集成電路設計技術與工具（簡體書）

本教材按照材料與器件物理、制造工藝、版圖設計、元器件及其SPICE 模型、基于SPICE的集成電路仿真、晶體管級設計、模塊級設計、系統級設計、集成電路封裝和測試的“自底向上”設計流程講述集成電路設計的基礎知識和基本技術，并介紹九天(Zeni)系統、Silvaco系統等相關的分析與設計軟件工具。本書可作為普通高等院校電子科學與技術、通信與信息等學科本科生和碩士研究生的教材，也可作為完成了學業、準備轉入集成電路設計的相關專業大學畢業生的自學讀物，還可作為從事集成電路設計與制造工程技術人員的參考書。

王志功

男，1954年出生於河南省滎陽縣：1973年9月至1981年12月先後在南京工學院（現東南大學）無線電工程系學習、任助教和攻讀碩士：1982年1月赴同濟大學任教：1984年12月至1990年8月先後在德國波鴻魯爾大學電子系進修和攻讀博士：1990年10月至1997年9月先後在德國弗朗霍夫協會所屬的應用固體物理研究所做博士後和任客座研究員：1997年10月作為國務院人事部歸國定居專家回國工作，受聘為東南大學無線電工程系教授，博士生導師，電路與系統學科帶頭人，領導建立了東南大學射頻與光電集成電路研究所，擔任所長。迄今為止已在國際和國家重要會議和核心期刊上發表論文300多篇，獲得德國、中國和國際發明專利14項，出版專著1部，譯著6部和教科書5部。
1998年獲得“國家傑出青年科學基金”。1998-2004年擔任國家863計劃光電子主題專家組專家。1999年入選全國“百千萬人才工程”一、二層次人選。2000年榮獲教育部長江學者特聘教授。2001年以來擔任教育部高等學校電子電氣基礎課程教學指導分委員會主任委員。2003年9月獲中央組織部和教育部等6部聯合授予的“留學回國人員成就獎”。2004年6月榮獲國務院僑務辦公室和全國歸國華僑聯合會授予的“全國歸僑十傑”稱號。2006年獲“全國五一勞動獎章”和“全國師德標兵”。

景為平

男，1954年出生於江蘇省南通市。1978年大學畢業於南京工學院（現東南大學）無線電工程係並開始在南通工學院任教。1985年至1988年在南京航空學院（現南京航空航天大學）電子工程系攻讀碩士學位，獲工學碩士學位。現任江蘇省專用集成電路設計重點實驗室（南通大學）主任、研究員，主要從事模擬和數模混合集成電路及其集成系統設計方面的研究工作。

孫玲

女，1976年出生於江蘇省如皋市。1998年大學畢業於南通工學院（現南通大學）自動化係並留校任教。2001年至2007年先後在東南大學信息科學與工程學院攻讀碩士和博士學位，獲工學碩士和工學博士學位。現為江蘇省專用集成電路設計重點實驗室（南通大學）講師，主要從事高頻集成電路設計、測試與封裝方面的研究工作。

