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第7章硅芯片和VLSI
V L S I是超大规模集成(Very Large Scale Integration)的缩写。V L S I工程领域为解决工程
师在设计制造集成电路时遇到的各种各样的问题服务。集成电路体积虽小,但却蕴涵着巨大
的计算能力。本章将讨论如何在微小的硅片上制造数字电路,还将学****现代电子学的基础理
论。
VLSI工程
V L S I工程与硅片上集成的电路和系统有关。一位称职的 V L S I工程师要掌握硅器件、
C M O S电路、逻辑设计和体系结构等领域的知识,并且通常还要是其中一个或多个领域内的
专家。为此,有必要介绍一下逻辑设计和 C M O S电路。本章将研究数字系统的最底层,即研
究产生电流的电子。
微电子学(m i c r o e l e c t r o n i c s)领域近几年来得到了迅猛的发展。概括地说,它的发展目
标就是减小电子器件和电路面积,为在微小的芯片上建立大型信息系统提供技术支持。 V L S I
工程师利用这种技术设计实现了功能强大的硅系统( systems on silicon)。或许目前具有空前
计算能力的微处理器就是一个最显而易见的例子。
一块典型的V L S I电路可能会包含数百万个晶体管。显然,这么复杂的系统不可能用铅笔
和纸设计出来。幸运地是,许多软件可以帮助工程师设计、调试、模拟和测试集成电路。在
芯片设计的行话里,辅助设计的程序被称为工具( t o o l s),而一个集成在一起的工具集合被称
为工具集(tool set)。先进的工具集都是由包括很多链结模块的复杂程序组成的,其中每个模
块分别完成一个特殊的任务,比如逻辑测试或 V H D L模拟。大多数商用工具集运行在功能强
大的工作站上。通常,这些工作站是基于 U N I X操作系统的,配有5 1 2 M B以上的内存、大容量
硬盘,并配置一个功能强大的网络和一些服务器为之服务。随着桌面 P C机性能的不断提高,
这些优秀的工具将可以运行在更为普通的硬件上。
为了了解 V L S I工程师这一角色,第一步必须了解集成电路的基础——电子。本章将首先
研究电子的特性,接着介绍硅材料的电气特性,最后讨论 M O S F E T(金属氧化物半导体场效
应管)。在讨论逻辑门设计时将涉及到电路集成的内容。
计算机芯片内部
现代计算机硬件的建立基础是:有能力大规模生产作为电子逻辑网络的微小硅片。绝大
多数媒体把硅片称为:puter chip)。然而在工程领域,由于硅片内部包含了
许多被集成到一块等价电路中的子电路,所以它们通常被称为集成电路(integrated circuits)。
那么,究竟什么是集成电路呢?这个问题有些复杂,必须对照前面的内容才能解答。事
实上,集成电路是一个逻辑网络的物理实现。换言之,可以认为一块芯片是由许多连接起来
执行各种逻辑功能的电子逻辑门组成的。
图7 - 1是计算机主板上的一块集成电路。像第 5章讨论的那样,在芯片外部只能看到外部
164 数字系统设计基础教程
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封装,包括芯片背面和用来与外部电路相连的引脚,如图 7 - 1所示。实际上,提供电子开关功
能的硅芯片隐藏在封装的里面,被称为基片( d i e)。
图7-1 硅集成电路
如果从不同视角去研究数字系统,那么可以更透彻地理解数字集成电路的概念。比如:
芯片蕴涵的最基本物理观点是晶体管开关和电压共同作用产生了逻辑功能。而如果了解到逻
辑电压可以控制硅片上电流这一特性,就能够进一步理解开关(场效应管)的工作原理。
硅元素简介
首先,从物理的角度来观察一块芯片。器件是应用先进的物理和化学技术在极薄的硅晶片
上制造出来的。一块集成电路由几层材料构成,比如硅、玻璃和金属。这些材料具有不同的电
气特性。例如,像铝这样的金属是导体(c o n d u c t o r),它的导电性能最好。而玻璃不导电,是
绝缘体(i n s u l a t o r)。硅是一种特殊的材料,是半导体( s e m i c o n d u c t o r)。半导体是从“部分的
导体”这个短语演化而来的。因为它的导电性能介于导体和绝缘体之间,所以称之为半导体。
在物质内部,电荷移动形成电流。在纯净的硅晶体中(也叫本征硅),只有少量的电子可
以形成电流。如图 7 - 2所示,在低温下,大多数电子被束缚在原子核周围的轨道上,不能在晶
体中移动形成电流。极少数电子可以像图中所示那样从热运动中获得热量而脱离原子核和电
子的联结。由于一个电子带-q电量的电荷,因此它能为样本里的电流贡献一定的电荷。在摆
脱束缚之后