1、 “十二五”普通高等教育本科国家级规划教材 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 微电子与集成电路设计系列规划教材 集成电路设计集成电路设计（第 3 版）王志功 陈莹梅 编著 内 容 简 介 本书是“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材和普通高等教育“十一五”国家级规划教材，全书遵循集成电路设计的流程，介绍集成电路设计的一系列知识。全书共 12 章，主要内容包括：集成电路设计概述，集成电路材料、结构与理论，集成电路基本工艺，集成电路器件工艺，MOS 场效应管的特性，集成电路器件及 SPICE 模型，SPICE 数模混合仿真程序的设计流程及方法，集成电路版图设计与工具，模拟集成电路基本单元，数
2、字集成电路基本单元与版图，集成电路数字系统设计基础，集成电路的测试和封装。本书提供配套多媒体电子课件、Cadence 公司提供的 PSPICE 学生版安装软件、HSPICE 和 PSPICE 两种仿真工具的电路实例设计包等。本书可作为高等学校电子信息、微电子等专业高年级本科生和研究生教材，也可供集成电路设计工程师学习参考。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 集成电路设计/王志功，陈莹梅编著 3 版 北京：电子工业出版社，2013.7 微电子与集成电路设计系列规划教材 ISBN 978-7-121-19983-7 I集 II王
3、陈 III集成电路-电路设计-高等学校-教材 ITN402 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2013）第 056790 号 策划编辑：王羽佳 责任编辑：郑志宁 文字编辑：王晓庆 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：19.25 字数：493 千字 印 次：2013 年 7 月第 1 次印刷 印 数：4000 册 定价：45.00 元（含光盘 1 张）凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮
4、件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。III前 言 随着微电子工艺特征尺寸的不断缩小，集成电路技术的发展呈现部分新的特征。工艺库与电子 CAD 软件不断更新，集成电路的速度不断提高，电路复杂度不断增加，电路结构随着电源电压的降低也随之调整。针对这一情况，我们对 2009 年 6 月出版的集成电路设计第 2 版进行了重新修订，新版在体系结构上保留原书的特色，基本内容力求符合教育部高等学校电子信息与电气信息类基础课程教学分指导委员会制定的“集成电路设计基础”课程教学基本要求。本次修订力求结合当前集成电路技术的发展动态，增加教材的新颖性和实用性。与第 2版相比，本版
5、介绍当前最先进的集成电路工艺，以及近年来我国集成电路产业的发展与面临的新问题，为读者提供了集成电路设计从前端、版图、流片到封装测试的完整流程中的相关知识，并结合设计工具进一步强化了设计实例。电路仿真工具选用了 Cadence 公司的 PSPICE和 Spectre 以及 Synopsys 公司的 HSPICE，版图设计工具则主要选用了 Cadence 的 irtuoso。具体修订内容如下。1第 1 章在集成电路的发展部分引入了当前 45 nm 和 22 nm 等最先进的 CMOS 工艺，对系统芯片 SoC 进行了比较详细的介绍。总结了当前集成电路发展呈现的新趋势与特征，以及集成电路发展所面临的
