CMOS集成电路简述

魏铭　王明月　张德慧

摘 要：随着控制、通信、人机交互和网络互联等新型电子信息技术的不断发展，传统工业设备融合了大量最新的电子信息技术，它们一起构成了庞大而复杂的系统派生出大量新兴的电子信息技术电子应用需求。近年来，集成电路设计技术、集成电路制造技术等飞速发展，对现代科学与技术的发展起到了巨大的推动和促进作用。本文简述了集成电路理论，以及CMOS相关知识。

关键词：CMOS 集成电路

一、集成电路发展

自从1958年诺贝尔物理学奖获得者—美国德州仪器公司工程师 Jack Kilby发明世界上第一块集成电路以来，集成电路一直在改变人们的生活。作为电子信息产品的核心部件，集成电路通常被誉为现代电子信息产品的“芯”脏。近年间，伴随着民用家电、PC和手机等电子信息产品的大规模普及，集成电路产业得到了飞速发展。具体来说，全球集成电路产业结构经历了3次较为重大的变革。

1、首次变革：以加工制造为主导。变革初期，集成电路设计与制造产业只作为企业的附属部门而存在，集成电路产品是为企业本身的电子系统产品而服务。此时，企业中对集成电路没有专业分工，企业所需掌握的集成电路技术十分全面，不但生产晶体管、集成电路，就连生产所需的设备都自己制造。至20世纪70年代，随着微处理器、存储器和标准逻辑电路等通用性集成电路产品的出现，集成电路制造商开始成为集成电路产业中的主角。但是，集成电路设计仍然只是作为附属部门存在，集成电路设计以人工为主，计算机辅助设计系统仅作为数据处理和图形编程之用。

2、第二次变革：以芯片代工厂和集成电路设计公司的专业分工为标志。20世纪80年代由于工艺设备产能提高，加之生产费用提高，使早期的集成电路制造商靠自身设计已无法保证设备满负荷运行和降低生产成本。相关厂家开始承接对外加工，继而由部分发展到全部对外加工。与此同时，也诞生了一种无生产能力的集成电路设计公司，其除了设计集成电路产品外，还负责IC产品的市场销售，其一般拥有集成电路产品的知识产权。此时，集成电路产业也进入以客户为导向的阶段，传统的标准化集成电路已难以满足客户对芯片的多方面要求，专用集成电路、可编程邏辑器件、全定制电路等芯片开始大量出现于集成电路市场，市场份额逐年递增。

3、第三次变革：以设计、制造、封装和测试等行业分离为标志。20世纪90年代，庞大的集成电路产业体系开始阻碍整个产业的快速发展，集成电路产业结构开始向高度专业化转变，渐渐划分出设计、制造、封装和测试等相对独立的行业分支。各行业相互分工合作大大推进了集成电路产业的高速发展。同时，各行业也展开了较大规模的人才竞争和资本竞争，在竞争中求突变、求发展。基于各行业分工，集成电路设计企业能大大加快产品的更新换代，并形成了很多具有长远影响力的新设计概念。

二、集成电路设计

1、条件：要有效开展集成电路设计需要具备4个关键条件，即人才、工具、工艺库和资金。

2、分类：集成电路的分类方法大致有五种：器件结构类型、集成规模、使用的基片材料、电路功能以及应用领域。根据器件的结构类型，通常将其分为双极集成电路、MOS集成电路和Bi-MOS集成电路。按集成规模可分为：小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路、特大规模集成电路和巨大规模集成电路。按基片结构形式，可分为单片集成电路和混合集成电路两大类。按电路的功能将其分为数字集成电路、模拟集成电路和数模混合集成电路。按应用领域划分，集成电路又可分为标准通用集成电路和专用集成电路。

