微电子电路系统

一、绪论

1、时间轴：

1946第一台计算机诞生(bell lab)

1947年晶体管发面，代替电子管

1958第一个半导体集成电路诞生(TI实验室)

1959硅平面工艺的单片集成电路

1960第一个mos管诞生

1963pmos与nmos互补mos诞生(cmos)

1970DRAM动态随机存储器诞生

1971微处理器诞生

2、摩尔定律：晶体管集成度每18个月翻一番，即Area(0.5)=L(0.7)W(0.7)

3、等比缩小原则：分恒定电场的等比缩小原则、恒定电压的等比缩小原则和准恒定电场的等比缩小原则

4、硅集成电路分类：双极性(同时使用电子和空穴，分饱和性和非饱和性);mos型(用mos晶体管，分nmos电子导电，一端接地和pmos空穴导电，一端接VDD)

5、集成电路分类：

工作特性分：数字集成电路、模拟集成电路和数模模数转换电路

应用可分：通用集成电路、专用集成电路(只要不是CPU都是)

6、制作过程：沙子采集——硅熔炼——单晶硅棒——硅棒切割——晶圆抛光——涂光刻胶——光刻(一块晶圆可以切割出数百个处理器，其中晶体管为开关，控制芯片内电流方向)——溶解光刻胶——蚀刻(将未有光刻胶的部分腐蚀)——离子注入——清除光刻胶——晶体管完成——晶圆测试——晶圆切片——封装——等级测试

二、基本元件

1、本征半导体：无杂质，纯度高，具有晶体结构的半导体，电子和空穴成对出现，称为电子-空穴对。电子和空穴不断产生，成动态平衡，称为载流子。其浓度与温度密切相关。

2、施主杂质：向硅半导体提供一个自由电子而本身带正电的粒子杂质，此时电子为多数载流子，称为n型半导体。

3、受主杂质：向硅半导体提供一个空穴而本身带负点的杂质，主要靠受主提供空穴导电，空穴为多数载流子，称为p型半导体。

4、杂质浓度决定多子浓度，温度决定少子浓度(本征半导体而来)，总体上成电中性，因为参入为电中性，本身为电中性。

5、PN结：n型与p型半导体的交界面。

6、扩散运动：由于PN结界面存在载流子浓度梯度，导致多子发生扩散运动，电子由N到P，空穴由P到N，而多子的移动导致N型的施主离子(正)与P型的受主离子(负)形成电场，阻碍扩散运动，直到中间形成耗尽层。

7、漂移运动：由于上面形成的电场的存在，使少子发生漂移运动，即电子从P到N，空穴从N到P，与扩散运动相反。

8、扩散运动使扩散电流逐渐减小，而漂移运动逐渐增加，当两者动态平衡的时候，PN结总电流为0，空间电荷区的宽度稳定

9、外加正向电压的时候(P正N负)，正向电流外电场与内电场方向相反，故阻碍减弱，扩散运动继续，出现净的正向电流，表现为导通;外加反向电压的时候(P负N正)，外电场与内电场方向相同，更加阻碍，使得空间电荷区变宽，产生反向电流，表现为不导通。此即为单向导电性的原因

10、MOS结构：在(PMOS)栅极与衬底加上电压后可有四种变化：

①积累态：栅负底正，即VG<0，栅极充满电子，空穴被吸引到表面形成积累层

②耗尽态：VG>0，栅极产生少量正电荷，空穴被派出，形成耗尽层

③反型态：VG增大，山鸡出现更多正电荷，少量电子进入表面形成反型层，可允许电流通过

④强反型态：VG增大，使表面少子浓度超过了多子，反型层电子被限制在沟道内，P型沟道由电子组成，运行电流通过

此时的栅氧化层单位面积电容为：

其中ε为介电常数和相对介电常数，tox为栅氧化层厚度

同理可有耗尽层的单位面积电容为：

其中xd为衬底的厚度，或者说耗尽层厚度

11、nmos：P型衬底N型源漏。漏S、栅G、源D、底B，当VG=0时无沟道不导通，当VG>VT(阈值电压)的时候漏与源之间有电流，且电压为漏高源低，阈值电压为正值;如果是耗尽型，则在VG=0的时候有电流，否则无电流，一般不考虑。阈值电压为负值值。

