集成电路设计研究方向范文

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篇1

1.引言

集成电路产业是最能体现知识经济特征的高技术产业[1]。以集成电路为主要技术的微电子产业的高度发展促进了现代社会的电子化、信息化、自动化，并引起了人们社会生活的巨大变革。集成电路布图设计（以下简称版图设计）在集成电路设计中占有十分重要的作用。版图设计是指集成电路中至少有一个是有源元件的两个以上元件和部分或者全部互连线路的三维配置，或者为制造集成电路而准备的上述三维配置[2]。集成电路芯片流片成本高，必须保证较高的成品率，版图设计人员应具有扎实理论基础和丰富的实践经验。典型芯片是经过实践检验性能优越，所以，通过研究已有的典型芯片版图是提高设计能力的有效途径。

版图设计是在一定的工艺条件基础上根据芯片的功能要求而设计的。目前，集成电路的主要工艺有三种，分别是双极工艺、CMOS工艺和BICMOS工艺[3][4]。其中CMOS工艺芯片由于功耗低、集成度高等特点而应用最广泛，所以，研究CMOS工艺芯片版图具有更重要的意义。

本文对CD4011B芯片进行了逆向解析，通过研究掌握了该芯片的设计思想和单元器件结构，对于提高CMOS集成电路设计水平是十分有益的。

2.芯片分层拍照

3.单元结构

4.电路图和仿真

5.结论

本文采用化学方法对CD4011B芯片进行了分层拍照，提取了电路图，仿真验证正确。从芯片的版图分析，该芯片采用NMOS场效应晶体管、PMOS场效应晶体管、PN结二极管和基区电阻等器件单元，四个与非门版图一致且对称布局。该芯片采用典型的CMOS工艺，为了节省面积采用叉指场效应晶体管，输入和输出端采用防静电保护结构。电路为典型的CMOS与非门电路。该芯片的版图布局体现了设计的合理性和科学性。

参考文献

[1]雷瑾亮，张剑，马晓辉.集成电路产业形态的演变和发展机遇[J].中国科技论坛，2013，7：34-39.

[2]汪娣娣，丁辉文.浅析我国集成电路布图设计的知识产权保护——我国集成电路企业应注意的相关问题[J].半导体技术，2003，28：14-17.

[3]朱正涌，张海洋，等.半导体集成电路[M].北京：清华大学出版社，2009.

[4]曾庆贵.集成电路版图设计[M].北京：机械工业出版社，2008.

[5]王健，樊立萍.CD4002B芯片解析在版图教学中的应用[J].中国电力教育，2012，31：50-51.

[6]Hastings，A.模拟电路版图的艺术[M].北京：电子工业出版社，2008.

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1.引言

随着我国微电子产业的蓬勃发展，集成电路自主设计需求迅速增加[1][2]。集成电路设计分为正向设计和逆向设计[3]。正向设计是根据芯片的功能要求设计电路，仿真验证后进行版图设计，再进行设计规则检验、电路和版图比较检验，最后进行后仿真检验。逆向设计是首先对已有的芯片采用化学方法进行分层拍照和提取纵向参数。从版图照片上提取电路，仿真验证后，根据现有的工艺条件，借鉴解析版图进行版图设计，最终达到指标要求[4]。集成电路版图设计是科学性和艺术性的结合，需要长期的实践才能设计出优秀产品，为了节约成本和学习先进经验，经常需要研究性能优良芯片的版图结构，相互借鉴，提高产品质量。

本文对SN7400芯片进行了逆向解析，通过研究掌握了该芯片的设计思想和单元器件结构，对于双极型集成电路设计是十分有益的。

2.芯片分层拍照

本文解析的SN7400芯片是双列直插式塑料封装，共14个管脚，包含四个二输入与非门。根据芯片编号规则判断为双极工艺制造。

首先将芯片放到浓硝酸中加热去掉封装，用去离子水冲洗、吹干后在显微镜下拍照铝层照片。再将芯片放到盐酸溶液中漂洗去掉铝层，用去离子水冲洗、吹干后放到氢氟酸溶液中去掉二氧化硅层，经去离子水冲洗、吹干后用染色剂染色，杂质浓度高部分颜色变深，冲洗、吹干后在显微镜下对去铝层（有源层）芯片拍照[5]。

采用图形编辑软件分别对两层照片进行拼接，获得版图照片。

3.单元结构

有铝层和去铝层照片表明芯片四个二输入与非门结构相同，只要分析一个与非门即可。该芯片一个二输入与非门无铝版图照片如图1所示。其中1A和1B为输入端，1Y为输出端。

该芯片是P衬底和N外延层，与非门主要由NPN晶体管、电阻和二极管构成。NPN晶体管结构如图2所示。

图2（a）和（b）分别为纵向NPN晶体管版图和剖面图。纵向NPN晶体管由于性能比PNP晶体管好，因此是双极工艺的主要使用晶体管。隔离区为P+注入，采用结隔离技术，隔离区接低电平，保证隔离区反偏[6]。图2（c）为二发射极NPN晶体管版图，作为与非门的输入端，这种设计既减少了面积又提高了输入晶体管匹配度。图2（d）为隔离岛合并器件版图，是由一个NPN晶体管、一个二极管和一个基区电阻构成，该设计减少了版图面积和寄生参数。

图3为电阻和二极管版图。图3（a）为基区电阻的版图，集成电路电阻的阻值是通过方块电阻计算的，基区方块电阻典型值为100～200Ω/，电阻越长阻值越大，电阻越宽阻值越小。图3（b）为二极管版图，外延层隔离岛为N区，隔离区为P区。

4.电路图和仿真

根据SN7400芯片的铝层和去铝层版图照片提取了一个二输入与非门电路如图4（a）所示。采用Pspice软件对电路图进行瞬态仿真，其中电源电压为5V，输入信号高电平为3.5V，低电平为0.2V，仿真结果如图4（b）所示。结果表明该电路实现了与非门的逻辑功能，电路提取正确。

5.结论

本文采用化学方法对SN7400芯片进行了分层拍照，提取了电路图，仿真验证正确。从芯片的版图分析，该芯片采用NPN晶体管、PN结二极管和基区电阻等器件单元，四个与非门版图一致且对称布局。该芯片采用典型的双极工艺，为了节省面积采用共用隔离区方法，为提高匹配度采用多发射极晶体管。电路为典型的TTL与非门电路。该芯片的版图布局体现了设计的合理性和科学性。

参考文献

[1]雷瑾亮，张剑，马晓辉.集成电路产业形态的演变和发展机遇[J].中国科技论坛，2013，7：34-39.

[2]汪娣娣，丁辉文.浅析我国集成电路布图设计的知识产权保护——我国集成电路企业应注意的相关问题[J].半导体技术，2003，28：14-17.

[3]朱正涌，张海洋，等.半导体集成电路[M].北京：清华大学出版社，2009.

[4]曾庆贵.集成电路版图设计[M].北京：机械工业出版社， 2008.

[5]王健，樊立萍.CD4002B芯片解析在版图教学中的应用[J].中国电力教育，2012，31：50-51.

[6]Hastings，A.模拟电路版图的艺术[M].北京：电子工业出版社，2008.

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中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）06-0153-02

目前，集成电路设计公司在招聘新版图设计员工时，都希望找到已经具备一定工作经验的，并且熟悉本行业规范的设计师。但是，IC设计这个行业圈并不大，招聘人才难觅，不得不从其他同行业挖人才或通过猎头公司。企业不得不付出很高的薪资，设计师才会考虑跳槽，于是一些企业将招聘新员工目标转向了应届毕业生或在校生，以提供较低薪酬聘用员工或实习方式来培养适合本公司的版图师。一些具备版图设计知识的即将毕业学生就进入了IC设计行业。但是，企业通常在招聘时或是毕业生进入企业一段时间后发现，即使是懂点版图知识的新员工，电路和工艺的知识差强人意，再就是行业术语与设计软件使用不够熟练、甚至不懂。这就要求我们在版图教学时渗入电路与工艺等知识，使学生明确其中紧密关联关系，树立电路、工艺以及设计软件为版图设计服务的理念。

一、企业对IC版图设计的要求分析

集成电路设计公司在招聘版图设计员工时，除了对员工的个人素质和英语的应用能力等要求之外，大部分是考查专业应用的能力。一般都会对新员工做以下要求：熟悉半导体器件物理、CMOS或BiCMOS、BCD集成电路制造工艺；熟悉集成电路（数字、模拟）设计，了解电路原理，设计关键点；熟悉Foundry厂提供的工艺参数、设计规则；掌握主流版图设计和版图验证相关EDA工具；完成手工版图设计和工艺验证[1，2]。另外，公司希望合格的版图设计人员除了懂得IC设计、版图设计方面的专业知识，还要熟悉Foundry厂的工作流程、制程原理等相关知识[3]。正因为其需要掌握的知识面广，而国内学校开设这方面专业比较晚，IC版图设计工程师的人才缺口更为巨大，所以拥有一定工作经验的设计工程师，就成为各设计公司和猎头公司争相角逐的人才[4，5]。

二、针对企业要求的版图设计教学规划

1.数字版图设计。数字集成电路版图设计是由自动布局布线工具结合版图验证工具实现的。自动布局布线工具加载准备好的由verilog程序经过DC综合后的网表文件与Foundry提供的数字逻辑标准单元版图库文件和I/O的库文件，它包括物理库、时序库、时序约束文件。在数字版图设计时，一是熟练使用自动布局布线工具如Encounter、Astro等，鉴于很少有学校开设这门课程，可以推荐学生自学或是参加专业培训。二是数字逻辑标准单元版图库的设计，可以由Foundry厂提供，也可由公司自定制标准单元版图库，因此对于初学者而言设计好标准单元版图使其符合行业规范至关重要。

