《半导体集成电路》教学大纲

《半导体集成电路》教学大纲

Semiconductor Integrated Circuits

课程编码：12A30550 学分：4 课程类别： 专业基础课

计划学时：64 其中讲课：64 实验或实践： 0 上机：0

适用专业：集成电路设计与集成系统

推荐教材：

余宁梅，杨媛，潘银松，《半导体集成电路》，科学出版社，2011年

参考书目：

朱正涌， 《半导体集成电路》(第2版），清华大学出版社，2009年

廖裕评， 陆瑞强， 《Tanner Pro集成电路设计与布局实战指导》， 科学出版社， 2011年

课程的教学目的与任务

本课程的教学目的是通过本课程的学习，学生掌握掌握常用数字集成电路和模拟集成电路的类型、基本电路结构和设计方法，为设计复杂的集成电路结构奠定基础。本课程的教学任务主要包括介绍常用数字集成电路和模拟集成电路的电路结构和工作原理以及设计方法，学生通过本课程的学习，可以对半导体集成电路的工艺基础和设计原理有全面和系统的掌握，为从事基础研究和应用研究打下基础。

课程的基本要求

1、要求学生掌握双极晶体管的基本原理、制作工艺、寄生效应及典型电路；掌握CMOS数字集成电路的基本单元、实现工艺、基本逻辑单元构成及特性、系统构成等；

2、掌握MOS型及双极型的模拟电路特性，掌握基本的模拟电路结构、工作原理和各自特点；掌握半导体存储器以及D/A、A/D转换器的结构和工作原理；

3、能够采用静态电路设计方法、传输门逻辑方法和动态逻辑方法对数字集成电路进行设计；对带隙基准源电路、差分放大电路进行电路设计及功能仿真，提取并分析仿真参数，明确电路性能；能够根据所学知识设计高速低功耗的SRAM存储器以及基本类型的D/A及A/D转换器。

各章节授课内容、教学方法及学时分配建议（含课内实验）

第1章 绪论 建议学时：2

[教学目的与要求] 了解半导体集成电路的基本概念、分类、发展动态、面临问题，明确学习目的。

[教学重点与难点] 深亚微米集成电路设计、性能与工艺面临问题与挑战

[授 课 方 法] 课堂教学

[授 课 内 容]

第一节 半导体集成电路的概念

一、半导体集成电路的基本概念

二、 半导体集成电路的分类

第二节 半导体集成电路的发展过程

第三节 半导体集成电路的发展规律

第四节 半导体集成电路面临的问题

一、深亚微米集成电路设计面临的问题与挑战

二、深亚微米集成电路性能面临的问题与挑战

三、 深亚微米集成电路工艺面临的问题与挑战

第2章 双极型集成电路制造工艺及EM模型 建议学时：4

[教学目的与要求] 1、掌握双极型晶体管（BJT管）的结构和工作原理；2、掌握BJT管的制造工艺；3、掌握BJT管理想的EM模型

[教学重点与难点] 不同结构BJT管的EM模型。

[授 课 方 法] 课堂教学

[授 课 内 容]

第一节 双极集成电路的制造工艺

一、双极型晶体管的单管结构和工作原理

二、双极集成晶体管的结构与制造工艺

第二节 理想本征双极晶体管的EM模型

第3章 MOS集成电路中的元件形成及其寄生效应 建议学时：6

[教学目的与要求] 掌握NMOS和PMOS晶体管的器件结构和工作原理，掌握单管NMOS管的制作工艺；掌握P阱COMS工艺制作反相器的工艺流程。

[教学重点与难点] NMOS晶体管的结构和工作原理，CMOS工艺中光刻以及自校准工艺的主要流程。

[授 课 方 法] 教师讲授和课堂自学相结合

[授 课 内 容]

第一节 MOSFET 晶体管的制造工艺

一、 MOSFET晶体管的器件结构和工作原理

二、 MOSFET的制造工艺

第二节 CMOS集成电路的制造工艺

一、 P阱CMOS工艺

二、 N阱CMOS工艺

三、 双阱CMOS工艺

第三节 Bi-CMOS集成电路的制造工艺

一、 以CMOS工艺为基础的Bi-CMOS工艺

二、 以双极型工艺为基础的Bi-CMOS工艺

第四节 MOS集成电路中的有源寄生效应

一、场区寄生MOSFET

二、 寄生双极型晶体管

三、 CMOS集成电路中的闩锁效应

自学部分：SOI技术

第4章 集成电路中的无源元件 建议学时：4

[教学目的与要求] 掌握双极型以及MOS型集成电路中常用的无源器件，包括电阻、电容、互连线等。

[教学重点与难点] 集成电路中常用电阻、电容、互连线的基本结构和数值计算。

[授 课 方 法] 教师讲授和课堂自学相结合

[授 课 内 容]

