第九章芯片的輸入/輸出構(gòu)造第一節(jié)芯片的總體構(gòu)造第二節(jié)輸入單元第三節(jié)輸出單元第四節(jié)雙向單元第九章芯片的輸入/輸出構(gòu)造第一節(jié)芯片的總體構(gòu)造1第一節(jié)芯片的總體構(gòu)造一、芯片的總體布局要求布局的規(guī)整Regularity壓焊塊(PAD)分為：輸入輸出三態(tài)/雙向信號通過壓焊塊與外部相連，壓焊塊單元起內(nèi)外隔離、對外驅(qū)動，內(nèi)部保護等的功能。第一節(jié)芯片的總體構(gòu)造一、芯片的總體布局要求布局的規(guī)整Reg2二、壓焊塊的尺寸及布局大?。簤汉附z能夠連接的最小尺寸100mm×100mm－150mm×150mm間距：壓焊機能夠工作的最小間距150mm－200mm二、壓焊塊的尺寸及布局大?。簤汉附z能夠連接的最小尺寸1003芯片的輸入輸出結(jié)構(gòu)教學(xué)課件4芯片的輸入輸出結(jié)構(gòu)教學(xué)課件5電源和地線的布局電源和地線的布局6第二節(jié)輸入單元一、輸入單元的作用對內(nèi)部電路的保護內(nèi)外信號電平的轉(zhuǎn)換提高輸入信號的驅(qū)動能力二、輸入保護電路三、輸入緩沖電路第二節(jié)輸入單元一、輸入單元的作用7芯片的輸入輸出結(jié)構(gòu)教學(xué)課件8二、輸入保護電路靜電對MOSFET的影響－ESD〔electrostaticdischarge)ESD是引起芯片在制備和使用中失效的主要原因之一。外界干擾和靜電感應(yīng)可以引起很高的電壓，使MOSFET柵擊穿。MOSFET－絕緣柵晶體管－對于一定的柵介質(zhì)，其擊穿電場一定，通常在5×106－107V/cm,柵上積累的少量電荷，將引起柵擊穿。思考題：如果MOS構(gòu)造中氧化層的厚度為Tox，氧化層所承受的最大電場強度為EM，估算該MOS構(gòu)造能感應(yīng)出的最大電荷密度Qmax和所能夠承受的最大的偏壓Vmax。二、輸入保護電路靜電對MOSFET的影響－ESD〔elec9保護方法：為柵上感應(yīng)的電荷提供放電通路。輸入保護電路I要求二極管的擊穿電壓小于MOSFET柵的最大耐壓。外界高壓二極管先擊穿流過的大電流在電阻上產(chǎn)生壓降MOSFET柵上的電壓降低保護方法：為柵上感應(yīng)的電荷提供放電通路。輸入保護電路I要求二10輸入保護電路II通過兩個二極管對輸入信號鉗位使輸入端信號鉗制在感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電壓超出此范圍同樣被鉗位電阻典型值為幾百歐姆輸入保護電路II通過兩個二極管對輸入信號鉗位使輸入端信號鉗制11芯片的輸入輸出結(jié)構(gòu)教學(xué)課件12三、輸入緩沖電路提高輸入信號的驅(qū)動能力、內(nèi)外信號電平的轉(zhuǎn)換輸入緩沖電路I一級或兩級反相器TLL電路到CMOS電路的電平位移假設(shè)MOSFET的Vth＝1.0V,設(shè)計該反相器的尺寸三、輸入緩沖電路提高輸入信號的驅(qū)動能力、內(nèi)外信號電平的轉(zhuǎn)換輸13輸入單元的幅員nMOS柵接地形成二極管pMOS柵接地形成二極管輸入單元的幅員nMOS柵接地形成二極管pMOS柵接地形成二極14輸入緩沖電路II輸入信號不反相，減小輸入緩沖反相器的尺寸，提高電平轉(zhuǎn)換的能力和可靠性輸入緩沖電路II輸入信號不反相，減小輸入緩沖反相器的尺寸，15輸入緩沖電路III施密特觸發(fā)器Schmitttrigger提高輸入噪聲容限輸入緩沖電路III施密特觸發(fā)器Schmitttrigg16第三節(jié)輸出單元一、輸出單元的作用提供一定的負(fù)載能力，減少內(nèi)部邏輯電路的負(fù)荷承擔(dān)一定的邏輯功能，有一些可控性，一般有同相和反相輸出。