随着栅源电压VGS的增大与漏源电压VDS的增大，依次经过

截止区(VGS

线性区(VGS>VT且VDS

又可以写为：

饱和区(VGS>VT且VDS>VGS-VT)，此时电流达到饱和值

12、pmos：N型衬底P型源漏。漏S、栅G、源D、底B，当VG=0时无沟道不导通，当VG

随着栅源电压VGS的减小与漏源电压VDS的减小，依次经过

截止区(VGS>VT)，此时电流为0

线性区(VGSVGS-VT)，此时电流随着VDS增大线性变化，其中μeff为载流子迁移率，Cox为上面提到的删氧化层单位面积电容，W为沟道的宽度，L为沟道的长度：

又可以写为：

饱和区(VGS

13、阈值电压VT：达到强反型形成沟道时所需栅压VG。γ为体效应系数

其中VT0为衬底偏压为0，即VBS=0的时候的阈值电压

如果要计算这个，一定一定一定要带计算器!!

14、亚阈值电流：当VG小于VT但大于0的时候(nmos)，没有导电沟道，但是有少子使漏电流ID不为0，此时载流子为少子，以扩散运动为主，计算公式为：

I0为VG=VT时候的电流，随着VGS成指数变化，当漏源电压>3kT/q的时候，亚阈值电流基本与漏电流无关。亚阈值电流受温度的影响很大。

15、mos的瞬态特性：

本征电容：栅极与源极之间、栅极与漏极之间，栅极与衬底之间的电容，

当VGS

当VGS>VT而VDS≈0的时候:

随着VDS的增大，CGD减小，CGS增大，当VDS=VGS-VT的时候，沟道在漏端发生了夹断，此时CGD减小到0，而CGS增到最大

而对于CGB，达到强反型之后为0，之前有一定的变化趋势。

覆盖电容：栅极与源极、栅极与漏极之间有一定的覆盖区域，存在电容

故总的栅源电容和栅漏电容为：

PN结电容：源和漏与衬底之间形成PN结，由此会有两个电容，这个电容只与VS和VD电压有关，可有公式：

其中AS、AD和PS、PD分别是源漏区的面积和周长，CjA是单位面积的pn底部电容，CjP是单位周长的pn结侧壁电容：

Cj0和Cjp0分别是零偏压时单位面积的底部结电容和单位长度的侧壁结电容

xj是源、漏区深度

16、电容器：只要会用两个公式：

电容的近似公式：

电容与温度公式：

17、电阻：记住条形电阻的公式和电阻与温度的公式：

三、反相器

1、cmos反相器结构：

反相器是一个nmos与一个pmos相连，其中栅极相连，为输入端;漏极相连，为输出端。而pmos的源极和衬底接高电平，nmos的源极和衬底接低电平。

当输入为高电平的时候，对pmos而言，Vgs=0;对nmos而言，Vgs=VDD高电平，所以相当于pmos截止，nmos导通，相当于放电，对外显示低电平0;当输入为低电平的时候，对pmos而言，Vgs=-VDD高电平反向;对nmos而言，Vgs=0低电平，所以相当于nmos截止，pmos导通，相当于充电，对外显示高电平1。

