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1、集成电路设计导论期末论文题目：CMOS二输入与非门设计与仿真学院：信息学院专业：11级电子信息工程姓名： 袁大昌学号：20111060162指导老师：梁竹关2014年6月22日摘 要本文介绍了集成电路设计的相关思路、电路的实现、LTspice IV电路模拟软件和Lasi集成电路工艺设计的相关用法。主要讲述CMOS二输入与非门的设计目的、设计的思路、以及设计的过程，用LTspice IV电路设计软件来实现对二输入与非门的设计。集成电路与非门的实现用到NMOS和PMOS，两种MOS管各用到两个，所以涉及Lasi其在物理层的设计方法，在物理层的基础上实现电路的设计，最终实现二输入与非门的工业生产版图
2、。本次设计利用LTspice IV 软件对设计的CMOS二输入与非门进行仿真，以证实设计的正确性。LTspice IV 软件是一个仿真功能非常强大的软件，基本所有的器件和电路都可以用此软件进行设计和仿真。经过仿真，此设计的CMOS二输入与非门的功能得以实现，实现输入选择功能。本次研究，还利用Lasi 软件设计出CMOS二输入与非门的版图，利用Lasi 软件，可以充分认识到，CMOS二输入与非门底层物质的构造，可以增加对其的了解，并且可以进一步完善对CMOS二输入与非门的参数的设计。最终利用现在已有的规则对设计的版图进行检测，看其是否满足现有的基本规则，经过检测此次设计基本满足设计规则。关键字：
3、LTspice IV Lasi MOS管 CMOS二输入与非门 目录摘 要 1绪言3(一)基本概述41.1集成电路的概念.41.2集成电路分类41.3半导体简介51.4LTspice IV简介及用法6（二）电路工作原理分析.72.1LTspice IV电路工作原理72.2版图设计原理9（三）与非门LTspice IV仿真和版图设计过程103.1思路.113.2实现方案和LTspice IV电路仿真.11 1、实现方案 .12、LTspice IV电路仿真 .133.3Lasi版图设计.15 1Lasi软件简介152Lasi的版图设计.15 3.完整版图17（四）结束语.19（五）参考文献20绪
4、言集成电路是现代信息社会的基石。集成电路的应用渗透到工业、农业、国防以及人们生活的方方面面。首先，计算机给人类带来了飞跃式的发展，计算机带来了通信和网络的出现，可以说，没有计算机，人类还在飞鸽传信的时代，而现在的通信网络的发展带来了经济的发展，现在的互联网信息传输有速度快、信息可以准确可靠、而且信息量很大。早期的计算机功能很少，就是只能用于计算等简单的事情，而且有很大的缺点，比如说体积大，占用空间大，计算速度慢等等。之后集成电路的问世给计算机带来了飞快的发展，微计算机的出现更是离不开集成电路，现在的微计算机有体积小、重量轻、寿命长。效率高、功耗低等特点，并把计算速度从每秒几千次提高到几十万次。
5、现在信息时代的发展功劳归于集成电路。本文介绍的是用LTspice IV软件设计集成电路，设计的内容很简单，仅仅是CMOS二输入与非门的设计，虽然很简单，但是其用处很大，集成电路里都是由成千上万的简单逻辑电路组成，实现大功能。要设计出出色的集成电路芯片，需要从很小的逻辑单元开始设计，所以把基本功学好是成大器的必要条件。一、 基本概述1.1集成电路的概念从概念上理解，顾名思义，集成电路（integrated circuit）就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、二极管、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
6、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（基于硅的集成电路）和罗伯特诺伊思（基于锗的集成电路）。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。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
7、大大提高。1.2集成电路分类集成电路有很多的分类方法，按功能结构分类，按规模的分类，生产目的的分类等等按功能结构分类集成电路，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集成电路类。 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3G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）。其他的分类在此就不一一列出了，请参考
8、相关书籍（如：云南大学信息学院老师出版的MOS管集成电路设计）1.3半导体简介半导体是指电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。半导体室温时电阻率约在10E-5E欧姆米之间，温度升高时电阻率指数则减小。半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括-族化合物（砷化镓、磷化镓等）、-族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由-族化合物和-族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。 不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度