通常輸出單元需要驅(qū)動壓焊點、封裝引線、及到PCB版的寄生電容，總共為幾十－幾百pF。二、輸出驅(qū)動電路三、三態(tài)輸出電路第三節(jié)輸出單元一、輸出單元的作用17二、輸出驅(qū)動電路要求緩沖器有足夠大的驅(qū)動能力；同時緩沖器總延遲時間最小。二、輸出驅(qū)動電路要求緩沖器有足夠大的驅(qū)動能力；18輸出驅(qū)動電路I利用大尺寸反相器提高驅(qū)動能力輸出驅(qū)動電路I利用大尺寸反相器提高驅(qū)動能力19大尺寸NMOSFET幅員大尺寸NMOSFET幅員20輸出驅(qū)動電路II反相器鏈，又稱超級驅(qū)動器，superbuffer設(shè)計關(guān)鍵：驅(qū)動負(fù)載CL需要多少級才能使延遲最??？每級反相器的尺寸如何確定？輸出驅(qū)動電路II反相器鏈，又稱超級驅(qū)動器，superbuf21三、三態(tài)輸出電路輸出單元除了可以輸出“1〞和“0〞的邏輯電平外，還可實現(xiàn)高阻輸出。單元具有三種輸出狀態(tài)。高阻狀態(tài)－輸出端既沒有電流流出，又沒有電流流入。三、三態(tài)輸出電路輸出單元除了可以輸出“1〞和“0〞的邏輯電平22CK＝1，Z＝DCK＝0，Z為高阻態(tài)CK＝1，Z＝D23同相三態(tài)輸出單元的幅員同相三態(tài)輸出單元的幅員24第四節(jié)雙向單元第四節(jié)雙向單元25芯片的輸入輸出結(jié)構(gòu)教學(xué)課件26設(shè)計題1，時鐘驅(qū)動器CLKPAD1500Cu500Cu1200Cu750CuCubuffer0buffer1buffer2buffer3buffer4CLK1CLK2CLK3CLK4設(shè)計上圖的時鐘驅(qū)動器buffer0－buffer4的級數(shù)和尺寸以滿足要求：1、CLK1－CLK4之間為同相信號〔偶數(shù)級反相器〕2、CLK1－CLK4的上升、下降時間滿足trise和tfall<1.5ns3、CLK1－CLK4之間的歪斜小于50ps并畫出buffer2的幅員。說明：電源電壓為2.5V片外輸入時鐘CLK的上升和下降時間均為0.5ns。Cu為buffer0的第一級反相器的輸入電容，Cu等于標(biāo)準(zhǔn)反相器的輸入電容。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)反相器的延遲為40ps。設(shè)計題1，時鐘驅(qū)動器CLK1500Cu500Cu1200Cu27P阱CMOS工藝幅員設(shè)計規(guī)那么圖形設(shè)計規(guī)則及內(nèi)容規(guī)則（m）原因阱區(qū)阱的最小寬度9保證光刻精度和器件尺寸阱間的最小距離20防止不同電位阱間干擾有源區(qū)最小寬度6保證器件尺寸減小窄溝效應(yīng)最小間距6減小寄生效應(yīng)阱內(nèi)n+有源區(qū)與阱最小間距9保證光刻精度和場區(qū)尺寸阱內(nèi)p+有源區(qū)與阱最小間距6保證形成良好的阱接觸阱外n+有源區(qū)與阱最小間距6保證阱和襯底間PN結(jié)的特性阱外p+有源區(qū)與阱最小間距9抑制latch-upP阱CMOS工藝幅員設(shè)計規(guī)那么圖形設(shè)計規(guī)則及內(nèi)容規(guī)則（m）28多晶硅最小線寬3保證器件特性、和多晶硅電導(dǎo)最小間距3防止多晶硅聯(lián)條硅柵在有源區(qū)外的最小露頭4保證形成完整的MOSFET硅柵與有源區(qū)最小內(nèi)間距4保證電流在硅柵內(nèi)的均勻流動多晶硅與有源區(qū)最小外間距2保證溝道區(qū)尺寸，防短路注入對有源區(qū)最小覆蓋3保證源漏區(qū)能完整地注入對外部有源區(qū)最小間距6防止p+區(qū)、n+區(qū)互相影響注入?yún)^(qū)最小寬度6保證足夠的接觸區(qū)注入?yún)^(qū)最小間距3防止互相影響多最小線寬3保證器件特性、和多晶硅電導(dǎo)最小間距3防止多晶硅聯(lián)29引線孔引線孔最小面積33保證孔的形成和良好接觸孔間最小間距3保證良好接觸孔距硅柵的最小間距3防止源漏與柵短路有源區(qū)/多晶硅對孔的最小覆蓋2防止漏電和短路多晶硅接觸孔與有源區(qū)的最小間距3防止漏電和短路引線孔引線孔最小面積33保證孔的形成和良好接觸孔間最小間距30