2.模拟版图设计。在模拟集成电路设计中，无论是CMOS还是双极型电路，主要目标并不是芯片的尺寸，而是优化电路的性能，匹配精度、速度和各种功能方面的问题。作为版图设计者，更关心的是电路的性能，了解电压和电流以及它们之间的相互关系，应当知道为什么差分对需要匹配，应当知道有关信号流、降低寄生参数、电流密度、器件方位、布线等需要考虑的问题。模拟版图是在注重电路性能的基础上去优化尺寸的，面积在某种程度上说仍然是一个问题，但不再是压倒一切的问题。在模拟电路版图设计中，性能比尺寸更重要。另外，模拟集成电路版图设计师作为前端电路设计师的助手，经常需要与前端工程师交流，看是否需要版图匹配、布线是否合理、导线是否有大电流流过等，这就要求版图设计师不仅懂工艺而且能看懂模拟电路。

3.逆向版图设计。集成电路逆向设计其实就是芯片反向设计。它是通过对芯片内部电路的提取与分析、整理，实现对芯片技术原理、设计思路、工艺制造、结构机制等方面的深入洞悉。因此，对工艺了解的要求更高。反向设计流程包括电路提取、电路整理、分析仿真验证、电路调整、版图提取整理、版图绘制验证及后仿真等。设计公司对反向版图设计的要求较高，版图设计工作还涵盖了电路提取与整理，这就要求版图设计师不仅要深入了解工艺流程；而且还要熟悉模拟电路和数字标准单元电路工作原理。

三、教学实现

1.数字版图。数字集成电路版图在教学时，一是掌握自动布局布线工具的使用，还需要对UNIX或LINUX系统熟悉，尤其是一些常用的基本指令；二是数字逻辑单元版图的设计，目前数字集成电路设计大都采用CMOS工艺，因此，必须深入学习CMOS工艺流程。在教学时，可以做个形象的PPT，空间立体感要强，使学生更容易理解CMOS工艺的层次、空间感。逻辑单元版图具体教学方法应当采用上机操作并配备投影仪，教师一边讲解电路和绘制版图，一边讲解软件的操作、设计规则、画版图步骤、注意事项，学生跟着一步一步紧随教师演示学习如何画版图，同时教师可适当调整教学速度，适时停下来检查学生的学习情况，若有错加以纠正。这样，教师一个单元版图讲解完毕，学生亦完成一个单元版图。亦步亦趋、步步跟随，学生的注意力更容易集中，掌握速度更快。课堂讲解完成后，安排学生实验以巩固所学。逻辑单元版图教学内容安排应当采用目前常用的单元，并具有代表性、扩展性，使学生可以举一反三，扩展到整个单元库。具体单元内容安排如反相器、与非门/或非门、选择器、异或门/同或门、D触发器与SRAM等。在教授时一定要注意符合行业规范，比如单元的高度、宽度的确定要符合自动布局布线的要求；单元版图一定要最小化，如异或门与触发器等常使用传输门实现，绘制版图时注意晶体管源漏区的合并；大尺寸晶体管的串并联安排合理等。

2.模拟版图。模拟集成电路版图设计更注重电路的性能实现，经常需要与前端电路设计工程师交流。因此，版图教学时教师须要求学生掌握模拟集成电路的基本原理，学生能识CMOS模拟电路，与前端电路工程师交流无障碍。同时也要求学生掌握工艺对模拟版图的影响，熟练运用模拟版图的晶体管匹配、保护环、Dummy晶体管等关键技术。在教学方法上，依然采用数字集成电路版图的教学过程，实现教与学的同步。在内容安排上，一是以运算放大器为例，深入讲解差分对管、电流镜、电容的匹配机理，版图匹配时结构采用一维还是二维，具体是如何布局的，以及保护环与dummy管版图绘制技术。二是以带隙基准电压源为例，深入讲解N阱CMOS工艺下双极晶体管PNP与电阻匹配的版图绘制技术。在教学时需注意晶体管与电阻并联拆分的合理性、电阻与电容的类型与计算方法以及布线的规范性。

3.逆向版图设计。逆向集成电路版图设计需要学生掌握数字标准单元的命名规范、所有标准单元电路结构、常用模拟电路的结构以及芯片的工艺，要求学生熟悉模拟和数字集成单元电路。这样才可以在逆向提取电路与版图时，做到准确无误。教学方法同样还是采用数字集成电路版图教学流程，达到学以致用。教学内容当以一个既含数字电路又含模拟电路的芯片为例。为了提取数字单元电路，需讲解foundry提供的标准单元库里的单元电路与命名规范。在提取单元电路教学时，说明数字电路需要归并同类图形，例如与非门、或非门、触发器等，同样的图形不要分析多次。强调学生注意电路的共性、版图布局与布线的规律性，做到熟能生巧。模拟电路的提取与版图绘制教学要求学生掌握模拟集成电路常用电路结构与工作原理，因为逆向设计软件提出的元器件符号应该按照易于理解的电路整理，使其他人员也能看出你提取电路的功能，做到准确通用规范性。

集成电路版图设计教学应面向企业，按照企业对设计工程师的要求来安排教学，做到教学与实践的紧密结合。从教学开始就向学生灌输IC行业知识，定位准确，学生明确自己应该掌握哪些相关知识。本文从集成电路数字版图、模拟版图和逆向设计版图这三个方面就如何开展教学可以满足企业对版图工程师的要求展开探讨，安排教学有针对性。在教学方法与内容上做了分析探讨，力求让学生在毕业后可以顺利进入IC行业做出努力。

参考文献：

[1]王静霞，余菲，赵杰.面向职业岗位构建高职微电子技术专业人才培养模式[J].职业技术教育，2010，31（14）：5-8.

[2]刘俐，赵杰.针对职业岗位需求？摇探索集成电路设计技术课程教学新模式[J].中国职业技术教育，2012，（2）：5-8.

[3]鞠家欣，鲍嘉明，杨兵.探索微电子专业实践教学新方法-以“集成电路版图设计”课程为例[J].实验技术与管理，2012，29（3）：280-282.

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1 引言

Cache的设计是芯片集成电路设计重要的一部分。高效、快速的SRAM一直以来都是集成电路设计者始终追求的目标。

对于SRAM存储单元来说，它第一个必须具备的优点就是高稳定性，这样才能保证存储体进行正确的读、写操作。在0.18u工艺、0.13u工艺，6T单元具有很好的稳定性，而且由于它面积小的特点，一直备受设计者的青睐。但是，随着CMOS工艺尺寸的发展，在进入65nm、45nm、32nm甚至22nm之后，6管SRAM由于其存储结构的特点，数据输出皆是通过敏感放大器检测位线电压差，并将电压差进行放大输出。但是随着工艺尺寸的缩小和电源电压的降低，6管存储单元的稳定性越来越差，抗噪声能力越来越弱，使得敏感器的开启与关断时间很难控制，而且时常会发生位线的一个噪声电压被敏感放大器放大输出的错误操作。由寄存器组合成的存储模块其面积和功耗是所有低功耗设计者的噩梦。

本文通过实际工程项目中出现的问题，由于6TSRAM和寄存器组成的SRAM在后端物理设计当中出现面积、功耗和时序的问题制约了芯片性能的提升，用8TSRAM进行全定制设计替代芯片中的部分存储模块，最后进行数据对比证明了8TSRAM在纳米级工艺下的重要作用。

2 电路设计

2.1 写路径

写IO模块由32个1倍的DFF和64个4倍的反相器组成，写数据在写门控时钟WCLK控制下，产生WBL以及WBLB，在写字线WWL控制下写入存储单元。

2.2 读路径

IO读出电路分为全局与局部两级电路进行读出，每根局部读位线上挂8个cell，一个局部读出单元电路对两根局部位线进行预充，局部IO电路是16选1。

2.3 时钟模块

图1为时钟模块修改后电路图。为解决写时序中写字线先于写数据稳定的问题，适当推迟写译码时钟WCLK_DEC（推迟约90ps）的开启时间，且不推迟写译码时钟的关断时间（防止字线产生毛刺）；为解决读时序中读出数据存在毛刺的问题，适当推迟求值时钟RCLK_D（推迟约20ps）的开启时间。

3 版图设计

版图结构按功能进行划分，主要包括以下几个部分：中间部分从上至下依次为读写地址二级译码、读写地址预译码、读写地址锁存器、时钟模块；左右两侧为阵列模块，阵列cell中间为Local IO模块，阵列下面依次为Global IO模块、Write IO模块。

整个版图左右两边为阵列，中间为译码及时钟，左右两边距离边界阱不小于1.3um；整个版图上下各加一行DCAP单元，高度为1.68um。图2是存储器的版图布局规划图，下面分别对这几个部分进行说明：

3.1 阵列模块

阵列位于整个存储器的左右两边，由32个32位cell单元组成，阵列左边和右边各有32×16个cell单元，其中上下各有16×16个。

3.2 时钟模块

为减缓电路电压的波动，时钟模块被DCAP单元包围；为减小时钟线上电流密度，时钟线线宽加宽至0.08um；为降低时钟线的耦合串扰，时钟线尽量不与除电源地线外的长线互连线并行走线或者加大与信号线间的间距，尽量被电源线或者地线包围。

4 面积、时序和功耗

TPSRAM32X32的版图面47um×63um，在TSMC40G的WC和WCL工艺拐角下频率可达到1.8GHz，时钟信号的最小脉冲宽度为200ps，在TSMC40G的TC和LT工艺拐角下时钟信号的最小脉冲宽度为130ps。

5 结论

在40nm工艺下，由于电源电压的降低，6T结构SRAM为了保证读操作的正确性，每一代工艺迁移晶体管尺寸的减小都有限，尤其是从45nm工艺迁移到32nm工艺，6T结构的下拉N管尺寸几乎没改变，所以面积也会大于8T结构。

在功耗方面亚阈值漏电流的计算公式如下：

可知，亚阈值漏电流与尺寸大小关，在40nm下8T结构可以选用更小尺寸的下拉管接地，从而有效减少漏电流。

最终的数据结果比对可以查看表1、表2。

参考文献

[1]E.J.Marinisen，B.Prince，D.Ketel-Schulz，etal.Challenges in Embedded Memory Design and Test[C].Proceedings of Desgin.Automation and Test in Europe，2005：722-727.