9、下，半导体的价带是满带(见能带理论)，受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴（图1 ）。导带中的电子和价带中的空穴合称电子- 空穴对，均能自由移动，即载流子，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生半导体而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，电子-空穴对消失，称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。在一定温度下，电子- 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时半导体具有一定的载流
10、子密度，从而具有一定的电阻率。温度升高时，将产生更多的电子- 空穴对，载流子密度增加，电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大，实际应用不多。1.4LTspice IV简介及用法Spice是Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis的缩写，是一种功能强大的通用模拟电路仿真器，已经具有几十年的历史了，该程序是美国加利福尼亚大学伯克利分校电工和计算科学系开发的，主要用于集成电路的电路分析程序中，Spice的网表格式变成了通常模拟电路和晶体管级电路描述的标准，其第一版本于1972年完成，是用Fortran语言写成的，1975年推出正式
11、实用化版本，1988年被定为美国国家工业标准，主要用于IC，模拟电路，数模混合电路，电源电路等电子系统的设计和仿真。由于Spice仿真程序采用完全开放的政策，用户可以按自己的需要进行修改，加之实用性好，迅速得到推广，已经被移植到多个操作系统平台上。 自从Spice问世以来，其版本的更新持续不断，有Spice2、Spice3等多个版本，新版本主要在电路输入、图形化、数据结构和执行效率上有所增强，人们普遍认为Spice2G5是最为成功和有效的，以后的版本仅仅是局部的变动。同时，各种以伯克利的Spice仿真程序的算法为核心的商用Spice电路仿真工具也随之产生，运行在PC和UNIX平台，许多都是基于
12、原始的LTspice IV 2G6版的源代码，这是一个公开发表的版本，它们都在Spice的基础上做了很多实用化的工作，比较常见的Spice仿真软件有Hspice、Pspice、Spectre、Tspice、 SmartSpcie、IsSpice等，虽然它们的核心算法雷同，但仿真速度、精度和收敛性却不一样，其中以Synopsys公司的Hspice和Cadence公司的Pspice最为著名。Hspice是事实上的Spice工业标准仿真软件，在业内应用最为广泛，它具有精度高、仿真功能强大等特点，但它没有前端输入环境，需要事前准备好网表文件，不适合初级用户，主要应用于集成电路设计；Pspice是个人用
13、户的最佳选择，具有图形化的前端输入环境，用户界面友好，性价比高，主要应用于PCB板和系统级的设计。LTspice IV的使用本人也不是很熟悉，但是对于这一次实验电路相当简单，所以能实现电路功能不成问题。首先，新建一个文件按钮，或是从File菜单新建，然后从原件库里加载实验用的原件，添加单电路板上，工具如下，具体的用法和操作比较简单，在这就不一一介绍。二、 电路工作原理分析电路的设计过程进行了详细的分析，但是没有具体的工作原理，所以本章来介绍电路的工作过程，因为电路本身就很简单所以也没有多少的内容可以介绍，就简单的交代自己的理解。2.1LTspice IV电路工作原理首先对LTspice IV仿
14、真电路工作原理做个介绍；原理图的仿真过程如下：原理图的输入信号为A和B它们参数为分别为（0 5v 0.5s 1n 1n 0.5s 1s 5）和（0 5v 1s 1n 1n 1s 2s 5），除了延时的单位不一样之外，其余的都一样。当两个输入A和B都为高电平时，两只NMOS管下拉的M3和M4都导通，而两只PMOS上拉管M1和M2由于Vgs为零，所以都截止，电源VDD到地之间没有电流通路形成，输出的被导通的NMOS下拉管拉到低电平0，所以输出为低电平，只要输入A和B有低电平输入，其相应的PMOS至少有一个的Vgs为负数，且大于Vtp，所以至少有一个管子导通，由于是并联的，所以上拉管就是导通的，而下
