如有不周，敬请谅解第一章VLSI概述1、微电子专业词汇IC（Integrated Circuit）: 集成电路VLSI （Very Large Scale Integration）：超大规模集成电路VDSM（Very Deep Sub-Micron）: 超深亚微米(<=0.25um)ASIC（Application Specific Integrated Circuit）: 专用集成电路ASSP（Application Specific Standard Products）: 专用标准产品EDA（Electronic Design Automation）：电子设计自化ESDA（Electronic System Design Automation）: 电子系统设计自动化技术IP（Intellectual Property）：指知识产权、著作权SOC（System on a chip）: 片上系统（基于IP的半定制设计方法）PGA(Pin Grid Array) ：阵栅(网格）阵列BGA（Ball Grid Array）: 球栅(网格）阵列EDIF（Electronic Design Interchange Format）：电子设计网表格式NRE（Non-Recurring Engineering）：非重复性工程成本或一次性工程成本GA（Gate Array）: 门阵列P&R（Place and Route）: 布局布线LVDS（Low power differential signaling）：低电压差分信号ESD（Electro-Static discharge）：静电释放EMI(Electro-magnetic Interference) ：电磁干扰Foundry：工艺生产线RTL（register Transfer lever）：寄存器传输级ISP （In-System Programmability ）：在系统可编程SOPC（System on programmable chip）: 可编程片上系统2、封装的主要类型：从扦孔形（THP）向表面按装形式（SMP）发展，到现在的MCM(Multi-Chip Module）多芯片组件封装。

IC设计的定义IC设计是将系统、逻辑与性能的设计要求转化为具体的物理版图的过程，也是一个把产品从抽象的过程一步步具体化、直至最终物理实现的过程。

为了完成这一过程，人们研究出了层次化和结构化的设计方法。

层次化的设计方法能使复杂的系统简化，并能在不同的设计层次及时发现错误并加以纠正。

结构化的设计方法是把复杂抽象的系统划分成一些可操作的模块，允许多个设计者同时设计，而且某些子模块的资源可以共享。

IC的分类ic按功能可分为：数字ic、模拟ic、微波ic及其他ic，其中，数字ic是近年来应用最广、发展最快的ic 品种。

数字ic就是传递、加工、处理数字信号的ic，可分为通用数字ic和专用数字ic。

专用ic（ASIC）：是指为特定的用户、某种专门或特别的用途而设计的电路。

目前，集成电路产品有以下几种设计、生产、销售模式。

1、ic制造商（IDM）自行设计，由自己的生产线加工、封装，测试后的成品芯片自行销售。

2、ic设计公司（Fabless）与标准工艺加工线（Foundry）相结合的方式。

设计公司将所设计芯片最终的物理版图交给Foundry加工制造，同样，封装测试也委托专业厂家完成，最后的成品芯片作为IC设计公司的产品而自行销售。

通用ic：是指那些用户多、使用领域广泛、标准型的电路，如存储器（DRAM）微控制器（MCU）及微处理器（MPU）等，反映了数字ic的现状和水平。

世界IC设计产业发展的大趋势自ic设计公司诞生以来，其灵活的经营模式显示出旺盛的生命力，由于船小掉头快，紧跟世界热点的半导体应用市场，注重于产品的创新设计，再加上相关的Foundry公司服务体系逐趋完善和加工价格便宜，使其以超常速度发展，并体现出以下特点和发展趋势：1、龙头性ic设计是研究和开发ic的第一步，也是最重要的一步。

没有成功的设计，就没有成功的产品。

一个好的ic产品需要设计、工艺、测试、封装等一整套工序的密切配合，但设计是第一道。

2、创造性ic设计是一项创造力极强的工作。

课后习题答案1.1 为什么经典物理无法准确描述电子的状态？在量子力学中又是用什么方法来描述的？ 解：在经典物理中，粒子和波是被区分的。

然而，电子和光子是微观粒子，具有波粒二象性。

因此，经典物理无法准确描述电子的状态。

在量子力学中，粒子具有波粒二象性，其能量和动量是通过这样一个常数来与物质波的频率ω和波矢k 建立联系的，即k n ch p h E ====υωυ 上述等式的左边描述的是粒子的能量和动量，右边描述的则是粒子波动性的频率ω和波矢k 。