[2]S.Kundu，etal.Test Challenges in Nanometer Technologies[J].J.ElectronicTesting：Theory and Applications，2001，17（3/4）：209-218.

[3]赛普拉斯36-Mbit和18Mbit容量的四倍速和双倍速SRAM[EB/OL].

[4]Y.Morita et al.An Area-Conscious Low-Voltage-Oriented 8T-SRAM Design under DVS Environment[J].Digest of Tech.Papers，Symp.VLSI Circuits，2007：256-257.

[5]M.A.Turi，J.G.Delgado-Frias et al.High-Performance Low-Power SelectivPrecharge Schemes for Address Decoders[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems，2008，55（9）.

[6]K.Zhang et al.A 3-GHz 70-Mb SRAM in 65nm CMOS technology with integrated column-based dynamic power supply[J].EEE J.Solid-State Circuits，2006：146-151.

[7]C.T.Chuang，S.Mukhopadhyay，J.J.Kim，K.Kim.High-Performance SRAM in NanoscaleCMOS：Design Challenges and Techniques[J].EEE JSSCC，2007：4-12.

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A CMOS Oscillator used in High-fidelity Class D Audio Amplifier

HE Qin，WANG Dan

（School of Information Science & Technology，Southwest Jiaotong University，

Chengdu 610031， China）

Abstract: A CMOS Oscillator is proposed in this paper，which can be used in a low-EMI filter-less Class D audio amplifier. This oscillator is made up of a comparator with internal positive feedback and used for conventional PWM modulation of audio signal. We can get a high resolution CMOS RC oscillator using this structure，which could be less independent of the voltage and temperature variation. The simulation results shows that this RC oscillator have a more stable frequency.

Keywords: Oscillator，Class D audio amplifier，hysteretic comparator

振荡器作为现代电子系统的重要组成部分，被广泛应用于时钟同步电路、 无线通信收发器中的频率综合器、光通信中的时钟恢复电路(CRC，clock recovery circuit )，以及多相位采样电路中[1]。振荡器按实现电路元件分为RC振荡器、LC振荡器和石英晶体振荡器[2]。

设计集成芯片内部的振荡电路的关键在于产生振荡信号频率的稳定性，它要求芯片不随工艺、 温度、 电源电压的变化而变化[3]。本文采用内部正反馈的迟滞比较器设计了一种高稳定性宽电压范围的振荡器。该振荡器可以广泛使用在D类音频放大器中。

1 电路设计与原理分析

1.1 振荡器系统电路结构及原理

振荡器采用恒流源充放电技术，即利用恒定电流源提供的灌电流和拉电流分别对电容进行充电和放电。振荡器的等效电路如图1所示。

当振荡器工作时，通过OPA的钳位可以得到R4上端电压等于R3上的端电压，并由此产生一个恒定电流

IR4=■(1)

这个电流通过电流镜的结构镜像出去，作为充放电的电流并产生两个比较器的高低比较电平

UA=IR4(R5+R6)(2)

UB=IR4R5(3)

通过电流镜的宽长比的比值可以得到充放电的电流是相等的，即产生的三角波信号上升和下降的时间是相等的。此电流为

ICharge=Idischarge=■IR4(4)

分析充放电的过程，假设使能开启使OSC工作，运放和比较器很快进入工作状态，比较的高低电平很快建立起来，输入至比较器。此时，电容上没有电荷，电压为零，与A和B比较，两个比较器分别输出高电平和低电平。

通过锁存器的工作使C为低电平，开启MP7给电容充电。当USAW大于B电平时，比较器COMP2翻转输出高电平，由于锁存器低电平触发，所以C维持低电平继续给电容充电，直到USAW的电平达到A点电平时，COMP1比较器输出低电平，触发C信号翻转输出高电平，电容开始放电，USAW的电平马上低于A点电平，比较器COMP1恢复输出高电平，如此循环往复的工作。所以USAW的输出正常工作之后是介于电平A和B之间的。

根据前面的公式推导，可以推出其周期公式。这里可以分两部分来分析

C=■(5)

C1(UA-UB)=■×IR4×T1(6)

T1=■(7)

结合公式(1)、(2)、(3)、(4)可得

T1=2C1R6(8)

由于OSC的充放电时间相等，所可以得到振荡器的周期为

T=2T1=4C1R6(9)

1.2 运放OPA

此OPA电路是采用折叠式共源共栅结构，如图2所示，所以即使运放只有一级，在增益上还是可以满足电路的设计要求。

等效输出电阻

ROUT=[gm(MP9)ro(MP9)ro(MP6)]×[gm(MN9)ro(MN9)(ro(MN6)//ro(MP11))]

(10)

运放的增益为

ADB=g(MP11)×ROUT(11)

由于运放的输出电阻ROUT及电容C1很大，所以在输出端产生了一个低频的主极点。

该主极点为

P=■(12)

1.3 比较器COMP

根据电路分析得，比较器COMP1为一级运放，采用了高速比较器结构，如图3所示。同时此结构也可以对电路的等效跨导增强，提高比较器的增益。

2 电路的仿真结果与分析

图4为振荡器仿真结果，表1为在不同电源电压及温度下振荡频率值。由表1可以得出该振荡器的频率受电源电压的影响比较小，随着温度上升则频率增大，不同的process corner下频率也不同。但是其波动范围都在电源管理芯片以及音频放大器芯片应用范围之内。

3 结束语

本文采用具有内部正反馈的迟滞比较器的结构，设计了一种基于 CMOS工艺的

高性能高稳定性的振荡器。 该振荡器对电压、温度、工艺偏差具有较强的容忍度。经过仿真验证结果表明，该振荡器完全适用于D类音频放大器，DC/DC等芯片中。

参考文献

[1] 黄可，冯全源.一种基于BCD工艺的高性能振荡器的设计 微电子学，2009，39(5).

[2] 李展，冯炳军.一种基于内部迟滞比较器的新型RC振荡器[J] 微电子学，2009，32(1): 41-48.

[3] 李俊宏，李平，胥锐.一种 基于标准CMOS工艺的低成本振荡器的设计[J ] . 微电子学，2007，37 (4) : 543-547.

[4] 陈巨，鲁斌，王晓蕾. 消费类芯片RC振荡器的分析与设计[J]. 中国集成电路，2005，(09) .

[5] 余清华，宋健，代杰. 一种基于恒压源充放电的高精度张弛振荡器的设计[J]. 电子世界，2011，(09) .

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中图分类号:TN722.7文献标识码:B

文章编号:1004-373X(2010)02-010-02

Design of Linear High Voltage Amplifier Based on Power MOSFET

ZHANG Hao1,WANG Lixin1,LU Jiang1,LIU Su2

(1.The Institute of Microelectronics,Chinese Academiy of Sciences,Beijing,100029,China;

2.School of Physical Science and Technology,Lanzhou University,Lanzhou,730000,China)

Abstract:In order to achieve the linear control of high_voltage output in operational amplifier,based on the electrical properties of power MOSFET,a high_voltage operational amplifier is designed with new structure with power NMOS.Through simulation and experimental results,the linear output voltage is 0~50 V can be achieved,when the range of the input voltage is 0～5 V.And with the further improvement by utilizing power PMOS,the output voltage is -140～+140 V can be acquired,which indicates the high linearity,and with low cost,the needs of high voltage operational amplifier can be met.There is significance in the high power driving of modern communication.

Keywords:power MOSFET;linear high voltage;operational amplifier;power drive

0 引 言

高电压放大器已经广泛应用于通信、信号检测、功率驱动等方面\,并且已成为下一代无线通信系统的关键技术之一。采用各种手段和方法实现放大器高效率且高线性度的工作,对于未来无线移动通信技术的发展和实现有着十分重大的实际意义。

功率场效应晶体管具有跨导高,漏极电流大,工作频率高和速度快等特点,线性放大的动态范围大,在有较大的输出功率时也能有较高的线性增益。这里成功应用功率场效应晶体管设计出一种高压运算放大器。该放大器的制作成本低廉,输出线性可控,适用范围广。

1 功率MOS器件结构与分析

功率MOS场效应晶体管是在MOS集成电路工艺基础上发展起来的新一代电力开关器件,具有输入阻抗高,驱动电路简单,安全工作区宽等优点\。图1给出功率MOS晶体管的结构剖面图及其电学特性曲线。采用双扩散结构\制作适合用作功率器件的短沟道高压晶体管,需要短的重掺杂背栅和宽的轻掺杂漂移区。由于外延层厚度决定了漂移区的宽度,因此也决定了晶体管的工作电压,其漏源电压公式为\:

VDS=(RJEFT+RACC+RFP)IMOS+Vf(1)

式中:RJFET为结型场效应管电阻;RACC为N-层表面电子积累层电阻;RFP为外延层电阻;IMOS为反型沟道电流;Vf为沟道压降。

图1 功率MOS结构图及电学特性

2 电路设计

高压运算放大器电路主要由运算放大器和功率场效应晶体管组成\,其结构原理图如图2所示。

图2 高压运算放大器电路图

所设计的电路中使用价格低廉的运放LM358和NMOS功率管IRF630构成负反馈回路\,双极晶体管C8050和电阻R4实现过载保护\,防止流过IRF630的电流过大,整个电路为反比例放大电路,R2为反馈电阻,其输入和输出的关系式为:

Vout=-(VinR2)/R1(2)

3 实验结果及分析

根据图2制作试验电路板如图3所示。供应电压为60 V,R11.963 kΩ,R220 kΩ,放大倍数约为10.19。当输入电压为0～5 V时,先用EDA软件对电路进行模拟仿真,然后对电路板进行测量,并进行比较,结果如表1所示。