本教材是普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，是根據教育部高等學校電子信息科學與電氣信息類基礎課程教學指導分委員會制定的“集成電路設計基礎”課程教學基本要求編寫的教科書。
本教材是在2004年出版的《集成電路設計與九天EDA工具應用》基礎上，精選相關知識，重新組織體係而形成的。全書內容遵循“自底向上”的知識展開方式，從集成電路材料與器件物理基礎出發，按照集成電路工藝製造技術、版圖和電路設計技術、設計工具使用到封裝和測試的流程，全面介紹了集成電路設計各環節涉及的技術和相關軟件工具。並註重將基礎理論知識與工程實踐相結合，將成熟的設計技術與最新的研究成果相結合，力求符合當前的技術發展趨勢，達到讀者能夠學以致用的目標。與《集成電路設計與九天EDA工具應用》-書相比較，其主要改動如下：
（1）全書按照集成電路“自底向上”的設計路線構思整體框架，章節之間環環相扣，將集成電路設計的全流程循序漸進地呈現在讀者面前。
（2）內容更注重集成電路設計技術與工具的緊密結合。在第3章介紹集成電路製造工藝部分，補充了集成電路工藝CAD的內容，並在附錄中介紹了工藝與器件仿真工具，給出仿真實例；在第4章介紹集成電路版圖設計方面，結合ZeniEDA工具介紹了全定制集成電路版圖編輯和驗證的全流程；在第6章介紹集成電路SPICE仿真時，給出了SmartSpice環境下的多個仿真實例。
（3）在集成電路晶體管級設計的兩章內容中，著重於設計理念、方法和仿真工具的應用，縮減了電路原理的介紹。
（4）增加了數字與模擬電路的模塊級設計。
（5）增加了基於混合信號硬件描述語言Verilog-AMS進行系統級設計的新技術。
（6）在集成電路封裝技術中，增加了封裝熱特性和信號完整性的知識。
（7）將集成電路測試獨立為一章，增加了模擬集成電路測試方法和測試實例，以及數字集成電路可測性設計的相關知識。
本教材分為兩大部分。第一部分共分12章，討論集成電路設計的一系列基本知識。第1章對集成電路設計的各個方面進行了概述。第2章介紹集成電路製造相關的絕緣體、導體和半導體材料、集成電路的基本結構和相關理論。第3章介紹集成電路製造的基本工藝以及雙極型、MESFET/HEMT和CMOS等特定集成電路工藝。第4章介紹集成電路版圖設計的基本過程和知識。第5章介紹集成電路無源和有源器件的SPICE模型。第6章介紹採用SPICE進行集成電路模擬的基本技術，對各種輸入語句格式進行了詳細描述。第7章和第8章按模擬和數字兩部分介紹集成電路晶體管級設計方法。第9章介紹集成電路模塊級設計。第10章介紹集成電路系統級設計。第11章介紹集成電路封裝方面的有關問題。第12章介紹集成電路測試方面的有關問題。希望使讀者通過這12章的學習，全面了解集成電路全流程，了解集成電路設計工藝、掌握設計工具，為從事集成電路設計奠定基礎。
第二部分由附錄A、附錄B和附錄C組成。其中，附錄A以SilvacoTCAD系統為例介紹集成電路工藝和器件仿真工具；附錄B以ZeniEDA系統為例介紹集成電路版圖設計工具應用以及數模混合系統設計平台。附錄C以Windows操作平台下的SilvacoSimuCAD系統為例介紹集成電路仿真工具。如果說本教材第一部分的內容側重於理論學習和知識掌握的話，第二部分的內容則側重於IC設計工具的掌握和IC設計的實踐。
本教材主要考慮作為電子科學和通信與信息等學科本科生和碩士研究生的教材，也可作為完成了學業、準備轉入集成電路設計的大學畢業生和電子工程師的自學讀物。
本教材由東南大學射頻與光電集成電路研究所所長王志功教授、南通大學江蘇省專用集成電路設計重點實驗室主任景為平研究員以及南通大學孫玲博士編著。全書初稿的第1、7章由程夢章編寫，第2、3章由羅向東編寫，第4、5、9章和附錄由孫玲編寫，第6章由陶濤編寫，第8章由金麗編寫，第10章由陳海進編寫，第11章由孫海燕編寫，第12章由劉炎'華編寫。3位主編對所有初稿做了全面調整和大量修改，經東南大學田良教授主審，最終定稿。
本教材的編寫得到了北京中電華大電子設計有限責任公司和Silvaco中國的全力支持，教材初稿完成後，兩家公司相關工程師審閱了相關內容，並為讀者提供了軟件學習資料，豐富了附錄光盤內容。中國半導體行業協會副理事長、集成電路設計分會理事長王芹生研究員和北京中電華大電子設計有限責任公司總經理劉偉平研究員對本書的編寫給予了熱情的鼓勵和積極的支持，王芹生研究員還親自為本教材撰寫了序言，東南大學出版社李玉副編審為本教材的成稿和出版做了大量的組織和編輯工作，在此一併表示衷心的感謝。
鑑於集成電路技術發展迅速，又涉及到眾多技術領域，使得編寫一本既能覆蓋基礎技術，又能跟踪前沿技術的教材變得十分困難。我們雖然盡了努力，但仍感到難以滿意。對於教材中的遺漏和錯誤，懇望讀者批評指正。

第1章 集成電路設計導論
1.1 集成電路的發展
1.2 集成電路的分類
1.2.1 按器件結構類型分類
1.2.2 按集成度分類
1.2.3 按使用的基片材料分類
1.2.4 按電路的功能分類
1.2.5 按應用領域分類
1.3 集成電路設計步驟
1.4 集成電路設計方法
1.4.1 全定制方法(Full-Custom Design Approach)
1.4.2 半定制方法(Semi-Custom Design Af)proach)
1.5 電子設計自動化技術概論
1.5.1 Cadence EDA軟件
1.5.2 Synopsys EDA軟件
1.5.3 Mentot Graphics EDA軟件
1.5.4 Zeni EDA軟件
1.5.5 Silvaco EDA軟件
1.6 本書結構
參考文獻
思考題與習題
第2章 集成電路材料與器件物理基礎
2.1 引言
2.2 集成電路材料
2.3 半導體基礎知識
2.3.1 固體的晶體結構
2.3.2 固體能帶結構基礎
2.3.3 本征半導體與雜質半導體
2.3.4 半導體的特性
2.4 PN結與結型二極管
2.4.1 PN結的形成
2.4.2 PN結型二極管特性
2.4.3 肖特基接觸和肖特基結二極管
2.4.4 歐姆接觸
2.5 雙極型晶體管
2.5.1 雙極型晶體管的基本結構
2.5.2 雙極型晶體管的工作原理
2.6 MOS晶體管的基本結構與工作原理
2.6.1 MOS晶體管的基本結構
2.6.2 MOS晶體管的基本工作原理
2.6.3 MOS晶體管性能分析
2.6.4 MOS器件的電壓一電流特性
2.7 金屬半導體場效應晶體管MESFET
2.8 本章小結
參考文獻
思考題與習題
第3章 集成電路制造工藝
第4章 集成電路版圖設計工具
第5章 集成電路元器件及其SPICE模型
第6章 集成電路仿真軟件SPICE
第7章 模擬集成電路晶體管級設計
第8章 數字集成電路晶體管級設計
第9章 集成電路模塊設計
第10章 集成電路系統級設計
第11章 集成電路封裝
第12章 集成電路測試
附錄A Silvaco TCAD系統——工藝和器件仿真工具介紹
附錄B 九天系統——版圖設計工具介紹
附錄C Silvaco SimuCAD系統——集成電路仿真工具介紹