6、机遇和存在的问题。在集成电路制造途径部分，更新了我国集成电路工艺厂家能够提供的最新工艺。2为增加本书的连贯性，第 4 章的集成电路器件工艺部分增加了 HBT 和 PHEMT 的形小信号等效电路模型，为后面第 6 章 SPICE 模型部分的内容进行了铺垫。对几种器件工艺的电学性能进行了比较。在 MOS 管的工作原理部分，不仅提供了直观的剖面图，同时增加了文字说明，进一步强化了基本概念与基本原理。3SPICE 是集成电路 EDA 技术的语言基础，当前几乎所有的电路仿真应用软件都是以SPICE 为内核的，或者是在 SPICE 基础上的扩充。模拟工具的网表文件输入形式虽然原理性比较强，在处理大工程时效
7、率高，不易出错，但是图形界面比较直观形象，易于查错，受到许多高等学校学生和研究人员的广泛欢迎。因此第 7 章的 SPICE 仿真实例部分，在第 2 版原有的 HSPICE 网表文件形式仿真实例的基础上，增加了对 PSPICE 图形界面输入形式的介绍，并对相同的电路介绍了图形界面的设计流程，便于读者进行设计与比较。4第 8 章集成电路版图设计与工具中更新了部分软件界面图。5对第 11 章集成电路数字系统设计基础部分进行了改写，丰富了硬件描述语言 HDL部分的内容，增加了现场可编程门阵列（FPGA）设计实例，使本章的内容更翔实、全面，便于初学者学习，目的是加强本书的基础性。为了方便读者对本书的仿真
8、实例进行练习，教材配有一张光盘，内容包括 Cadence 公司提供的 PSPICE 学生版软件、第 7 章 HSPICE 和 PSPICE 两种仿真工具的电路实例，以及教师教学用 PPT。本书提供的配套多媒体电子课件，也可以登录华信教育资源网（http:/）注册下载。I 本书可作为电子信息、微电子等专业高年级本科生和研究生的教材，也可作为集成电路设计工程师的参考用书。本书的修订大纲与内容由王志功组织并审定，由陈莹梅主持编写，Cadence 公司中国区AE 总监陈春章博士对 PSPICE 软件的提供进行了大力支持，东南大学射频与光电集成电路研究所的研究生宰大伟为 PSPICE 软件实例做了部分前
9、期工作。电子工业出版社的王羽佳编辑在组织出版和编辑工作中给予了很大的支持。多年来，广大读者和兄弟院校教师对本书提出的批评和建议，对我们有很大的帮助和促进。在此对以上各方人士表示衷心的感谢！并恳请读者对本书继续批评和指正。编 者 2013 年 7 月于东南大学 目 录 第 1 章 集成电路设计概述 1 1.1 集成电路的发展 1 1.2 集成电路设计流程及设计环境 4 1.3 集成电路制造途径 5 1.4 集成电路设计的知识范围 7 思考题 8 第 2 章 集成电路材料、结构与理论 9 2.1 集成电路材料 9 2.1.1 硅 10 2.1.2 砷化镓 10 2.1.3 磷化铟 11 2.1.4
10、 绝缘材料 11 2.1.5 金属材料 12 2.1.6 多晶硅 13 2.1.7 材料系统 14 2.2 半导体基础知识 15 2.2.1 半导体的晶体结构 15 2.2.2 本征半导体与杂质半导体 15 2.3 PN 结与结型二极管 16 2.3.1 PN 结的扩散与漂移16 2.3.2 PN 结型二极管 17 2.3.3 肖特基结二极管 18 2.3.4 欧姆型接触 18 2.4 双极型晶体管 18 2.4.1 双极型晶体管的基本结构 18 2.4.2 双极型晶体管的工作原理 19 2.5 MOS 晶体管 20 2.5.1 MOS 晶体管的基本结构 20 2.5.2 MOS 晶体管的工作
11、原理 21 2.5.3 MOS 晶体管的伏安特性 21 思考题 25 本章参考文献 25 第 3 章 集成电路基本工艺 27 3.1 外延生长 27 3.2 掩模版的制造 28 3.3 光刻原理与流程 31 3.3.1 光刻步骤 31 3.3.2 曝光方式 32 3.4 氧化 34 3.5 淀积与刻蚀 34 3.6 掺杂原理与工艺 35 思考题 37 本章参考文献 37 第 4 章 集成电路器件工艺 39 4.1 双极型集成电路的基本制造工艺 40 4.1.1 双极型硅工艺 40 4.1.2 HBT 工艺 41 4.2 MESFET 和 HEMT 工艺 43 4.2.1 MESFET 工艺 4