图3 实验电路板

表1 输出电压的模拟结果与测量结果V

输入电压值仿真输出测量输出输入电压值仿真输出测量输出

0- 0.18- 1.52.5 -25.51-26.4

0.1 - 1.05- 2.13.0 -30.60-31.6

0.5 - 5.13- 6.23.5 -35.69-36.7

1.0 -10.22-10.94.0 -40.79-41.8

1.5 -15.32-16.14.5 -45.88-47.5

2.0 -20.41-21.35.0 -50.98-52.8

由表1可画出输入/输出关系变化图形,如图4所示。从表1和图4中可以看出,模拟结果和测量结果存在误差,误差ε=-1.095,这是因为测量精度和器件自身精度的误差所引起的。当输入电压从0 V扫描到5 V时,得到等比例的放大输出电压,且呈线性变化,能够实现输入电压对输出电压的线性控制,具有很好的驱动能力。

图4 电路输入/输出变化图

根据以上分析,用PMOS功率管进一步改进电路,和用NMOS管构成一种推挽结构\的输出电路,可以满足输入正负电压的要求,如图5所示。若选用耐压350 V的NMOS功率管IRF713和耐压300 V的PMOS功率管IRF9631,以及晶体管Q1,Q2和电阻R4,R5构成过载保护电路,则选取R2=280 kΩ,R1=10 kΩ,对电路进行仿真,输入电压范围是-5～+5 V。当输入电压为负压时,PMOS管导通,NMOS管截止,输出为正电压;当输入电压为正压时,NMOS管导通,PMOS管截止,输出为负电压。输入/输出的线性关系如图6所示,电压输出为+140～-140 V,可实现高压的双极性线性等比例放大输出。

图5 改进的线性高压运算放大器

图6 输入/输出线性关系图

4 结 语

利用功率场效应晶体管的电学特性,并运用反馈运放的基本原理成功设计了高压运算放大器。实验结果和模拟结果验证了所设计的电路输出电压线性度高,能够对高压进行有效的线性控制。选择耐压高的功率管,可以实现更高电压的线性输出,达到高压驱动的要求,电路结构简单,制作成本低,可以满足不同领域的要求,且具有很高的实用价值。

参考文献

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[3]Liu Sanqing,Cao Guangjun,Ying Jianhua,et al.Design of Double Diffused Structure Power ICs\.IEEE Semiconductor Conference\.1995:363_365.

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[9]朱正涌.半导体集成电路\.北京:清华大学出版社,2001.

篇7

复旦大学“微电子学与固体电子学”学科有半个多世纪的深厚积累。20世纪50年代，谢希德教授领导组建了全国第一个半导体学科，培养了我国首批微电子行业的中坚力量。60年代研制成功我国第一个锗集成电路。1984年，经国务院批准设立微电子与固体电子学学科博士点，1988年、2001年、2006年被评为国家重点学科。所在一级学科于1998年获首批一级博士学位授予权，设有独立设置的博士后流动站和长江特聘教授岗位，建有“专用集成电路与系统”国家重点实验室，1998年和2003年被列入“211”工程建设学科，2000年被定为“复旦三年行动计划”重中之重学科得到学校重点支持，2005年获“985工程”二期支持，建设“微纳电子科技创新平台”。

长期以来复旦大学微电子学教学形成了“基础与专业结合，研究与应用并重，创新人才培养国际化”特色。近年来，在教育部第二批高等学校特色专业建设中，我们根据国家和工业界对集成电路人才的要求，贯彻“国际接轨、应用牵引、注重质量”的教学理念，制定了复旦大学“微电子教学工作三年计划大纲”并加以实施，在高端创新人才培养方面对专业教学的特色开展了深层的挖掘和拓展。

一、课程体系的完善和课程建设

微电子技术的高速发展要求微电子专业课程体系在相对固定的框架下不断加以更新和完善。

我们设计了“复旦大学微电子学专业本科课程设置调查表”，根据对于目前工作在企业、大学和研究机构的专业人士的调查结果，制定了新的微电子学本科培养方案。主要修改包括：

（1）加强物理基础、电路理论和通信系统课程。微电子学科，特别是系统芯片集成技术，是融合物理、数学、电路理论和信息系统的综合性应用学科。因此，在原有课程基础上，增加了有关近代物理、信号与通信系统、数字信号处理等课程，使微电子学生的知识覆盖面更宽。

（2）面向研究、应用和学科交叉的需要，增加专业选修课程。如增加了电子材料薄膜测试表征方法、射频微电子学、铁电材料与器件、Perl语言、计算微电子学、实验设计及数据分析等课程，为本科生将来进一步从事研究和应用开发打下基础。

（3）强调能力和素质训练，高度重视实验教学。开设了集成电路工艺实验、集成电路器件测试实验、集成电路可测性设计分析实验及专用集成电路设计实验等从专业基础到专业的多门实验课。

在课程体系调整完善的同时，还对于微电子专业基础课和专业必修课开展了新一轮的课程建设。包括：

（1）精品课程的建设。几年来，半导体物理、集成电路工艺原理、数字集成电路设计经过建设已经获得复旦大学校级精品课程。其中半导体物理和集成电路工艺原理课程获得学校的重点资助，正在建设上海市精品课程。另有半导体器件原理和模拟集成电路设计正在复旦大学校级精品课程建设之中，有望明年获得称号。

（2）增加全英语教学和双语教学课程。为了满足微电子技术的高速发展和学生尽快吸收、学习最新知识的需求，贯彻落实教育部“为适应经济全球化和科技革命的挑战，本科教育要创造条件使用英语等外语进行公共课和专业课教学”的要求，在本科生专业课的教学中新增全英语教学课程3门，双语教学课程4门。该类专业课程的开设也为微电子专业的国际交流学生提供了选课机会。

（3）教材建设。为了配合课程体系的完善和补充更新专业知识，除了选用一些国际顶级高校的教材之外，还依据我们的课程体系组织编写了一系列专业教材和论著。有已经出版的《深亚微米FPGA结构与CAD设计》、《Modern Thermodynamics》、《现代热力学－基于扩展卡诺定理》，列入出版计划的《半导体器件原理》、《超大规模集成电路工艺技术》和《计算机软件技术基础》。另外根据课程体系的要求对实验用书也进行了更新。

为了传承复旦微电子学的丰富教学经验和保证教学质量，建立了完备的教学辅导制度，如课前试讲、课中听课及聘请经验丰富的退休老教师与青年教师结对子辅导等。每学期听课总量和被听课教师分别均超过所授课程和任课教师人数的50%以上。对所有听课结果进行了数据分析，并反馈给任课教师，为教师改进教学提供了有益的帮助。在保证教学内容的情况下，鼓励教师尝试新的教学手段，实现所有必修课程的电子化，建立主要必修课程的网页，完全公开提供所有课件信息，部分课件获得超过15000次的下载量。青年教师还独创了“移动课堂”的授课新方法，该方法能够完整复制课堂教学，既能高清晰展示教学课件的内容，又能把教师课上讲解的声音、动作及临时板书全部包含在内，能够使用大众化的多媒体终端进行播放，随时随地完美重现课堂讲解全过程。

通过国际合作的研究生项目及教师出国交流，复旦大学微电子学专业教师的教学水平得到进一步提升。在研究生的联合培养项目（如复旦-TU Delft硕士生项目、复旦-KTH硕士生/博士生项目等）中海外高校教师来到复旦全程教授所有课程，复旦配备青年教师跟班听课和担任课程辅导。这使得青年教师的授课理念、授课方式及授课水平都有大幅提高。同时，由于联合培养项目及其他合作项目，复旦的青年教师也被邀请参与海外高校的教学，担任对方课程的主讲，青年教师利用交流的机会，引进海外高校的一些课程用于补充复旦微电子的培养方案。这些都为集成电路专业特色的挖掘和拓展起到重要的作用。

经过几年的努力，微电子专业的教学水平普遍得到提升，在教学评估中得到各个方面的好评。

二、培养方法的改进和创新

培养适应时代要求的微电子专业创新人才也需要在培养方法上加以改进和创新。

针对微电子工程的特点，在坚持扎实的理论的基础上，强调理论联系实际，开展实践能力训练。在学校的支持下，教学实验室环境得到及时更新，几个方面的实验教学在国内形成特色。

（1）本科的集成电路工艺实验可以在学校自己的工艺线上完成芯片的清洗、氧化、扩散、光刻、蒸发、腐蚀等基本工艺制作步骤，为学生完整掌握集成电路制造的基本能力提供了很好的实际训练。

（2）在集成电路测试方面，结合自动化测试机台（安捷伦SoC93000ATE），开设了可测性设计课程，附带实验。

（3）集成电路设计课程都附带课程项目实践，培养了学生实际设计能力和素质，取得很好效果。

通过课程教学训练学生创新思维和分析问题的能力。尝试开设了部分本科生和研究生同时共同选修的研讨型课程。在课程学习的过程中，本科生不仅可以得到研究生的指导，在课堂上就某些课程内容进行探究，还可以在开展课程设计时在小组内和研究生同学共同开展小型项目研究，对于提高本科生进一步学习微电子专业的兴趣和培养他们发现问题解决问题的能力有很大的帮助。

参加科研无疑是培养学生创新能力的一个最为有效的途径。配合复旦大学的要求，微电子学专业在本科阶段，持续设置多种科研计划，给予本科生进实验室开展科研以支持。

（1）大一的“启航”学术体验计划。计划鼓励大一学生在感兴趣的领域进行探究式学习和实践，为学生打造一个培养创新意识，锻炼学术能力的资源平台。“启航”学术体验计划的所有学术实践项目均来自各个微电子专业的导师，学生通过对感兴趣的项目进行申报与自荐的形式申请加入各学术实践小组。引导学生领略学科前沿，体验研究乐趣。

（2）二、三年级曦源项目。项目建立在学生自主学习和创新思想的基础上，鼓励志同道合的同学组成研究团队，独立提出研究方向，寻找合适的指导教师。加入自己感兴趣的研究方向的团队。在开放课题列表中寻找合适的课题方向，并向该课题指导教师进行申请。还有更多的学生在大三甚至更早就进入各个研究小组，参与教授领导的各类国家级、省部级项目及来自企业、海外等的合作项目的研究。在完成的计划和项目成果之外，学生们还在收集文献资料、获取信息的能力，发现问题、独立思考的能力，运用理论知识解决实际问题的能力，设计和推导论证、分析与综合的能力，科学实验、发明创造的能力，写作和表说的能力等方面，都有不同的收获。