1.2 量子力学中用什么来描述波函数的时空变化规律？解：波函数ψ是空间和时间的复函数。

与经典物理不同的是，它描述的不是实在的物理量的波动，而是粒子在空间的概率分布，是一种几率波。

如果用()t r ,ψ表示粒子的德布洛意波的振幅，以()()()t r t r t r ,,,2ψψψ*=表示波的强度，那么，t 时刻在r 附近的小体积元z y x ∆∆∆中检测到粒子的概率正比于()z y x t r ∆∆∆2,ψ。

1.3 试从能带的角度说明导体、半导体和绝缘体在导电性能上的差异。

解：如图1.3所示，从能带的观点来看，半导体和绝缘体都存在着禁带，绝缘体因其禁带宽度较大(6~7eV)，室温下本征激发的载流子近乎为零，所以绝缘体室温下不能导电。

半导体禁带宽度较小，只有1~2eV ，室温下已经有一定数量的电子从价带激发到导带。

所以半导体在室温下就有一定的导电能力。

而导体没有禁带，导带与价带重迭在一起，或者存在半满带，因此室温下导体就具有良好的导电能力。

1.4 为什么说本征载流子浓度与温度有关？解：本征半导体中所有载流子都来源于价带电子的本征激发。

由此产生的载流子称为本征载流子。

本征激发过程中电子和空穴是同时出现的，数量相等，i n p n ==00。

对于某一确定的半导体材料，其本征载流子浓度为kT E V C i g e N N p n n ==002式中，N C ，N V 以及Eg 都是随着温度变化的，所以，本征载流子浓度也是随着温度变化的。

ic设计岗位职责11篇ic设计岗位职责11篇ic设计岗位职责1岗位描述：1、对线路进行分析整理、仿真及分析，制定适宜的fib方案以及验证fib数据2、芯片命令和码表含义分析3、配合其他部门完成芯片的验证以及芯片的功能分析，以及加解密算法的电路功能分析4、完成技术资料和产品文档的.编写、维护、归档等工作任职要求：1、微电子、电子工程、通信、自动化等相关专业本科以上学历，有五年以上工作者优先2、了解ic器件、工艺等相关知识3、熟悉数字、模拟ic基础，掌握cmos电路结构，具备扎实的半导体物理知识4、精通verilog的编程及仿真5、具有mcu、fpga、cpld、protel开发经验优先6、具有一定的数学理论知识，有算法理论基础及开发经验者的优先7、责任心强，具有良好的沟通表达能力和团队合作意识。

ic设计岗位职责2模拟ic设计师工作职责:1.负责硅基模拟类芯片的研发设计;2.负责设计多种模拟ic,包括但不限于:tia、la、transceiver等光通信和射频ic类芯片、dc-dc,ac-dc,led driver,charger等电源管理类芯片;3.负责完成电路的设计、仿真、验证和debug分析;4.配合版图完成版图设计和绘制。

任职要求:1.微电子、电子工程或相关专业本科或以上学历,具有扎实的模拟电路基础理论知识,cet4级,具有熟练的英文读写能力;2.1-3年及以上模拟ic设计经验,具有射频集成电路或电源管理类芯片设计经验者尤佳;3.熟练掌握模拟ic设计方法,熟悉并深刻理解cmos/bcd工艺;4.熟练运用spectrerf、hspice、ads等eda工具进行电路设计。

工作职责:1.负责硅基模拟类芯片的.研发设计;2.负责设计多种模拟ic,包括但不限于:tia、la、transceiver等光通信和射频ic类芯片、dc-dc,ac-dc,led driver,charger等电源管理类芯片;3.负责完成电路的设计、仿真、验证和debug分析;4.配合版图完成版图设计和绘制。