2、直流特性：

在输入电压为0~VDD之间时，由于nmos与pmos相连，所以稳定状态下流过两者的电流势必是相等的，即IDN=IDP。

又因为连接方式，决定了有如下关系：

VGSN=Vin，VDSN=Vout

VGSP=Vin-VDD，VDSP=Vout-VDD

当改变输入电压的时候，根据不同的线性区和饱和区的电压，可以绘制出7个不同的区域，如下：

当 0≤Vin≤VTN，NMOS截止， PMOS线性，Vin在一定范围变化(0～VTN)， Vout始终保持VDD。

当VTN

当 Vout+VTP≤Vin≤Vout+VTN，NMOS饱和， PMOS饱和，VTC垂直下降，此时电流最大。

当Vout+VTN

当VDD≥Vin≥VDD+VTP，NMOS线性， PMOS截止，Vin在一定范围变化(VDD+VTP ～ VDD)， Vout始终保持0

理想VTC曲线：

(1)为输出高电平区

(2)、(3)、(4)为转变区

(5)为输出低电平区

其中(3)表现为垂线段

3、空穴迁移率约为电子的40%

4、直流噪声容限：允许的输入电平变化范围，在图上表示为斜率为-1的切线的切点的坐标

5、最大噪声容限：VNLM=Vit-0=Vit，VNHM=VDD-Vit，求其中最小值

6、在测试直流特性的时候，需要在vout处加上一个电容

7、负载电容：分三部分，即两个mos管的漏底电容CDBN和CDBP，互联线引起的电容CI和下级电路的输入电容Cin，最终可计算出公式为：

而面对级联电路，此时的Cin为全部的mos的栅电容构成，N为扇出系数

8、上升时间：输出电压从V10%上升到V90%的时间，tr表示：

9、下降时间：输出电压从V90%下降到V10%的时间，tf表示

10、上升延迟时间：输出信号下降到V50%的时间减去输入信号上升到V50%的时间，tpLH表示，计算式为：

其中CL为负载电容，题目中给出

11、下降延迟时间：输出信号上升到V50%的时间减去输入信号下降到V50%的时间，tpHL表示，计算式为：

其中CL为负载电容，题目中给出

12、平均延迟时间：上升延迟时间+下降延迟时间/2

如果要求是精确设计，可以通过如下公式：

参考值(W/L, CLref, tPref)

新的条件：C’L, t’P

设计:(W/L)’

13、MOS工艺中，将最小晶体管尺寸设为(W/L)=2/1

14、必须维持输入信号的时间大于电路的延迟时间

15、反相器级联的时候，会有：

f为环形振荡器电路的工作频率，tp为延迟时间，n为反相器级数(奇数)

16、最优化设计：全对称设计

VTN=-VTP，KN=KP

此时为了使K相等，会有LP=LN，WP=2.5WN

此时逻辑阈值、噪声容限、上升下降时间为

Vit=1/2VDD

VNLM=VNHM=1/2VDD

TPLH=TPHL

tr=tf

四、基本单元电路

1、两输入与非门结构特点：

由于pmos是低电平导通，相当于0到1;nmos是高电平导通，相当于1到0，所以可以认为，pmos是处理当输入为0的时候的上拉电路，而nmos是处理输入为1的时候的下拉电路，具体情况如下：

①两个pmos串联，相当于两个均为0的时候才输出1

②两个pmos并联，相当于任何一个为0的时候就输出1

③两个nmos串联，相当于两个均为1的时候才输出0

④两个nmos并联，相当于任意一个为1的时候就输出0

门电路便是通过这个原理实现的

2、与非门：

由真值表可以看出来，输出为1的情况有三个，即AB中任意一个为0的时候就会输出1，表示AB的两个pmos是并联的;同理，输出为0的情况只有一个，即AB必须同时为1的时候才输出0，表示AB两个的nmos是串联的，由此得到：

3、或非门：

由真值表可以看出来，输出为1的情况有一个，即AB同时为0时会输出1，表示AB的两个pmos是串联的;同理，输出为0的情况有三个，即AB任一个为1的时候输出0，表示AB两个的nmos是并联的，由此得到：

4、复杂逻辑门电路：

在处理复杂逻辑门电路的时候，可以分上拉电路和下拉电路来分别进行处理，这个时候，由于nmos只能够输出0，所以是下拉电路，处理的是表达式所有输出0的情况;而pmos智能输出1，所以是上拉电路，处理的是表达式所有输出为1的情况，可以认为：