15、拉管NMOS至少有一个是截止的，由于串联，所以整个下拉管NMOS是截止的，电源VDD到地之间没有电流通路形成，输出被导通的PMOS上拉管拉到高电平VDD，所以输出为高电平，由此可知，该电路实现了与非逻辑功能，即输出F=。仿真电路的工作原理就介绍这么多。2.2版图设计原理P型半导体也称为空穴型半导体。P型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体。 在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成P型半导体。在P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电。由于P型半导体中正电荷量与负电荷量相等，故P型半导体呈电中性。空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发
16、形成。掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能就越强。N型半导体也称为电子型半导体。N型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。 在纯净的硅晶体中掺入族元素（如磷、砷、锑等），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。这类杂质提供了带负电（Negative）的电子载流子，称他们为施主杂质或n型杂质。在N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子，主要靠自由电子导电，由于N型半导体中正电荷量与负电荷量相等，故N型半导体呈电中性。自由电子主要由杂质原子提供，空穴由热激发形成。掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能就越强。以上介绍了P型N型半导体之后，就可以按照它
17、们的性能来画版图，也就知道哪里该有什么样的物质了，画好的版图如下从上图可以看得出PMOS需要N衬底，MOS管的源区和漏区是完全对称的，如果MOS管的衬底事先没有与其他的任何电极连接，则MOS管的源极和漏极完全可以互换使用。判断MOS管源极和漏极的常用方法有两个，第一个方法是根据它在电路中的连接方式，第二个方法就是根据MOS管的电流方向进行判断，对于NMOS管，沟道电流从漏区流向源区，而PMOS管则是相反的。由以上的NMOS和PMOS的特性可知，对于NMOS Vgs要正电压才能形成电流沟道，而PMOS就相反，上图的设计就可以实现与非门。三、 与非门LTspice IV仿真和版图设计过程本章讲的是
18、实现二输入CMOS与非门的构思和实现的过程。首先，画电路要想到要画什么样的电路，以及它要实现的功能，本次电路要实现二输入CMOS与非门，本人对集成电路不是很熟，但是上了这门课后对集成电路的了解有了很大的进步，所以本次实验要把自己学到的知识来实现二输入CMOS与非门，这个实验比较简单，但是对于初学的我也有一定的难度。首先，对电路仿真软件是初学，其次是集成电路的生产设计不太了解，这是第一次设计简单的集成电路，所以只能实现简单的功能。3.1思路本门课的任务是学习集成电路，集成电路是个很大概念，小到一些小系统的电路，不如说单片机，达到电脑的主板、CPU等都是很大的集成度，我们是初学者，从简单的开始，到
19、期中为止，我们也学了不少的东西，如：集成电路的应用领域，材料，以及简单的集成单元，就是简单的逻辑门。这些简单逻辑门，老师在课堂上也讲了很多，软件的使用等等。现在自己来实现简单的电路功能，这些软件和集成电路不仅是二输入CMOS与非门那么简单，在这就算是牛刀小试吧！我们学的有二输入NMOS与非门，反相器，多输入或非门等等，这次就来做个二输入CMOS与非门。在大的功能以我们现在的能力做不出来，就做个简单的逻辑门电路实现与非功能。 二输入CMOS与非门所用到的MOS管有l两个NMOS和两个PMOS，首先要对其以正确的方式连起来，这就得对MOS管有一定的掌握，然后用LTspice IV对电路进行仿真，最
20、后用Lasi设计成生产用的物理层结构。3.2实现方案和LTspice IV电路仿真1、实现方案：以上的内容已经说明了，本次电路实现的是二输入CMOS与非门，就是用MOS管来实现电路功能，它们的连接方式如图2.2-1所示：图3.2-1 下拉管由串联的NMOS管M3和M4组成，上拉管由并联的PMOS管M1和M2组成，两个输入信号A和B分别加在两对互补的NMOS管和PMOS管的栅极上，输出从它们的漏极引出。PMOS管M1和M2的衬底B和源极S连在一起接上5v的VDD。NMOS管M4的源极和衬底连在一起和地相连。 现在来分析它们的工作原理，当两个输入A和B都为高电平时，两只NMOS管下拉的M3和M4都
21、导通，而两只PMOS上拉管M1和M2由于Vgs为零，所以都截止，电源VDD到地之间没有电流通路形成，输出的被导通的NMOS下拉管拉到低电平0，所以输出为低电平，只要输入A和B有低电平输入，其相应的PMOS至少有一个的Vgs为负数，且大于Vtp，所以至少有一个管子导通，由于是并联的，所以上拉管就是导通的，而下拉管NMOS至少有一个是截止的，由于串联，所以整个下拉管NMOS是截止的，电源VDD到地之间没有电流通路形成，输出被导通的PMOS上拉管拉到高电平VDD，所以输出为高电平，由此可知，该电路实现了与非逻辑功能，即输出F=。其真值表和相应的MOS导通情况如图3.2-2所示：A BM1 M2M3