金屬金屬引線的最小線寬3保證金屬線的形成和良好導(dǎo)電引線最小間距（線寬<10m）（線寬10m）36防止金屬聯(lián)條對引線孔的最小覆蓋2保證接觸和防止斷路壓焊點面積1102可靠接觸壓焊點間距90可靠接觸鈍化金屬對鈍化孔的最小覆蓋6可靠接觸

金屬引線的最小線寬3保證金屬線的形成和良好導(dǎo)電引線最小間距31第九章芯片的輸入/輸出構(gòu)造第一節(jié)芯片的總體構(gòu)造第二節(jié)輸入單元第三節(jié)輸出單元第四節(jié)雙向單元第九章芯片的輸入/輸出構(gòu)造第一節(jié)芯片的總體構(gòu)造32第一節(jié)芯片的總體構(gòu)造一、芯片的總體布局要求布局的規(guī)整Regularity壓焊塊(PAD)分為：輸入輸出三態(tài)/雙向信號通過壓焊塊與外部相連，壓焊塊單元起內(nèi)外隔離、對外驅(qū)動，內(nèi)部保護等的功能。第一節(jié)芯片的總體構(gòu)造一、芯片的總體布局要求布局的規(guī)整Reg33二、壓焊塊的尺寸及布局大?。簤汉附z能夠連接的最小尺寸100mm×100mm－150mm×150mm間距：壓焊機能夠工作的最小間距150mm－200mm二、壓焊塊的尺寸及布局大?。簤汉附z能夠連接的最小尺寸10034芯片的輸入輸出結(jié)構(gòu)教學(xué)課件35芯片的輸入輸出結(jié)構(gòu)教學(xué)課件36電源和地線的布局電源和地線的布局37第二節(jié)輸入單元一、輸入單元的作用對內(nèi)部電路的保護內(nèi)外信號電平的轉(zhuǎn)換提高輸入信號的驅(qū)動能力二、輸入保護電路三、輸入緩沖電路第二節(jié)輸入單元一、輸入單元的作用38芯片的輸入輸出結(jié)構(gòu)教學(xué)課件39二、輸入保護電路靜電對MOSFET的影響－ESD〔electrostaticdischarge)ESD是引起芯片在制備和使用中失效的主要原因之一。外界干擾和靜電感應(yīng)可以引起很高的電壓，使MOSFET柵擊穿。MOSFET－絕緣柵晶體管－對于一定的柵介質(zhì)，其擊穿電場一定，通常在5×106－107V/cm,柵上積累的少量電荷，將引起柵擊穿。思考題：如果MOS構(gòu)造中氧化層的厚度為Tox，氧化層所承受的最大電場強度為EM，估算該MOS構(gòu)造能感應(yīng)出的最大電荷密度Qmax和所能夠承受的最大的偏壓Vmax。二、輸入保護電路靜電對MOSFET的影響－ESD〔elec40保護方法：為柵上感應(yīng)的電荷提供放電通路。輸入保護電路I要求二極管的擊穿電壓小于MOSFET柵的最大耐壓。外界高壓二極管先擊穿流過的大電流在電阻上產(chǎn)生壓降MOSFET柵上的電壓降低保護方法：為柵上感應(yīng)的電荷提供放電通路。輸入保護電路I要求二41輸入保護電路II通過兩個二極管對輸入信號鉗位使輸入端信號鉗制在感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電壓超出此范圍同樣被鉗位電阻典型值為幾百歐姆輸入保護電路II通過兩個二極管對輸入信號鉗位使輸入端信號鉗制42芯片的輸入輸出結(jié)構(gòu)教學(xué)課件43三、輸入緩沖電路提高輸入信號的驅(qū)動能力、內(nèi)外信號電平的轉(zhuǎn)換輸入緩沖電路I一級或兩級反相器TLL電路到CMOS電路的電平位移假設(shè)MOSFET的Vth＝1.0V,設(shè)計該反相器的尺寸三、輸入緩沖電路提高輸入信號的驅(