通过学生参加国际交流活动及外籍教师讲授课程给学生提供国际化的培养，提供层次更高、路径多元的培养方案，培养了学生的国际化眼光，开拓了学生的培养渠道。

几年来，微电子学专业学生的出国交流人数逐年增长，从2008年起，共有20位本科生赴国外多个高校交流学习。交流的项目包括双学位、长学期和暑期项目等，交流时间从3个月到2年不等，交流学校包括美国（耶鲁、UCLA等）、欧洲（伯明翰、赫尔辛基等）、日本（早稻田、庆应等）及我国港台高校。大多数同学在交流期间的学习成绩达到交流学校的优秀等级，同时积极参加交流学校教授小组的科研工作，得到了很好的评价。个别同学由于表现优异在交流结束回国后被对方教授邀请再次前去完成毕业论文；也有同学交流期间）参加国际级大师的科研小组工作，获益匪浅，直研后表现出强于一般研究生的科研能力。可以看到，国际交流不仅为同学们提供了专业知识和研究能力的不同培养模式，也为他们提供了更加广阔的视野和体验多种文化的机会，为他们今后的发展和进步打下了很好的基础。自特色专业建设以来，每学期均新开设“前沿讲座”课程，课程内容不固定，授课人为聘请的海外教师，有的来自海外高校，有的来自海外企业，课程均为全英语课程或双语教学课程。这类课程直接引进了海外高校的课程和教学方式，不仅学生受益，同时也培养了复旦微电子专业的青年教师。企业还提供与课程内容直接相关的软件，在改善教学环境的同时，还为学生参加科研提供了培训。

篇8

0 引言

自动增益控制电路（AGC）在微波接收系统中应用广泛。随着无线电技术的发展，以及为了适应日益复杂的电子战的需要，对接收机的线性度、动态范围、灵敏度、抗干扰能力等方面的性能和指标提出了越来越苛刻的要求。由于天线接收到的有效信号功率会在一定范围内变化，同时接收到的干扰的功率也有可能变化[1]。为了提高接收机的动态范围，需要自动增益控制电路将天线接收到的不同功率的信号放大到接收机线性工作所需的最优功率。另外，接收机工作时，由于电源电压的不稳定、环境温度的变化、电路工作参数的变化等，都可能引起接收机增益的不稳定，用AGC可以补偿这种增益的不稳定[2]。

实现AGC的方法有很多种，常规是使用数控衰减器，但是数控衰减器通常有好几位步进，对于只需一位AGC控制的接收机来说造成电路上的浪费。并且数控衰减器往往是宽带匹配，在所需使用的频段端口驻波可能并不理想。使用两个单刀双掷开关串联加上衰减器的电路方式来实现一位AGC控制功能，可提高器件使用效率，优化端口驻波匹配。

在微波高频段电路中经常采用PIN二极管来实现单刀双掷开关。与MESFET和PHEMT器件相比较，PIN二极管具有插入损耗低、截止频率高、功率容量大的特点[3]，特别适合于制作性能优异的微波控制电路。

在实际电路中，PIN管是通过金丝搭焊技术连接在微带线中的，在仿真电路中，也需要建立金丝的模型。

从仿真结果中可以看出，在9.5～10.5GHz频带内，插损在-1.2db以内；S11和S22均小于-24dB；开关隔离度在-85dB以下。

2 自动增益控制电路的设计

将两级单刀双掷开关串联，中间加上固定衰减器，组成一位自动增益控制电路。

两级单刀双掷开关共用一组控制线，开关控制信号即为自动增益的控制信号。正常工作时，选择开关的J2端口，当需要衰减时，选择开关的J1端口，即可实现一位自动增益控制。

3 电路实现方法

为了更好的方便芯片的安装和电路的调整，盒体采用双层结构。正面为射频电路，采用Rogers5880的板材。首先用183℃铅锡焊料将基板烧结于盒体内，再用183℃铅锡焊料将pin二极管、芯片电容、衰减器芯片烧结于盒体之上[8]。背面为电源和控制电路，采用TTL集成驱动器控制信号的走向。使用高频SMA插头作为射频信号端口。结构紧凑，小巧，成本低，相位特性较好。实物如图8所示：

4 主要测试结果

经测试，电路的工作频率为9.5～10.5GHz，正常支路的插损小于4dB，带内平坦度0.5dB，输入输出驻波比小于1.6。

5 结论

自动增益控制是射频接收系统中常用的功能，采用单刀双掷开关加固定衰减器的形式来实现自动增益控制电路，可提高器件使用效率，优化端口驻波匹配。可以利用pin管设计出各个频段符合要求的开关，同时，计算机仿真软件的应用和工艺上的精确操作也是非常重要的方面，可以提高电路的性能指标。

参考文献：

[1]周嘉业，射频接收机中自动增益控制电路的研究与设计[D].硕士论文，复旦大学，2009.

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[4]高保薪，微波集成电路[M].国防工业出版社，2005：374-385.

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[7]于洋.微波宽带PIN开关研究[D].电子科技大学，2005.

篇9

引言

随着我国工业社会的不断发展，科技的不断进步，对于集成电路的改进也越来越频繁。以前一个小小的集成电路只能容纳十几个晶体管，但是随着集成电路在新技术的改进下，目前已经可以容纳数十万个晶体管，促进了集成电路的应用与普及范围，但同时，以前一个集成电路出现问题，只要检查十几个晶体管就能解决集成电路出现的故障，但是现在，对于一个集成电路十几万个晶体管，传统的集成电路故障测试与诊断方法难以满足需求，必须要对集成电路的测试与故障诊断方法进行改进，以满足工业发展的需求。

1 集成电路基本简介

集成电路（integrated circuit）是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”表示。集成电路发明者为杰克・基尔比（基于锗（Ge）的集成电路）和罗伯特・诺伊思（基于硅（Si）的集成电路）。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。是20世纪50年代后期-60年展起来的一种新型半导体器件。

2 集成电路测试与诊断方法存在的问题

随着科技的不断进步，传统的集成电路测试与诊断方法的弊病也显露出来了，那么作者下面将主要总结目前集成电路测试与诊断方法存在的问题。

2.1 电压测量的逻辑诊断适用范围窄

从集成电路诞生的那一天起，基于集成电路故障检测的电压测量逻辑诊断方法就成为集成电路故障检测的专用方法，但是电压测量的逻辑诊断方法在目前数字化集成电路面前显得有些无能为力，基于电压测量的逻辑诊断方法不能有效的对集成电路的故障进行准确定位，还需要进行人工测量后才能得知出现故障的地方，延长了集成电路的维修时间，同时对于某些类型的故障，如开路故障、桥接故障、延时故障等，一些传统的基于逻辑值地测试方法就显得无能为力了。

2.2 对于电路的冗余部分不能检测出来

随着集成电路使用和普及范围越来越广，人们基本会在集成电路中增加一部分冗余电路，以保障集成电路的正常使用。冗余电路其实就是集成电路的备用电路，在目前集成电路设备中，都会有一部分的备用电路以备使用。但是冗余电路虽然能够提高集成电路的使用，避免集成电路出现故障时造成使用不便，但是这对于集成电路故障的诊断造成了一定影响，因为在集成电路出现故障时，冗余电路就会代替集成电路进行工作，并不会提醒人们集成电路出现故障，同时传统的基于电压的测试方法是无法检查冗余电路故障的。

2.3 集成电路的检测方法少

现阶段，对于集成电路测试与故障的检测方式主要有传统的基于电压的测试方法、以及基于数字模型的检测方法、故障字典法这几种，虽然对于集成电路的故障都能够进行检测，但是随着在集成电路技术的发展，故障也在发生变化，传统法的集成电路检测方法并不能适用于未来的集成电路故障检测，集成电路测试与故障检测方法比较少，同时创新能力也不够，延长了集成电路的维修时间。

3 集成电路测试与诊断方法的改进

3.1 基于静态电流故障的诊断方法

随着科技的进步，集成电路也在不断发展和更新，因此对于集成电路测试与故障诊断的方法也要有所改进，基于电流故障的诊断方法是目前比较流行的。集成电路中的电流一般比较小，通常不会超过500毫安，但是在集成电路出现故障时，电流量会急速增加，这对于集成电路的故障检测是比较明显的，并且基于电流故障的诊断方法也能测出电路的冗余部分是否出现故障，解决了逻辑电压检测方法的不足之处。

3.2 基于动态电流故障的诊断方法

虽然动态电流故障检测与静态电路故障检测同属于电流检测方法，但动态电流故障检测方法相比于静态电流故障检测要更加正确，因为动态电流覆盖集成电路的面积更广，集成电路的故障检测也更加全面，动态电流的波形包含的电路信息更多，为CMOS电路、模拟电路、数模混合电路的故障诊断提供了丰富的数据。

3.3 故障字典检测方法

故障字典检测方法是目前最常用的一种集成电路测试与故障检测方法，顾名思义，故障字典法就是采取像查阅字典一样的方式对集成电力的晶体管进行一一检测，来确定出现故障的准确位置，这样对于集成电路的故障检测更加准确，故障字典法就是先提取集成电路的所有故障特征，根据出现故障的特征查找集成电路出现的问题，用户只需要输入集成电路出现的问题，故障字典法就能第一时间知道集成电路出现的问题，大大提高了集成电路故障检测效率，集成电路的诊断更加智能化。

4 结束语

集成电路的测试与故障诊断技术的研究和应用对增强集成电路的可维护有很重要的意义，故障诊断可以在测试结果的基础上，分析故障产生的原因和位置，更加有利于提高国家的效率，也是集成电路设计的趋势之一。文章介绍了故障诊断的常见策略。基于电流的集成电路诊断方法将是今后研究和应用的热点。

参考文献

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[2]朱启建，邝继顺，张大方，一种用于动态电流测试的故障模拟算法[J].计算机工程与科学，2014（9）：12-14.

