集成电路芯片设计

第1章半导体物理基础及PN结简介

1.1半导体物理基础

1.1.1晶体结构体

1.1.2基元、点阵和晶格

1.1.3原胞、基矢、晶向和晶面

1.1.4能带的形成

1.1.5锗、硅和砷化镓的能带结构

1.1.6绝缘体、半导体和导体

1.1.7本征半导体、半导体中的载流子、空穴

1.2载流子的输运

1.2.1扩散运动

1.2.2漂移运动

1.3PN结简介

1.3.1PN结的形成及其基本特性

1.3.2平衡PN结的能带结构和载流子分布

1.3.3非平衡PN结的能带结构和载流子分布

1.3.4PN结的电场和电势分布

1.4PN结的有关特性

1.4.1PN结的直流特性

1.4.2PN结的电容特性

1.4.3PN结的小信号交流特性

1.4.4PN结的开关特性

1.4.5PN结的击穿

第2章双极型器件及集成电路设计

2.1双极型晶体管的结构

2.2双极型晶体管的工作原理

2.2.1双极型晶体管内载流子的输运过程

2.2.2晶体管的直流特性

2.3双极型晶体管设计

2.3.1NPN双极型晶体管的设计要求及预期参数

2.3.2参数设计

2.3.3仿真分析

2.4双极型集成电路设计

2.4.1双极型集成电路设计基础

2.4.2双极型集成电路设计实例

第3章场效应器件及MOS型集成电路设计

3.1MOSFET结构及工作原理

3.1.1半导体表面的特性和理想MOS结构

3.1.2MOSFET结构及其工作原理

3.1.3MOSFET的阈值电压

3.1.4MOSFET的电流、电压关系

3.1.5MOSFET的击穿电压

3.1.6MOSFET的高频等效电路和频率特性

3.2JFET结构及工作原理

3.2.1结型场效应晶体管的工作原理

3.2.2JFET的电流—电压方程

3.2.3JFET的直流参数和频率参数

3.3场效应器件设计

3.3.1MOSFET的设计要求及预期参数

3.3.2材料参数设计

3.3.3仿真分析

3.4MOS型集成电路设计

3.4.1MOS型集成电路设计基础

3.4.2MOS型集成电路设计实例

第4章大功率器件及功率集成电路设计

4.1大功率器件简介

4.2大功率器件设计

4.2.1VDMOS耐压层的设计

4.2.2VDMOS原胞的设计及仿真分析

4.2.3VDMOS的终端结构设计

4.3功率集成技术简介

4.4功率集成电路设计实例

4.4.1系统方案设计

4.4.2检测、比较电路模块

4.4.3控制电路模块

4.4.4驱动电路模块

4.4.5保护电路模块

4.4.6整体电路设计

4.4.7集成智能功率模块版图设计

参考文献

附录A硅芯片制作、MOS管芯片制造原理、集成电路芯片设计参考视频

附录B常用物理常数

附录C主要符号表

本书详细论述了半导体物理基础及PN结的结构与原理。通过三个实际设计实例： 双极型器件及集成电路设计、场效应器件及MOS型集成电路设计、大功率器件及功率集成电路设计，将设计原理、设计思路、设计技巧等逐一展现给读者。从简到难边学边做，从不会到会，再到创新思维的培养。本书配置的图片都是首次应用，同时还配套了一些视频帮助读者理解集成电路设计的原理，读者可以扫描文中二维码直接观看。

本书可作为微电子专业本科及大专教材，也可作为微电子专业教师或技术人员入职培训用书，还可作为微电子技术人员的参考用书。

内容简介

《电源管理芯片设计教程》简要介绍了稳压电源及DC—DC变换器的发展趋势和基本原理；根据功能要求和性能指标，在简明电路总体设计的基础上，对各功能模块和整体电路进行了设计、仿真与验证的说明；此外，根据某工艺线的0.5μm工艺规则进行了版图设计和验证。《电源管理芯片设计教程》内容包括绪论，Workview软件，DC—DC变换器的基本原理，控制电路中各子模块设计与仿真验证，整体电路仿真，工艺、版图设计和验证。