如

nmos处理的是为0的情况，即取反后为一的情况：

可以看出来，A和B是并联的 ，然后结果与C串联，再与D并联，由此可以得到下拉电路：

两个接口，任意一个接地，另一个为输出。

同理，对pmos构成的上拉电路，处理的是为1的情况，我们需要将他化为和之积的情况，并且将所有的字母都变为取反的形式，如：

之所以需要将所有的字母变为取反的形式，是因为pmos处理的是输入为0的情况。由此我们可以看出来，A和B先串联，然后和C并联，最后与D串联，由此得到：

其中任意一个端口接高电平，另一个为输出。

5、每个输入同时接一个NMOS管和一个PMOS管的栅极，n个输入时，共有2n个MOS管

6、实现不带“非”的逻辑功能需要用互补CMOS门加一个反相器，或者是两级互补CMOS

7、对于两个mos管串联的情况，通过两个mos管的电流与通过其中任意一个mos管的电流是一样的，而又因为mos管工作的时候处于饱和区，由此可以列出如下等式，其中VX为两mos管交界处的电压：

最终计算出来的等效的Keff值有如下关系(宽长比同理)：

8、对两个mos管并联的情况，通过两个mos管的电流是通过其中任意一个mos管的电流的和，因为处于饱和区，所以可以有如下等式：

最终计算出来的等效Keff值为两个K的和(宽长比同理)：

9、等效反相器：将我们的上拉电路看做一个pmos，下拉电路看做一个nmos，此时整个电路被看做了一个简单的反相器，此时，便可以计算出与反相器一样的上升时间，下降时间，上升延迟，下降延迟，平均延迟以及Vit

10、最坏情况：上升时只有一个pmos管充电，下降时所有串联nmos放电，以与非门为例，此时有：

这是因为，上拉电路中等效的K值中，只有一个pmos是有效的;而对下拉电路的等效K值，所有串联的nmos都是有效的，此时K=KN/n，会变得相当小。由于要使上升延迟与下降延迟时间相等，将会对宽长比要求更高。

11、面积：宽*长的和

12、每增加一个输入变量，增加两个晶体管

13、用mos管实现传输门，类似于开关有两种方式：

①单mos管

②cmos传输门

14、单MOS管：开关闭合时，根据上级电路的输出对电容充放电，做为下级电路的输入。单管MOS断开时，下级输入不确定

nmos：

①双向导通

②当开关(栅极)为0的时候，下级电路输入不确定

③当上级输入为高电平的时候，下级电路实际输入为VDD-VTN

④当上级输入为低电平的时候，下级电路实际输入为0V

pmos：

①双向导通

②当开关(栅极)为0的时候，下级电路输入不确定

③当上级输入为高电平的时候，下级电路实际输入为VDD

④当上级输入为低电平的时候，下级电路实际输入为|VTP|

15、CMOS传输门：需要一对互补的控制信号，VC=VDD时，NMOS和PMOS都导通，CMOS传输门导通

16、动态cmos电路：由于我们的下拉电路取0的时候，只要上拉电路输出1，我们就可以实现一个门电路，于是就有了动态cmos电路：

下拉网络：逻辑块&增加 MN

上拉网络：MP

MN和MP受同一时钟控制， 上、下拉网络不会同时导通

每次需要一个时钟周期，分别作了预充与求值两件事：

①φ=0：

预充，MP将CL充电至VDD

②φ=1

求值，NMOS逻辑块决定下拉网络是否导通

下拉导通，CL放电至0V

下拉关闭，CL保持预充高电平

此时有：

17、比较：

①静态cmos：只要不断电，输出信息可以长久保持

②动态cmos：需要预充和求值：

预冲：利用电容的存储效应来预冲(一定时间段保持)