12、3 4.2.2 HEMT 工艺 44 4.3 MOS 和相关的 LSI 工艺 47 4.3.1 PMOS 工艺 48 4.3.2 NMOS 工艺 49 4.3.3 CMOS 工艺 52 4.4 BiCMOS 工艺 55 思考题 58 本章参考文献 58 第 5 章 MOS 场效应管的特性 59 5.1 MOS 场效应管 59 5.1.1 MOS 管伏安特性的推导 59 5.1.2 MOS 电容的组成 60 5.1.3 MOS 电容的计算 62 5.2 MOSFET 的阈值电压 VT 63 5.3 体效应 66 5.4 MOSFET 的温度特性 66 5.5 MOSFET 的噪声 67 5.6
13、MOSFET 尺寸按比例缩小 67 5.7 MOS 器件的二阶效应 70 5.7.1 L 和 W 的变化 70 5.7.2 迁移率的退化 72 I 5.7.3 沟道长度的调制 73 5.7.4 短沟道效应引起的阈值电压的 变化 74 5.7.5 狭沟道效应引起的阈值电压的 变化 74 思考题 75 本章参考文献 75 第 6 章 集成电路器件及 SPICE 模型 76 6.1 无源器件结构及模型 76 6.1.1 互连线 76 6.1.2 电阻 77 6.1.3 电容 79 6.1.4 电感 81 6.1.5 分布参数元件 82 6.2 二极管电流方程及 SPICE 模型 86 6.2.1 二
14、极管的电路模型 86 6.2.2 二极管的噪声模型 87 6.3 双极型晶体管电流方程及 SPICE 模型 88 6.3.1 双极型晶体管的 EM 模型 88 6.3.2 双极型晶体管的 GP 模型 90 6.4 结型场效应 JFET（NJF/PJF）模型 91 6.5 MESFET（NMF/PMF）模型（SPICE3.x）91 6.6 MOS 管电流方程及 SPICE 模型 92 思考题 95 本章参考文献 95 第 7 章 SPICE 数模混合仿真程序的 设计流程及方法 97 7.1 采用 SPICE 的电路设计流程 97 7.2 电路元件的 SPICE 输入语句 格式 98 7.3 电路
15、特性分析语句 104 7.4 电路特性控制语句 106 7.5 HSPICE 缓冲驱动器设计实例 107 7.6 HSPICE 跨导放大器设计实例 111 7.7 PSPICE 电路图编辑器简介 124 7.8 PSPICE 缓冲驱动器设计实例 126 7.9 PSPICE 跨导放大器设计实例 131 思考题 136 本章参考文献 136 第 8 章 集成电路版图设计与工具 137 8.1 工艺流程的定义 137 8.2 版图几何设计规则 138 8.3 图元 142 8.3.1 MOS 晶体管 142 8.3.2 集成电阻 144 8.3.3 集成电容 145 8.3.4 寄生二极管与三极管
16、 147 8.4 版图设计准则 148 8.4.1 匹配设计 148 8.4.2 抗干扰设计 153 8.4.3 寄生优化设计 154 8.4.4 可靠性设计 155 8.5 电学设计规则与布线 157 8.6 基于 Cadence 平台的全定制 IC 设计 159 8.6.1 版图设计的环境 159 8.6.2 原理图编辑与仿真 160 8.6.3 版图编辑与验证 164 8.6.4 CMOS 差动放大器版图设计 实例 166 8.7 芯片的版图布局 168 8.8 版图设计的注意事项 170 思考题 171 本章参考文献 171 第 9 章 模拟集成电路基本单元 172 9.1 电流源电路 172 9.1.1 双极型镜像电流源 172 9.1.2 MOS 电流镜 174 9.2 基准电压源设计 175 9.2.1 双极型三管能隙基准源 175 9.2.2 MOS 基准电压源 177 9.3 单端反相放大器 178 9.3.1 基本放大电路 178 9.3.2 改进的 CMOS 推挽放大器 182 9.4 差分放大器 182 II9.4.1 BJT 差分放大器 182 9.4.2 M