集成电路功能结构

集成电路，又称为IC，按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路三大类。

模拟集成电路又称线性电路,用来产生、放大和处理各种模拟信号（指幅度随时间变化的信号。例如半导体收音机的音频信号、录放机的磁带信号等），其输入信号和输出信号成比例关系。而数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号（指在时间上和幅度上离散取值的信号。例如5G手机、数码相机、电脑CPU、数字电视的逻辑控制和重放的音频信号和视频信号）。

集成电路制作工艺

集成电路按制作工艺可分为半导体集成电路和膜集成电路。

膜集成电路又分类厚膜集成电路和薄膜集成电路。

集成电路集成度高低

集成电路按集成度高低的不同可分为：

SSIC 小规模集成电路(Small Scale Integrated circuits)

MSIC 中规模集成电路(Medium Scale Integrated circuits)

LSIC 大规模集成电路(Large Scale Integrated circuits)

VLSIC 超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated circuits)

ULSIC特大规模集成电路(Ultra Large Scale Integrated circuits)

GSIC 巨大规模集成电路也被称作极大规模集成电路或超特大规模集成电路(Giga Scale Integration)。

集成电路导电类型不同

集成电路按导电类型可分为双极型集成电路和单极型集成电路，他们都是数字集成电路。

双极型集成电路的制作工艺复杂，功耗较大，代表集成电路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等类型。单极型集成电路的制作工艺简单，功耗也较低，易于制成大规模集成电路，代表集成电路有CMOS、NMOS、PMOS等类型。

集成电路按用途

集成电路按用途可分为电视机用集成电路、音响用集成电路、影碟机用集成电路、录像机用集成电路、电脑（微机）用集成电路、电子琴用集成电路、通信用集成电路、照相机用集成电路、遥控集成电路、语言集成电路、报警器用集成电路及各种专用集成电路。

1.电视机用集成电路包括行、场扫描集成电路、中放集成电路、伴音集成电路、彩色解码集成电路、AV/TV转换集成电路、开关电源集成电路、遥控集成电路、丽音解码集成电路、画中画处理集成电路、微处理器（CPU）集成电路、存储器集成电路等。

2.音响用集成电路包括AM/FM高中频电路、立体声解码电路、音频前置放大电路、音频运算放大集成电路、音频功率放大集成电路、环绕声处理集成电路、电平驱动集成电路，电子音量控制集成电路、延时混响集成电路、电子开关集成电路等。

3.影碟机用集成电路有系统控制集成电路、视频编码集成电路、MPEG解码集成电路、音频信号处理集成电路、音响效果集成电路、RF信号处理集成电路、数字信号处理集成电路、伺服集成电路、电动机驱动集成电路等。

4.录像机用集成电路有系统控制集成电路、伺服集成电路、驱动集成电路、音频处理集成电路、视频处理集成电路。

5.计算机集成电路，包括中央控制单元（CPU）、内存储器、外存储器、I/O控制电路等。

6.通信集成电路

7.专业控制集成电路

集成电路按应用领域分

集成电路按应用领域可分为标准通用集成电路和专用集成电路。

集成电路按外形分

集成电路按外形可分为圆形（金属外壳晶体管封装型，一般适合用于大功率）、扁平型（稳定性好，体积小）和双列直插型。

集成电路或称微电路（microcircuit）、 微芯片（microchip）、芯片（chip）在电子学中是一种把电路（主要包括半导体装置，也包括被动元件等）小型化的方式，并通常制造在半导体晶圆表面上。

前述将电路制造在半导体芯片表面上的集成电路又称薄膜（thin-film）集成电路。另有一种厚膜（thick-film）混成集成电路（hybrid integrated circuit）是由独立半导体设备和被动元件，集成到衬底或线路板所构成的小型化电路。

本文是关于单片（monolithic）集成电路，即薄膜集成电路。

集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛的应用。用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可大大提高。