求值：只需要考虑下拉电路导通时的时延

优点：减小面积、提高速度

18、动态多米诺cmos电路：是一个级联电路，基于单一时钟，预充+求值两个过程。需要在级联之间加反相器。

五、数字集成电路子系统设计

1、随机存储器RAM：分静态存储器SRAM(cache)与动态存储器DRAM(内存)。

2、SRAM单元：

实际上就是两个反相器的交叉耦合：

以上中，BL和BL!分别是输入或输出数据的正值与反值。同理，D和D!分别是存储数据的正值与反值

读操作：假设D=0

①预充阶段：此时位线BL和BL!由敏感放大器电路充至 1/2 VDD;字线WL=0，传输开关M5和M6截止

②传输开关打开：此时字线WL=1

③读数据：M5导通，电流 i1 从 BL 流进，M6导通，电流 i2 流出到 BL!，敏感放大器迅速呈现和存储数据一样的状态

为了让数据不受干扰，保证：

①D处电压 < M3阈值电压

②D!处电压 > VDD - |VTP|，保持M2截止

最终，如图所示，BL为0，BL!为1：

写操作：位线将被写入单元中的数据初始化，BL = Data, BL! = Data!

字线WL=VDD，开关导通

充放电写入数据

3、DRAM单元：

只需要一个晶体管和一个电容器可以实现存储1bit。用电容取代双稳态电路，相当于用电容的电压来存储数据，因泄漏电流，电容信息会衰减，所以需要定时刷新。使用nmos当选中开关。

写操作：BL为待写入数据，WL为高电平，这个时候，如果输入为0，电容放电，存储逻辑0;若输入为1，电容充电，存储逻辑1，但不一定能够到达高电平，只能达到VG-VTN(开关的限定)

读操作：位线预充，字线选中，mos管导通，这个时候CBL和CC电荷共享，位线电压稍微发生变化，位线电压改变的幅度和极性符号与存储信息有关：

4、地址译码器：

具体情况如下：

其存储打开之后，可以看到是这么的一个情况：

在其中，接入了nmos管的是0，没有的是1

5、敏感放大器：主要有差分感应放大器和预充电电路两个部分。

读操作(加上敏感放大器)：

①预冲：φP升高，激活预充电电路，位线BL和BL!电压相等，φP降低

②位线电压差：字线WL升高，存储单元与位线BL和BL!相连，BL和BL!产生电压差

③敏感放大器工作：φS升高，放大器根据电压差，正反馈

6、ROM：只读存储器，断电后，信息不丢失;写：可编程ROM，如下所示，和地址译码器很像：

7、D锁存器：

当C=1，传输门1导通，传输门2截止;数据D传入更新Q、Q!

当C=0，传输门1截止，传输门2导通;Q和Q!保持

8、RS触发器：

R=1 & S=1，Q和Q!都为0，然而若R、S同时返回0，则输出不确定，即如图：

9、D触发器用于时序逻辑，如寄存器(级联电路，需要考虑同步);D锁存器用于组合逻辑(不需要考虑同步)

10、指令执行过程：

①取指令：程序计数器(PC)->待执行指令的位置，根据PC读出指令,送到IR

②指令译码：指令译码逻辑翻译指令信息(指令的类型、操作、操作数或操作数地址、计算结果的地址)，产生对应的控制信号

③取操作数：CPU按照指令译码阶段提取出来的地址，取出操作数送到ALU等运算器

④执行过程：运算器中的算术逻辑单元、移位器、乘法器等模块，对取来的操作数进行运算

⑤存运算结果：指令执行后的结果，根据指令要求，存到寄存器或存储器中

11、1位全加器：

公式如下：

真值表如下：

12、行波进位加法器：

进位产生信号G，进位传递信号P

13、超前进位加法器：

公式如下：

假设n位加法器可以分为k组，每组4位。则其中一组的进位输出逻辑可以表示为：

每组可以并行运算GG和GP，经过一级逻辑门就可以得到组进位输出信号。