1.1　集成电路设计自动化

半导体器件及其集成电路是电子工业的基础，早在20世纪初期，微波半导体功率器件及其电路就被发达国家列为发展战略的核心，以毫米波电路、高温功率电路和多功能模块电路为重点，充分挖掘基于硅基半导体材料的潜力。随着集成电路的发展，工艺特征尺寸（晶体管的最小沟道长度或者芯片上可实现的最小互连线宽度）逐步减小，集成电路特征物理尺寸的减小不仅增加了集成电路的密度，而且使电子和空穴必须通过的距离缩短，从而提高了晶体管的速度，器件和电路的速度越来越快，电路芯片所包含的晶体管数量呈现指数级增长。

图1.1给出了半导体晶圆尺寸（直径）的变化，图1.2给出了英寸和毫米之间的对应关系。从图1.1中可以看到，在1965—2000年不到40年的时间里，半导体晶圆直径从2英寸（约50mm）发展到300mm（约12英寸），可利用晶圆的面积增加了35倍。

在计算机还未普及的时候，研究人员主要依靠解析计算式进行手工计算，随着计算机的普及，器件以及电路的解析计算式可以由计算机来完成运算，从而形成了计算机辅助设计软件（CAD）或电子设计自动化（EDA）。计算机辅助设计软件的优点体现在以下3个方面［1-3］。

（1）随着集成电路集成度的不断提高，工艺特征尺寸越来越小，芯片内集成的晶体管数量大幅增加，工作频率不断提升，各种寄生干扰影响越来越大，传统上采用手工计算方法分析设计电路已经无法适应新的需要。

（2）计算机仿真可以模拟芯片在各个工艺角下的性能指标，并通过蒙特卡罗等统计方法帮助设计者考虑工艺容差等因素。因此，采用EDA技术有助于提高芯片成品率，缩短设计周期，降低生产成本，提高市场竞争力。

（3）集成电路工艺进入深亚微米阶段后，生产成本越来越高，需要集成电路一次性流片成功。这就更加需要高精度的集成电路仿真技术，使得设计师可以在芯片投产之前就能准确预测芯片行为特性，验证电路功能，保证芯片设计的成品率。

射频微波器件和电路计算机辅助设计工具主要有两种：一种是半导体器件模拟软件，另一种是射频微波电路仿真软件。下面分别介绍这两种软件的功能和特点。

半导体器件模拟软件是指通过分析器件物理结构、求解相应的泊松方程和电流连续性方程等，最后得到器件的输出特性（如直流和交流特性），用以指导器件设计和生产。与此同时，也可以反映器件物理结构参数（如场效应器件的栅长、栅宽和双极性晶体管的基极、发射极尺寸）对器件输出特性的影响。这些半导体器件模拟软件大多是二维或准二维模拟器，利用这些模拟器可以对射频微波半导体器件的物理结构进行分析，然后制成版图进行生产。

射频微波电路仿真软件是指以复杂的半导体器件等效电路模型为基础，来模拟微波集成电路直流、交流、噪声和大信号非线性特性的工具。目前国际上流行的射频微波电路仿真软件大致可以分为两种：一种以ADS（频域分析）为代表；另一种以SPICE（时域分析）为代表，包括各种不同类型的扩展型SPICE（如PSPICE和HSPICE等）。频域分析和时域分析可以通过傅里叶变换来实现相互之间的转换。

各种电路模拟软件能否胜任超大规模集成电路的设计与分析，模拟结果是否准确可靠，主要取决于模拟器采用的器件模型。对于比较复杂的电路，模拟器80%以上的计算时间是用在MOSFET模型的求解上。可以说器件模型的准确度和计算速度直接决定了电路模拟结果的准确度和计算速度［4-6］。