篇10

二、基于FPGA技术的课程教学改革策略

1.明确教学目标

即通过对集成电路相关企业进行调研，了解企业对集成电路专业学生在FPGA技术方面所需的应用技能，进一步明确FPGA技术的教学目标。往往每个企业的研究方向不同，所用的开发环境、仿真工具都各不相同。为了满足学生就业需求，教学目标应该重基础、求延伸。在基础扎实的基础上，在应用方向上寻求延伸，使学生多接触各种常用的典型开发环境。

2.整合与FPGA技术相关的课程，设计教学内容

由于几门相关的课程由不同的教师在不同学期授课，同时存在着有些知识点重复讲授，而有些重要知识点又在课程中没有涉及到的现象。再加上对于硬件描述语言的学习仅仅通过课堂教学是远远不够的，应该边学边练。根据专业特色、企业需求及修订后的教学目标，对原FPGA技术相关的多门课程的教学内容进行深入分析，依据教学内容的关联程度，制定课程整合方案，调整教学计划，合理安排授课内容，做好衔接，充分利用教学资源。主要包括“硬件描述语言”增设相应实验课（modelsim仿真）；原“数字集成电路设计”的实验内容改为quartusii开发工具综合项目设计实验；“FPGA原理与应用”除了介绍原理应用方面外，另增设针对FPGA实验箱的实验项目（Xilinx的ise开发工具）；“SOPC设计技术”课程中要求学生熟练掌握sopcbuilder和XilinxEDK开发环境，使学生同时掌握并比较两大公司的典型开发环境，以及系统级设计方法。

3.增设“ASIC综合与时序分析”课程

现有的一部分FPGA教学实验，仅仅停留在让学生熟悉FPGA的设计流程、设计步骤，这远远不够。综合时序分析在电路设计中起着至关重要的作用，应进一步加强综合时序分析环节，数字集成电路实验不能仅停留在将RTL级代码映射为电路结构的表面工作，应深入分析电路的时序、面积及功耗，让学生具体体会各种约束在电路具体实现中的意义。因此，增设“ASIC综合与时序分析”课程，针对ASIC设计购置了Synopsys软件并建立了相应机房，使学生熟练掌握不同的设计软件，以满足设计需求。

4.调整实验计划，提高学生的动手能力

数字集成电路实验通常以Modelsim仿真为主，学生只有在最后一个综合实验中才能用到FPGA开发板，开发板利用率不高，而且学生对开发板的熟悉程度根本不够。应该增加FPGA开发实验项目，让学生熟悉开发板结构、核心器件及外设结构、连接方式，真正能熟悉开发工具，熟练掌握开发流程，鼓励学生多动手、多实践，真正做到活学活用。

5.加强师资队伍建设

由于行业技术更新快，新技术、新工具层出不穷，而学校又存在讲授知识老旧，教师技术参差不齐等诸多问题。因此必须加强师资队伍建设，进行定期技术培训，及时更新知识结构。通过定期培训，可以为课程中实验授课做较好的技术支持。同时支持教师参加培训，使一线教师能有机会直接与各地从事集成电路数字设计的一线工程师（包括清华微电子所、中芯国际、华纳电子、大唐微电子等知名单位的一线工程师）进行交流。及时了解行业新动态、新趋势、新技术以及主流工具，更好地将最新的知识及相关信息传授给学生，紧跟时代步伐。

6.变革教学方法

传统的教学方法强调以课堂为中心、以教师为中心、以教材为中心，主要以讲授为主，而忽视学生的积极性、主动性及创造性的发挥，这将影响FPGA技术的教学效果。而且这种方式过于枯燥，对FPGA技术教学远远不足。在FPGA技术的教学中，根据讲授的内容，采用不同的教学方法。除了课堂讲授外，在讲解具体实例时应采用演示法。FPGA技术的实践性和应用性很强，设置相关课内实验应分为基础性实验、提高性实验和综合性实验。在实践教学中要坚持“重基础与技能、求综合与创新”的改革思路，加强学生工程思维训练、调试和分析能力，提高实践教学体系的创新性、综合性。除课堂讲授外，督促学生在教师指导下自学、自讲，以讨论为主的教学方式，并根据合作程序及自愿原则进行分组。针对“集成电路设计方法”课程教学内容，建立课外创新小组，为每个小组的阶段性成果在课堂上进行成果，锻炼学生的语言表达能力，建立自信心。同时，由教师引导，对创新小组遇到的问题进行课堂讨论、分析，调动每个学生的积极性，提高学生自行发现问题、分析问题及解决问题的能力，取得了很好的效果。教师通过与学生互动了解学生的兴趣、难点所在，有目的地调整教学内容，使课堂更灵活、更有效地解决学生在学习过程中的各种问题，

7.与企业合作

建立实训基地，培养学生的团队精神。有些能力较强的学生习惯于独立完成某个项目，这违背了企业需要具有团队协作精神成员的培养方针。实训基地以分组形式分配项目，对每个学生进行明确分工，让学生在每个项目中分别担任项目团队中的不同角色，承担各自的任务，以团队形式完成所分配的项目，并且每个学生在课程结业时必须完成项目团队中不同角色的任务，得到相应学分。以实际项目为基础，领着学生从立项到着手设计再到最终完成设计，让学生熟练掌握项目完成的各个过程。在进行综合项目实现的过程中，学生能体会到课堂知识用于实践是远远不足的，这将促进学生查找相关资料进行自主学习，培养学生的自学能力、发现问题、分析问题及解决问题的能力。

篇11

Abstract: A low-noise-amplifier is designed with low thermal noise, its thermal noiseis calculated theoretically and validated with HSPICE . This circuit is optimized effectively to decrease the thermal noise.

Key words: low-noise-amplifier；thermal noise

噪声限制了一个电路能够正确处理的最小电平信号.由于噪声会严重影响电路的功耗、速度以及线性, 当代模拟电路设计者经常要解决噪声的问题.

本文主要分析各种噪声机制产生的白噪声以及计算这些噪声的方法，同时引入一种低噪声放大器的结构，并对该电路的各个功能模块的噪声进行计算，利用HSPICE仿真软件对计算结果进行验证，并提出了优化电路结构以减小噪声的方案。

1 噪声源

1.1 冲击噪声[1]

冲击噪声又称为散弹噪声，它总是出现在二极管、MOS晶体管和双极型晶体管中。三极管中每个通过节点的载流子都可视为随机事件，所以，稳定的外部电流I事实上是由大量的随机独立的电流脉冲组成的。I的波动称为冲击噪声，如果电流I由一系列平均值为ID的随机独立脉冲组成，则产生的噪声电流的均方差值为

其中q是电子电荷（1.6×10-19C）,Δf为带宽，单位为Hz，ID由产生噪声的电路决定。

1.2 热噪声

热噪声由与冲击噪声完全不同的机制产生。在一般的电阻中，是由电子的随机热运动引起的，并不受直流电流的影响。导体中电子的随机运动尽管平均电流为零，但是它会引起导体两端电压的波动。因此，热噪声谱与绝对温度成正比。

1.2.1 集成电路中元件的热噪声

（1） 电阻的热噪声

如图1.1所示，电阻R上的热噪声可以用一个串联的电压源或并联的电流源来模拟，频谱密度的形式为

其中k是波尔兹曼常数，在室温下4kT=1.66×10-20VC

（2）双极型晶体管的热噪声

晶体管基极电阻rb是物理电阻所以产生热噪声。集电极串联电阻rc同样有热噪声，但是因为它与集电结串联，所以噪声可忽略掉，模型中通常不包含这个噪声。

包括噪声的双极型晶体管完整的小信号等效电路图如图1.2。因为他们由独立分开的物理机制引起，所以噪声源互相独立，白噪声的均方值各为

（3）MOS晶体管的热噪声[2]

MOS晶体管也有热噪声，最大的噪声源是在沟道中产生的。对于工作在饱和区的长沟道MOS器件的沟道噪声可以用一个连接在源漏两端的电流源来模拟，如图1.3，其频谱密度为

其中的系数γ对于长沟道晶体管可由推导得到，为2/3；而对于亚微米MOS晶体管，γ可能需要一个更大的值来代替。

2低噪声放大器的功能及噪声计算

2.1 低噪声放大器的功能介绍

如图2.1所示，低噪声放大器（LNA）处于射频接收机的最前端。低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，在克服噪声的条件下为后级提供足够高的增益，以供系统解调出所需的信息数据，所以低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。本文中的低噪声放大器工作频率范围为76MHz至108MHz。

双极型放大器是低噪声放大器中最常见的选择。在射频范围内，MOS管的主要噪声源为沟道热噪声、栅感应噪声与栅分布电阻热噪声。由于MOS晶体管的沟道电阻产生比较大的热噪声，所以选择双极输入会得到一个相对好的噪声系数。低噪声双极型放大器，可提供极低的输入电压噪声密度和相对较高的输入电流噪声密度。本文主要研究双极型低噪声放大器的热噪声。

2.2 低噪声放大器的噪声计算

低噪声放大器主要放大部分如图2.2所示，VCCA和RFGND分别为2.5V的电源和0V的地。整个电路的增益主要靠第一级由Q3、Q4组成的共基输入放大器，射频信号RFI1和RFI2分别为Q3和Q4的射极输入。第二级为由Q5和Q6组成的射随驱动电路，Q3和Q4的在集电极的输出信号分别由Q5和Q6的基极输入，由OUT1和OUT2输出。射随器具有高输入电阻，低输出电阻和近似为单位1的电压增益，对增益基本没有贡献。下面主要以低噪声放大器电路的输入电阻和输出电阻来估算电路的热噪声。

（1） 输入电阻及输入噪声

通过对电路仿真，可知流过输入端晶体管Q3、Q4的集电极电流为340μA。β0为晶体管小信号电流增益，本电路中β0值为187。

第一级共基放大结构中由RFI1和RFI2看进去的输入电阻为

其中，gm为晶体管小信号跨导，表达式为

rπ为晶体管小信号输入电阻，表达式为

将式（2.2）和式（2.3）代入式（2.1）中，得

则电路输入端在带宽为76MHz至108MHz之间的总热噪声电压为

即

（2） 输出电阻及输出噪声

Rs为前一级的共基极放大器等效输出的电阻,由电路可知, Rs为1.9044 kΩ，根据式（2.8）可得

则电路输出端在带宽为76MHz至108MHz之间的总热噪声电压为

即

3低噪声放大器热噪声的仿真分析

3.1输入噪声仿真分析[4]