qū)動能力、內(nèi)外信號電平的轉(zhuǎn)換輸44輸入單元的幅員nMOS柵接地形成二極管pMOS柵接地形成二極管輸入單元的幅員nMOS柵接地形成二極管pMOS柵接地形成二極45輸入緩沖電路II輸入信號不反相，減小輸入緩沖反相器的尺寸，提高電平轉(zhuǎn)換的能力和可靠性輸入緩沖電路II輸入信號不反相，減小輸入緩沖反相器的尺寸，46輸入緩沖電路III施密特觸發(fā)器Schmitttrigger提高輸入噪聲容限輸入緩沖電路III施密特觸發(fā)器Schmitttrigg47第三節(jié)輸出單元一、輸出單元的作用提供一定的負(fù)載能力，減少內(nèi)部邏輯電路的負(fù)荷承擔(dān)一定的邏輯功能，有一些可控性，一般有同相和反相輸出。通常輸出單元需要驅(qū)動壓焊點、封裝引線、及到PCB版的寄生電容，總共為幾十－幾百pF。二、輸出驅(qū)動電路三、三態(tài)輸出電路第三節(jié)輸出單元一、輸出單元的作用48二、輸出驅(qū)動電路要求緩沖器有足夠大的驅(qū)動能力；同時緩沖器總延遲時間最小。二、輸出驅(qū)動電路要求緩沖器有足夠大的驅(qū)動能力；49輸出驅(qū)動電路I利用大尺寸反相器提高驅(qū)動能力輸出驅(qū)動電路I利用大尺寸反相器提高驅(qū)動能力50大尺寸NMOSFET幅員大尺寸NMOSFET幅員51輸出驅(qū)動電路II反相器鏈，又稱超級驅(qū)動器，superbuffer設(shè)計關(guān)鍵：驅(qū)動負(fù)載CL需要多少級才能使延遲最?。棵考壏聪嗥鞯某叽缛绾未_定？輸出驅(qū)動電路II反相器鏈，又稱超級驅(qū)動器，superbuf52三、三態(tài)輸出電路輸出單元除了可以輸出“1〞和“0〞的邏輯電平外，還可實現(xiàn)高阻輸出。單元具有三種輸出狀態(tài)。高阻狀態(tài)－輸出端既沒有電流流出，又沒有電流流入。三、三態(tài)輸出電路輸出單元除了可以輸出“1〞和“0〞的邏輯電平53CK＝1，Z＝DCK＝0，Z為高阻態(tài)CK＝1，Z＝D54同相三態(tài)輸出單元的幅員同相三態(tài)輸出單元的幅員55第四節(jié)雙向單元第四節(jié)雙向單元56芯片的輸入輸出結(jié)構(gòu)教學(xué)課件57設(shè)計題1，時鐘驅(qū)動器CLKPAD1500Cu500Cu1200Cu750CuCubuffer0buffer1buffer2buffer3buffer4CLK1CLK2CLK3CLK4設(shè)計上圖的時鐘驅(qū)動器buffer0－buffer4的級數(shù)和尺寸以滿足要求：1、CLK1－CLK4之間為同相信號〔偶數(shù)級反相器〕2、CLK1－CLK4的上升、下降時間滿足trise和tfall<1.5ns3、CLK1－CLK4之間的歪斜小于50ps并畫出buffer2的幅員。說明：電源電壓為2.5V片外輸入時鐘CLK的上升和下降時間均為0.5ns。Cu為buffer0的第一級反相器的輸入電容，Cu等于標(biāo)準(zhǔn)反相器的輸入電容。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)反相器的延遲為40ps。設(shè)計題1，時鐘驅(qū)動器CLK1500Cu500Cu1200Cu58P阱CMOS工藝幅員設(shè)計規(guī)那么圖形設(shè)計規(guī)則及內(nèi)容規(guī)則（m）原因阱區(qū)阱的最小寬度9保證光刻精度和器件尺寸阱間的最小距離20防止不同電位阱間干擾有源區(qū)最小寬度6保證器件尺寸減小窄溝效應(yīng)最小間距6減小寄生效應(yīng)阱內(nèi)n+有源區(qū)與阱最小間距9保證光刻精度和場區(qū)尺寸阱內(nèi)p+有源區(qū)與阱最小間距6保證形成良好的阱接觸阱外n+有源區(qū)與阱最小間距6保證阱和襯底間PN結(jié)的特性阱外p+有源