數字集成電路設計理論研究
公眾·品
作者：呂曉春
摘 要：數字集成電路是集成電路的重要組成部分，其在實踐中有著極為廣泛的使用，有力地推動了信息化產業的快速發展。在這種背景下，本文基於對數字集成電路相關理論概述的基礎上，綜合分析了數字集成電路的設計以及數字集成電路的核心工藝。
關鍵詞：數字集成電路；設計；核心工藝
隨著微電子技術的發展，數字集成電路獲得了越來越廣泛的應用。深入了解數字集成電路特性，正確分析數字集成電路在實驗中出現的種種異常現象，對於提高數字電子技術使用效果、加深使用者對數字電路理論的理解有著十分重要的作用。而實現上述目的的最關鍵部分在於對數字集成電路的設計相關內容有著較為清晰的理解，本文正是在這種背景下，探討了數字集成電路的不同設計方法以及所采用的核心工藝，以求為理論界與實踐界更好的認識數字集成電路提供必要的借鑒與參考。
一、數字集成電路理論概述
數的表達是多種多樣的，如二進位、八進製、十進位、十六進位等。電腦中數字處理是二進位，所以一切資料都要先轉化為“0”和“1”的組合。在教學中要對學生強調這裏的“0”和“1”不是傳統數學中的數字，而是兩種對立的狀態的表達。數字集成電路是傳輸“0”和“1”（開和關）兩種狀態的門電路，可把來自一個輸入端的信息分配給幾個輸出端，或把幾個輸入端傳來的信息加以處理再傳送出去，這個過程叫做邏輯運算處理，所以又叫邏輯集成電路。在數字集成電路中電晶體大多是工作在特性曲線的飽和狀態和截止狀態（邏輯的“0”和“1”）。數字集成電路又包括著如下三種電路：門電路，是作為不包含時間順序的組合電路；觸發器電路，其能存儲任意的時間和信息，故在構成包含時間關係的順序電路時必不可少，這種電路叫做時序邏輯電路，例如寄存器、管理器等。觸發器電路是基本時序單元電路；半導體記憶體電路，它可以存取二進位數字字信息，記憶體的作用是用來記住電子電腦運算過程中所需要的一切原始資料、運算的指令程式以及中間的結果，根據機器運算的需要還能快速地提供出所需的資料和資料。在上課時，發現學生易將組合邏輯電路、時序邏輯電路混淆，所以教學中要反複強調兩者的的特點，進行對比，使學生能正確區分兩種電路。
二、數字集成電路的設計
第一，MOS場效應電晶體的設計。常用的是N溝MOS管，它是由兩個相距很近、濃度很高的N十P結引線後做成的，分別叫做源極“S”和漏極“D”。在源極“S”和漏極“D”之間的矽片表麵生長一薄層二氧化矽（SiO2），在SiO2上複蓋生長一層金屬鋁叫柵極“G”（實際上“G”極是個MOS二極體）。NMOS集成電路是用得很多的一個品種。要注意一點是多晶矽柵代替了鋁柵，可以達到自對淮（近乎垂直）摻雜，在柵下麵的源、漏摻雜區具有極小橫向的摻雜效應，使源、柵漏交迭電容最小，可以提高電路的速度。
第二，CMOS集成電路互補場效應電晶體的設計。CMO是指在同一矽片上使用了P溝道和N溝道兩種MOS電路。這種反相器有其獨特之處，不論在哪種邏輯狀態，在VDD和地之間串聯的兩個管子中，總有一個處幹非導通狀態，所以穩態時的漏電流很小。隻在開關過程中兩個管子都處於導通狀態時，才有顯著的電流流過這個反相器電路。因此，平均功耗很小，在毫微瓦數量級，這種電路叫做CMOS電路。含有CMOS電路的集成電路就叫做CMOS集成電路，它是VLSI設計中廣泛使用的基本單元。它占地麵積很小、功耗又小，正是符合大規模集成電路的要求，因為當晶片的元件數增加時功耗成為主要的限製因素。CMOS集成電路成為低功耗、大規模中的一顆明星，它是VLSI設計中廣泛使用的基本單元，但它的設計和工藝難度也相應地提高了許多。CMOS集成電路在P型襯底上先形式一個以待形成PMOS管用的N型區域叫做“N井”，在“N井”內製造PMOSFET的過程與前述的NMOS管相同，所以製造CMOS集成電路的工序基本上是製造NMOS集成電路的兩倍。另外還要解決麻煩的門鎖效應（Latch-up）。但它仍是高位數、高集成度、低功耗微處理器等晶片的首選方案。