22、M4F0 0导通 导通截止 截止10 1导通 截止截止 导通11 0截止 导通导通 截止11 1截止 截止导通 导通0图3.2-22、LTspice IV电路仿真对LTspice IV的使用如下所介绍，是对本次试验的所用的元器件顺序来介绍，其它电路的画法和这次试验同理。首先，刚打开LTspice时，画板上是空的，因为没有新建的项目或文件，也没有打开系统内现有的文件，所以工具栏也是灰色的，不可用；所以要新建文件，File下的NEW Schematic新建文件，这是工具栏的工具就可以用了；之后，在本实验，我个人的实现方法是，先加入试验用的NMOS和PMOS原件，加入的方法是工具栏上的像个与门的图标
23、，在这个元件库里，可以加入电源VDD，和输入脉冲电源,然后对电源参数进行设置；连上导线就可以仿真了。电路的基本思路和实现的方法已经出来，这电路能不能工作、和理论是否相符合？那就得仿真试试看，图2.2-3是LTspice IV软件的仿真电路，是按照电路的原理图画出来的，其中VDD为5V，输入信号A和B分别是两个脉冲信号，它们的PULSE参数分别为（0 5v 0.5s 1n 1n 0.5s 1s 5）和（0 5v 1s 1n 1n 1s 2s 5），这些参数表示为（低电平 脉冲大小 延时 上升沿时间 下降沿时间 脉冲宽度 脉冲周期 仿真周期个数）。图3.2-3仿真得到的波形图如图3.2-4图3.2
24、-4上面图的波行图从上到下分别是两个输入和输出，可以看得出来，只要两个输入中有低电平，输出就为高电平，满足了实验与非门的目标。3.3Lasi版图设计1Lasi软件简介Lasi是一个通用的IC布线和设计系统。Lasi可以用于各种电路的设计和布线，Lasi的图形功能很强，能够输入原理图并对其进行分析。Lasi由一个主要的画图主程序和几个工具程序组成。包括GDS、CIF、DXF格式转换工具、位图格式的设计规则检查工具和一个能从原理图提取LTspice IV文件的图形化的SHPICE编译器。Lasi在80年代中被作者用来在MS-DOS下作为自己设计IC的软件，后来作者开发了WINDOWS下的Lasi。
25、Lasi本身不支持LTspice IV仿真，但是Lasi能够与现有很好的LTspice IV仿真工具集成。另外，Lasi作为一个开放式的项目，相关的电路资源丰富。2Lasi的版图设计对电路的版图设计是本实验的一个重要内容，下面就来介绍本实验的版图设计过程；首先，打开已安装好的版图设计软件Lasi，之后就会提示你是新建文件还是加载已有文件，本次试验是自己初次设计的，所以新建一个文件为cmos；之后加载所有用到的材料层；下面就是画图过程:(1)制作N阱；对N的样式进行编辑（这说明一下，本软件的上方和右方有很多的菜单，用于对版图的编辑。），选右边的按钮菜单一menu1（menu1和menu2可以单击
26、切换），点Attr就弹出编辑板，如下：之后选N阱NWEl，对颜色和填充样式进行选择，确定；这一步就完成了NEML的编辑；这一步可以对所用到的所有物质进行编辑。下一步就是选择要画的层NWEL，单击Ldrw弹出选层板，样式如下图:图上当前选的就是NWEL。下一步选要画的层，单击Layr；之后单击Add加入画板上就可以画出来NWEL了。（2）制作有源区active，和上面一步一样选择步骤，之后确定要画的位置画上去，是按照物质层的应在位置画上，在画的过程中，难免有些偏差，可以单击get在获取要编辑的物质层，再mov，del等操作，单击put取消选择；（3）和以上的步骤一样制作多晶硅栅极polysili
27、con；（4）形成N型掺杂区N-select；（5）形成P型掺杂区P-select；（6）制作接触孔contact；（7）制作金属互连线；这样就完成了版图的设计，设计后的版图如3.完整版图检查版图无误后，加上焊盘，形成完整版图，如下图所示；3.4出现的问题和解决LTspice IV仿真电路出现的问题，放置元件时，不知道怎么对元件的反转，之后是脉冲电源的参数设置问题，大概就这两个致命问题；之后的解决方案就是Ctrl+R可以对元器件进行反转调整方向，还有就是NMOS和PMOS有自己可以设计衬底连接的元件COMS4;脉冲电源是选Voltage作为电源，单击右键可以设置其参数；版图设计出现的问题有物质
28、层编辑的选项开始时是灰色的，不可用，之后加载方式来解决了这个问题。出现的问题基本上就是这些，因为是初学的电路上可能还有自己没有看出的问题，等待老师的指点。四、 结束语通过Lasi 软件对CMOS反相器的最底层物质进行设计，这样加深了学者对CMOS反相器的基本构成物质结构的学习，使学者在学习CMOS反相器的过程中更加清楚其工作的原理。设计底层的版图，对于了解CMOS反相器有很大的帮助，只有知道最底层的结构，才可能改变某些参数，使之达到最优的运行状态。通过LTspice IV软件，我们在没有实物的情况下，真实的感受到了电路的运行情况。在实际的生活中，如果直接搭建电路，最后可能造成意想不到的后果，这样既浪费时间也浪费了许多的元器件，所以在每次焊接电路之前。如果先用仿真软件进行仿真，成功之后，在进行电路的焊接，这样就省了很多的功夫，并且成功率比较高。对于此次CMOS反相器的设计，让我们充分感受到了Lasi软件和LTspice IV软件的强大，对于学习来说是一个很好的帮助平台。五、 参考文献【1】 MOS管集成电路设计 梁竹关 赵东风 编著 科学出版社【2】 模拟CMOS集成电路设计 毕查德拉扎维 编著 西安交通大学出版社