用HSPICE仿真软件对低噪声放大电路的噪声进行仿真，对电路进行交流小信号分析，同时进行噪声分析。由仿真结果可知，如图3.1，低噪声放大器的在频率为76MHz时的输入噪声谱密度的均方根值为1.3934，频率为108MHz时的输入噪声谱密度的均方根值1.3935。

在76MHz～108MHz带宽范围内，利用仿真得出频率为76MHz和频率为108MHz时的输入噪声谱密度均方根值，利用两个值求平均值可得出频带内的平均噪声谱密度均方根值，则计算得出频带内低噪声放大器的输入噪声为

×（108-76）×106=6.18×10-11V2（ 3.1）[5]

viN =7.86μV rms （3.2）

所得到的输入噪声7.86μV rms与利用输入电阻估算的输入噪声6.36μV rms基本一致。

3.2 输出噪声仿真分析

如图3.1由仿真结果得，低噪声放大器在频率为76MHz时输入噪声谱密度的均方根值为2.486，频率为108MHz时输入噪声谱密度的均方根值为2.365。

可以计算得出频带内低噪声放大器的输出噪声为[6]

×（108-76）×106＝18.83×10-11V2（3.1）

voN =13.72μV rms （3.2）[6]

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所得到的输出噪声13.72μV rms与利用输出电阻估算出的输入噪声10.89uV rms基本一致。

由以上分析可以得出，计算得到的低噪声放大器的输入热噪声和输出热噪声基本上与仿真得到的结果一致，由于HSPICE测得的噪声中除了热噪声还包括闪烁噪声，散弹噪声等其他的噪声，所以计算的热噪声小于测得的总噪声值，基本符合电路特性。

4 本设计中采用的降低热噪声方法

及电路设计的优化

本设计中主要采用了共基极输入及射随器作为输出端的方法来降低热噪声。

低噪声放大器模块采用两级放大，第一级为共基极输入放大器，共基极有时用作低输入阻抗的电流放大器，低输入阻抗与输入的热噪声成正比，所以决定了电路的输入热噪声较小。除此之外双极型LNA共基极结构相对于共射极电路还具有三个优点：更为简单的输入匹配、更高的放大线性度和更大的逆向隔离[7]。

射随器具有近似的单位电压增益，跟随级的等价输入噪声电压不改变地传入到输入端，但是由于跟随级的输出是在射极输出的，而射极是低阻抗的，由射极的负载电阻产生的噪声相对于其他结构的输出热噪声明显减小。

通过对以上结构的热噪声特性的分析，对电路进行了优化设计。如果要进一步降低电路的热噪声，则需要采用增大晶体管β值以降低电路的输入、输出电阻的方法来优化电路，但此方法并不是减小热噪声的主要方法[8]。如在仿真中将晶体管的β值由187增大为300，则可以得出，电路的输入噪声为7.858 μV rms，输出噪声为13.65μV rms，输入噪声与输出噪声都有所减小，但变化的幅度很小。减小热噪声的主要方法可以通过在版图上增大晶体管的发射区面积来实现。比如，仿真中将两个输入管的发射区面积增加一倍，则可以得出电路的输入噪声减小为7.265 μV rms，输出噪声减小为10.45 μV rms，热噪声减小的幅度为7%。

5结论

本设计基于Jazz Semiconductor 0.35μm双极工艺SPICE模型对一种低噪声放大器电路进行仿真。通过对本设计电路结构的理论估算和利用HSPICE仿真软件的仿真验证，可以看到共基极输入结构与射随的输出结构可以有效地降低电路的热噪声。本文采用的低噪声放大器的结构能够降低低噪声放大器的输入和输出热噪声，达到无线调频接收机中低噪声放大器的电路设计要求。

参考文献

[1] 池保勇，余志平，石秉学 著《CMOS射频集成电路分析与设计》，清华大学出版社 2003。

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[7]Y. Tsividis. Operation and Modeling of the MOS Transistor. Second Ed. , Boston:McGrawHill, 1999.

[8]A. A. Abidi. High-Frequency Noise Measurements on FETs with Small Dimensions. IEEE Tran. Electron Devices, vol.33, pp.1801-1805, Nov. 1986.

作者简介

刘峻，硕士研究生，研究方向：集成电路的设计与研究。

卢剑，硕士研究生，研究方向：集成电路的设计与研究。

郭宇，高级工程师，研究方向：集成电路的设计与研究。

苏建华，硕士研究生，研究方向：集成电路的设计与研究。

篇12

微电子学与集成电路是现代信息技术的基础，各类高新行业在具体发展中，均会对微电子学和集成电路进行应用。其中，集成电路选择半导体镜片作为基片，并结合相关工艺，将电阻、电容等元件与基片连接，最终形成一个具备完整电路功能的系统或是电路。较比集成电路微电子学是在集成电路的基础上，研究半导体和集成电路的相关物理现象，并有效的对其进行应用，满足各类电子器件需求的效果。基于此，本文对当前微电子学与集成电路展开分析，具体内容如下。

1 微电子学与集成电路解读

微电子学是电子学的分支学科，主要致力于电子产品的微型化，达到提升电子产品应用便利和应用空间的目的。微电子学还属于一门综合性较强学科类型，具体的微电子研究中，会用到相关物理学、量子力学和材料工艺等知识。微电子学研究中，切实将集成电路纳入到研究体系中。此外，微电子学还对集成电子器件和集成超导器件等展开研究和解读。微电子学的发展目标是低能耗、高性能和高集成度等特点。

集成电路是通过相关电子元件的组合，形成一个具备相关功能的电路或系，并可以将集成电路视为微电子学之一。集成电路在实际的应用中具有体积小、成本低、能耗小等特点，满足诸多高新技术的基本需求。而且，随着集成电路的相关技术完善，集成电路逐渐成为人们生产生活中不可缺少的重要部分。

2 微电子发展状态与趋势分析

2.1 发展与现状

从晶体管的研发到微电子技术逐渐成熟经历漫长的演变史，由晶体管的研发以组件为基础的混合元件（锗集成电路）半导体场效应晶体管MOS电路微电子。这一发展过程中，电路涉及的内容逐渐增多，电路的设计和过程也更加复杂，电路制造成本也逐渐增高，单纯的人工设计逐渐不能满足电路的发展需求，并朝向信息化、高集成和高性能的发展方向。

现阶段，国内对微电子的发展创造了良好的发展空间，目前国内微电电子发展特点如下：

（1）微电子技术创新取得了具有突破性的进展，且逐渐形成具有较大规模的集成电路设计产业规模。对于集成电路的技术水平在0.8～1.5μm，部分尖端企业的技术水平可以达到0.13μm。

（2）微电子产业结构不断优化，随着技术的革新产业结构逐渐生成完整的产业链，上下游关系处理完善。

（3）产业规模不断扩大，更多企业参与到微电子学的研究和电路中，有效推动了微电子产业的发展，促使微电子技术得到了进一步的完善和发展。

2.2 发展趋势

微电子技术的发展中，将微电子技术与其他技术联合应用，可以衍生出更多新型电子器件，为推动学科完善提供帮助。另外微电子技术与其他产业结合，可以极大的拉动产业的发展，推动国内生产总值的增加。微电子芯片的发展遵循摩尔定律，其CAGR累计平均增长可以达到每年58%。

在未来一段时间内，微电子技术将按照提升集团系统的性能和性价比，如下为当前微电子的发展方向。

2.2.1 硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）

CMOS电路将成为微电子的主流工艺，主要是借助MOS技术，完成对沟道程度的缩小，达到提升电路的集成度和速度的效果。运用CMOS电路，改善芯片的信号延迟、提升电路的稳定性，再改善电路生产成本，从而使得整个系统得到提升，具有极高研究和应用价值。可以将CMOS电路将成为未来一段时间的主要研究对象，且不断对CMOS电路进行缩小和优化，满足更多设备的需求。

2.2.2 集成电路是当前微电子技术的发展重点

微电子芯片是建立在的集成电路的基础上，所以微电子学的研究中，要重视对集成电路研究和分析。为了迎合信息系统的发展趋势，对于集成电路暴露出的延时、可靠性等因素，需要及时的进行处理。在未来一段时间内对于集成电路的研究和转变势在必行。

2.2.3 微电子技术与其他技术结合

借助微电子技术与其他技术结合，可以衍生出诸多新型技术类型。当前与微电子技术结合的技术实例较多，积极为社会经济发展奠定基础。例如：微光机电系统和DNA生物芯片，微光机电系统是将微电子技术与光学理论、机械技术等结合，可以发挥三者的综合性能，可以实现光开关、扫描和成像等功能。DNA生物芯片是将微电子技术与生物技术相结合，能有效完成对DNA、RNA和蛋白质等的高通量快速分析。借助微电子技术与其他技术结合衍生的新技术，能够更为有效推动相关产业的发展，为经济发展奠定基础。

3 微电子技术的应用解读

微电子学与集成电路的研究不断深入，微电子技术逐渐的应用到人们的日常生活中，对于改变人们的生活品质具有积极的作用。且微电子技术逐渐成为一个国家科学技术水平和综合国力的指标。

在实际的微电子技术应用中，借助微电子技术和微加工技术可以完成对微机电系统的构建，在完成信息采集、处理、传递等功能的基础上，还可以自主或是被动的执行相关操作，具有极高的应用价值。对于DNA生物芯片可以用于生物学研究和相关医疗中，效果显著，对改善人类生活具有积极的作用和意义。

4 结束语

微电子学与集成电路均为信息技术的基础，其中微电子学中囊括集成电路。在对微电子学和集成电路的解析中，需要对集成电路和微电子技术展开综合解读，分析微电子技术的现状和发展趋势，再结合具体情况对微电子技术的当前应用展开解读，为微电子学与集成电路的创新和完善提供参考，进而推动微电子技术的发展，创造更大的产值，实现国家的持续健康发展。

参考文献

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[2]方圆，徐小田.集成电路技术和产业发展现状与趋势[J].微电子学，2014（01）：81-84.