3、设计方法：（1）自底而上的设计方法：自下而上的设计方法是集成电路系统的基本设计方法，能块划分和描述功能块的拓扑连接，直到用底层模块或部件来描述，当完成底层模块或部件的描述后，自下而上进行层次扩展和层次功能的仿真验证，从而完成整个系统的功能设计和验证。最后根据底层模块或部件的几何图形和拓扑关系完成布图设计和验证。（2）自顶而下的设计方法：“自顶向下”的设计步骤中，设计者首先需要进行行为设计以确定芯片的功能；其次进行结构设计；接着是把各子单元转换成逻辑图或电路图；最后将电路图转换成版图，并经各种验证后以标准版图数据格式输出。（3）其他设计方法：随着集成电路工艺、设计与制造技术水平的不断提高以及市场竞争周期的缩短，大量集成电路设计摆脱了由电路系统到芯片的传统路径。取而代之的是直接为不同市场需求进行集成电路的设计，并使这些集成电路成为相应电子产品或设备中的核心部件，SoC就是其中较为典型的代表。

三、CMOS工艺

1、背景：CMOS电路设计是1963年由 Frank Wanlass在仙童半导体公司发明的。用分立互补的MOS元件，即一个NMOS晶体管和一个PMOS晶体管可以构成电路的想法，在当时是很新颖的。

2、比较：数字集成电路根据晶体管特性可以分为两种：TTL和CMOS两大类。TTL数字集成电路优点是速度快，CMOS数字集成电路则以功耗低见长。CMOS数字集成电路的出现时间比TTL集成电路晚，但是其以较高的优越性在很多场合逐渐取代了TTL数字集成电路，成为目前应用最广泛的数字集成电路。相较两者性能：①功耗：CMOS是场效应管构成，TTL为双极晶体管构成，CMOS电路的单门静态功耗在毫微瓦数量级。②工作范围和逻辑摆幅：CMOS的逻辑电平范围比较大，TTL只能在5V下工作。③抗干扰能力：CMOS的高低电平之间相差比较大、抗干扰性强，TTL则相差小，抗干扰能力差。④工作频率与速度：CMOS的工作频率较TTL略低，但是高速CMOS速度与TTL差不多相当。

3、版图设计： 版图设计是指根据芯片的电气要求和封装要求，按照指定的工艺设计规则，进行布局布线，将电路图或者设计代码转化成为包含各种几何图形的光掩膜版数据。光掩膜厂根据这些光掩膜版数据制作光掩膜版。代工厂再利用这些光掩膜版通过光刻、刻蚀、氧化、离子注入和沉积等工艺，在空白的晶圆上制作对应的芯片。对于器件来说，它的版图是很多包含了几何图形的图层组合，这些图层包含了光掩膜版和标示层，标示层用于在DRC和LVS检查中定义器件类型。在每一层中对图形的大小和图形的间距有严格的要求，在不同的图形层之间，对于图形的相对位置及对准也有严格的要求，这些要求称为版图设计规则，由代工厂提供。版图与芯片的实际结构及生产过程具有直接的关系，通常又把版图设计称为物理设计。由此可见，版图设计是连接电路设计和芯片制造的桥梁，是集成电路设计与制造过程中必不可少的重要环节。

版图设计包括全定制版图设计和半定制版图设计。全定制版图设计方法是指基于晶体管级的设计方法，所有器件和互连的版图都由版图设计工程师用版图设计软件手工输入。模拟电路、存储器、输人/输出电路和高频电路的版图常用全定制版图设计方法。全定制版图设计方法的优点是设计灵活，可以根据工艺特性获得最小的版图面积和最优的设计性能，缺点是设计的人力成本和时间成本很高。

结束语：大大加强加快我国集成电路设计人才已经成为电子技术与电子工程等学科专业的重要任务。面对科技飞速发展的今天，相信中国会在信息时代的推动下，迎向集成电路更美好的明天。

参考文献：

[1]张金艺.数字系统集成电路设计导论.清华大学出版社.2017

[2]R.JACOB BAKER.CMOS集成电路设计手册.人民邮电出版社.2014