第一节 集成电阻器

一、双极集成电路中的常用电阻

二、 MOS集成电路中的常用电阻

第二节 集成电容器

一、双极集成电路中的常用电容器

二、MOS集成电路中的常用电容器

第三节 互连线

一、多晶硅互连线

二、 扩散层互连线

三、 金属互连线

第5章 MOS晶体管基本原理与MOS反相器电路 建议学时：6

[教学目的与要求] 掌握MOS晶体管的电学特性、掌握各种常用反相器的基本结构和CMOS反相器的电学特性。

[教学重点与难点] MOS晶体管的基本电流方程、大信号特性、小信号等效电路；反相器的结构和电学特性。

[授 课 方 法] 课堂教学

[授 课 内 容]

第一节 MOS晶体管的电学特性

一、 MOS晶体管基本电流方程的导出

二、 MOS晶体管I-V特性

三、MOS晶体管的阈值电压和导电特性

四、 MOS晶体管的衬底偏置效应

第二节 MOS反相器

一、反相器的基本概念

二、 E/R型nMOS反相器

三、E/E型nMOS反相器

四、 E/D型nMOS反相器

五、CMOS反相器

第6章 CMOS静态门电路 建议学时：6

[教学目的与要求] 掌握CMOS基本静态门电路的结构类型、电路结构、串并联情况、会根据串并联情况进行晶体管的尺寸设计。掌握CMOS静态门电路功耗和延迟。

[教学重点与难点] CMOS晶体管尺寸设计、与非门、或非门、异或门基本结构。

[授 课 方 法] 课堂教学

[授 课 内 容]

第一节 基本CMOS静态门

一、 CMOS与非门

二、CMOS或非门

第二节 CMOS 复合逻辑门

一、 异或门

二、其他复合逻辑门

第三节 MOS管的串并联特性

一、晶体管串联的情况

二、 晶体管并联的情况

三、 晶体管尺寸的设计

第四节 CMOS静态门电路的功耗

一、 CMOS静态逻辑门电路功耗的组成

二、 降低电路功耗的方法

第五节 CMOS静态门电路的延迟

第7章 传输门逻辑和动态逻辑电路 建议学时：6

[教学目的与要求] 掌握传输门的基本结构和电路特点；掌握二叉树判决法；掌握基本动态CMOS逻辑电路的基本结构和工作原理。

[教学重点与难点] 二叉判决图BDD的传输门逻辑生成方法；基本动态CMOS逻辑电路结构和工作原理。

[授 课 方 法] 课堂教学

[授 课 内 容]

第一节 基本的传输门

一、 nMOS传输门

二、 pMOS传输门

三、 CMOS传输门

第二节 传输门逻辑电路

一、传输门逻辑电路举例

二、传输门逻辑特点

第三节 基于二叉判决图BDD的传输门逻辑生成方法

第四节 基本动态CMOS逻辑电路

一、基本CMOS动态逻辑电路的工作原理

二、 动态逻辑电路的优缺点

第五节 传输门隔离的动态逻辑电路

一、传输门隔离动态逻辑电路工作原理

二、传输门隔离多级动态逻辑电路的时钟信号

三、多米诺逻辑

第六节 动态逻辑电路中存在的问题及解决方法

一、电荷泄漏

二、电荷共享

三、时钟馈通

四、体效应

第8章 时序逻辑电路 建议学时：6

[教学目的与要求] 掌握常用时序逻辑电路的基本结构和工作原理；掌握动态和静态存储机理。

[教学重点与难点] 电平敏感锁存器、边沿触发寄存器的结构和工作原理

[授 课 方 法] 课堂教学

[授 课 内 容]

第一节 电荷的存储机理

一、静态存储机理

二、 动态存储机理

第二节 电平敏感锁存器

一、SR静态锁存器

二、时钟脉冲控制的SR静态锁存器

三、 CMOS静态逻辑结构D锁存器

四、基于传输门多选器的D锁存器

五、 动态锁存器

第三节 边沿触发寄存器

一、寄存器的几个重要参数（建立时间、维持时间、传输时间）

二、 CMOS静态主从结构寄存器

三、 传输门多路开关型寄存器

四、 C2MOS 寄存器

第四节 其他类型寄存器

第五节 带复位及使能信号的D寄存器

一、同步复位D寄存器

二、异步复位D寄存器

三、带使能信号的同步复位D寄存器

第六节 寄存器的应用及时序约束

第9章MOS逻辑功能部件 建议学时：2

[教学目的与要求] 利用前面掌握的基本单元电路设计在微处理器和数字处理器的数据通路中经常用到的逻辑功能部件，如多路开关、加法器、移位器和乘法器等。

[教学重点与难点] 数据通路中多路开关、加法器、移位器和乘法器的设计方法。

[授 课 方 法] 课堂教学

[授 课 内 容]

第一节 多路开关

第二节 加法器和进位链

一、加法器定义

二、 全加器电路设计

三、进位链

第三节 算数逻辑单元

一、以传输门为主体的算数逻辑单元

二、以静态逻辑门电路为主体的算数逻辑单元

第四节 移位器和乘法器

第10章 半导体存储器 建议学时：6

[教学目的与要求] 掌握存储器的概念和分类，掌握基本的存储器的结构和工作原理。