[3]柏正香.集成电路测试数据的处理[J].微电子学，2010，40（01）：149-152.

[4]可卿.微电子学和集成电路打交道[J].大学指南，2010（07）：42-45.

作者简介

篇13

1.引言

微电子技术是随着集成电路，尤其是大规模集成电路发展起来的一门新技术。微电子产业包括系统电路设计，器件物理，工艺技术，材料制备，自动测试及封装等一系列专门的技术的产业。微电子产业发展非常迅速，它已经渗透到了国民经济的各个领域，特别是以集成电路为关键技术的电子战和信息战都要依托于微电子产业。

微电子技术是微电子产业的核心，是在电子电路和系统的超小型化和微型化的过程中逐渐形成和发展起来的。微电子技术也是信息技术的基础和心脏，是当今发展最快的技术之一。近年来，微电子技术已经开始向相关行业渗透，形成新的研究领域。

2.微电子技术概述

2.1 认识微电子

微电子技术的发展水平已经成为衡量一个国家科技进步和综合国力的重要标志之一。因此，学习微电子，认识微电子，使用微电子，发展微电子，是信息社会发展过程中，当代大学生所渴求的一个重要课程。

生活在当代的人们，没有不使用微电子技术产品的，如人们每天随身携带的手机；工作中使用的笔记本电脑，乘坐公交、地铁的IC卡，孩子玩的智能电子玩具，在电视上欣赏从卫星上发来的电视节目等等，这些产品与设备中都有基本的微电子电路。微电子的本领很大，但你要看到它如何工作却相当难，例如有一个像我们头脑中起记忆作用的小硅片―它的名字叫存储器，是电脑的记忆部分，上面有许许多多小单元，它与神经细胞类似，这种小单元工作一次所消耗的能源只有神经元的六十分之一，再例如你手中的电话，将你的话音从空中发射出去并将对方说的话送回来告诉你，就是靠一种叫“射频微电子电路”或叫“微波单片集成电路”进行工作的。它们会将你要表达的信息发送给对方，甚至是通过通信卫星发送到地球上的任何地方。其传递的速度达到300000KM/S，即以光速进行传送，可实现双方及时通信。

“微电子”不是“微型的电子”，其完整的名字应该是“微型电子电路”，微电子技术则是微型电子电路技术。微电子技术对我们社会发展起着重要作用，是使我们的社会高速信息化，并将迅速地把人类带入高度社会化的社会。“信息经济”和“信息社会”是伴随着微电子技术发展所必然产生的。

2.2 微电子技术的基础材料――取之不尽的硅

位于元素周期表第14位的硅是微电子技术的基础材料，硅的优点是工作温度高，可达200摄氏度；二是能在高温下氧化生成二氧化硅薄膜，这种氧化硅薄膜可以用作为杂质扩散的掩护膜，从而能使扩散、光刻等工艺结合起来制成各种结构的电路，而氧化硅层又是一种很好的绝缘体，在集成电路制造中它可以作为电路互联的载体。此外，氧化硅膜还是一种很好的保护膜，它能防止器件工作时受周围环境影响而导致性能退化。第三个优点是受主和施主杂质有几乎相同的扩散系数。这就为硅器件和电路工艺的制作提供了更大的自由度。硅材料的这些优越性能促成了平面工艺的发展，简化了工艺程序，降低了制造成本，改善了可靠性，并大大提高了集成度，使超大规模集成电路得到了迅猛的发展。

2.3 集成电路的发展过程

20世纪晶体管的发明是整个微电子发展史上一个划时代的突破。从而使得电子学家们开始考虑晶体管的组合与集成问题，制成了固体电路块―集成电路。从此，集成电路迅速从小规模发展到大规模和超大规模集成电路，如图1所示。

图1 集成电路发展示意图

集成电路的分类方法很多，按领域可分为：通用集成电路和专用集成电路；按电路功能可分为：数字集成电路、模拟集成电路和数模混合集成电路；按器件结构可分为：MOS集成电路、双极型集成电路和BiIMOS集成电路；按集成电路集成度可分为：小规模集成电路SSI、中规模集成电路MSI、大规模集成电路LSI、超导规模集成电路VLSI、特大规模集成电路ULSI和巨大规模集成电路CSI。

随着微电子技术的发展，出现了集成电路（IC），集成电路是微电子学的研究对象，其正在向着高集成度、低功耗、高性能、高可靠性的方向发展。

2.4 走进人们生活的微电子

IC卡，是现代微电子技术的结晶，是硬件与软件技术的高度结合。存储IC卡也称记忆IC卡，它包括有存储器等微电路芯片而具有数据记忆存储功能。在智能IC卡中必须包括微处理器，它实际上具有微电脑功能，不但具有暂时或永久存储、读取、处理数据的能力，而且还具备其他逻辑处理能力，还具有一定的对外界环境响应、识别和判断处理能力。

IC卡在人们工作生活中无处不在，广泛应用于金融、商贸、保健、安全、通信及管理等多种方面，例如：移动电话卡，付费电视卡，公交卡，地铁卡，电子钱包，识别卡，健康卡，门禁控制卡以及购物卡等等。IC卡几乎可以替代所有类型的支付工具。

随着IC技术的成熟，IC卡的芯片已由最初的存储卡发展到逻辑加密卡装有微控制器的各种智能卡。它们的存储量也愈来愈大，运算功能越来越强，保密性也愈来愈高。在一张卡上赋予身份识别，资料（如电话号码、主要数据、密码等）存储，现金支付等功能已非难事，“手持一卡走遍天下”将会成为现实。

3.微电子技术发展的新领域

微电子技术是电子科学与技术的二级学科。电子信息科学与技术是当代最活跃，渗透力最强的高新技术。由于集成电路对各个产业的强烈渗透，使得微电子出现了一些新领域。

3.1 微机电系统

MEMS（Micro-Electro-Mechanical systems）微机电系统主要由微传感器、微执行器、信号处理电路和控制电路、通信接口和电源等部件组成，主要包括微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分，它融合多种微细加工技术，并将微电子技术和精密机械加工技术、微电子与机械融为一体的系统。是在现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。

当前，常用的制作MEMS器件的技术主要由三种：一种是以日本为代表的利用传统机械加工手段，即利用大机械制造小机械，再利用小机械制造微机械的方法，可以用于加工一些在特殊场合应用的微机械装置，如微型机器人，微型手术台等。第二种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件，它与传统IC工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成，而且适合于批量生产，已成为目前MEMS的主流技术，第三种是以德国为代表的LIGA（即光刻，电铸如塑造）技术，它是利用X射线光刻技术，通过电铸成型和塑造形成深层微结构的方法，人们已利用该技术开发和制造出了微齿轮、微马达、微加速度计、微射流计等。

MEMS的应用领域十分广泛，在信息技术，航空航天，科学仪器和医疗方面将起到分别采用机械和电子技术所不能实现的作用。

3.2 生物芯片

生物芯片（Bio chip）将微电子技术与生物科学相结合的产物，它以生物科学基础，利用生物体、生物组织或细胞功能，在固体芯片表面构建微分析单元，以实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞及其他生物组分的正确、快速的检测。目前已有DNA基因检测芯片问世。如Santford和Affymetrize公司制作的DNA芯片包含有600余种DNA基本片段。其制作方法是在玻璃片上刻蚀出非常小的沟槽，然后在沟槽中覆盖一层DNA纤维，不同的DNA纤维图案分别表示不同的DNA基本片段。采用施加电场等措施可使一些特殊物质反映出某些基因的特性从而达到检测基因的目的。以DNA芯片为代表的生物工程芯片将微电子与生物技术紧密结合，采用微电子加工技术，在指甲大小的硅片上制作包含多达20万种DNA基本片段的芯片。DNA芯片可在极短的时间内检测或发现遗传基因的变化，对遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要的作用。生物工程芯片是21世纪微电子领域的一个热点并且具有广阔的应用前景。

3.3 纳米电子技术

在半导体领域中，利用超晶格量子阱材料的特性研制出了新一代电子器件，如：高电子迁移晶体管（HEMT），异质结双极晶体管（HBT），低阈值电流量子激光器等。

在半导体超薄层中，主要的量子效应有尺寸效应、隧道效应和干涉效应。这三种效应，已在研制新器件时得到不同程度的应用。

（1）在FET中，采用异质结构，利用电子的量子限定效应，可使施主杂质与电子空间分离，从而消除了杂质散射，获得高电子迁移率，这种晶体管，在低场下有高跨度，工作频率，进入毫米波，有极好的噪声特性。

（2）利用谐振隧道效应制成谐振隧道二极管和晶体管。用于逻辑集成电路，不仅可以减小所需晶体管数目，还有利于实现低功耗和高速化。

（3）制成新型光探测器。在量子阱内，电子可形成多个能级，利用能级间跃迁，可制成红外线探测器。

利用量子线、量子点结构作激光器的有源区，比量子阱激光器更加优越。在量子遂道中，当电子通过隧道结时，隧道势垒两侧的电位差发生变化，如果势垒的静电能量的变化比热能还大，那么就能对下一个电子隧道结起阻碍作用。基于这一原理，可制作放大器件，振荡器件或存储器件。

量子微结构大体分为微细加工和晶体生长两大类。

4.微电子技术的主要研究方向

目前微电子技术正朝着三个方向发展。第一，继续增大晶圆尺寸并缩小特征尺寸。第二，集成电路向系统芯片（system on chip，SOC）方向发展。第三，微电子技术与其他领域相结合将产生新产业和新学科，如微机电系统和生物芯片。随着微电子学与其他学科的交叉日趋深入，相关的新现象，新材料，新器件的探索日益增加，光子集成如光电子集成技术也不断发展，这些研究的不断深入，彼此间的交叉融合，将是未来的研究方向。

参考文献

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