集成电路绪论.pptx

2024/4/24 周三1第0章：绪 论集成电路的基本概念集成电路的基本概念过去、现状、发展过去、现状、发展国内相关产国内相关产业发展现状业发展现状课程内容课程内容考核方法考核方法2024/4/24 周三2提纲-1一.一.集成电路的概念集成电路的概念 1.1.什么是集成电路？什么是集成电路？2.2.相关基本概念相关基本概念 3.3.集成电路的分类集成电路的分类2024/4/24 周三3 什么是集成电路？电阻电阻电阻电阻电容电容电容电容二极管二极管二极管二极管三极管三极管三极管三极管是不是集成电路？是不是集成电路？是不是集成电路？是不是集成电路？2024/4/24 周三4将电子元器件按照一定的要将电子元器件按照一定的要求连接起来求连接起来,完成一定的功能完成一定的功能将所有元器件和连线做在同将所有元器件和连线做在同一个基板上一个基板上,组成系统组成系统2024/4/24 周三5?集成电路集成电路微电子技术的核心微电子技术的核心Integrated CircuitIntegrated Circuit，缩写，缩写，缩写，缩写 ICIC 通过一系列特定的加工工艺，通过一系列特定的加工工艺，通过一系列特定的加工工艺，通过一系列特定的加工工艺，将将将将晶体管、二极管晶体管、二极管晶体管、二极管晶体管、二极管等有源器等有源器等有源器等有源器件和件和件和件和电阻、电容电阻、电容电阻、电容电阻、电容等无源器件，等无源器件，等无源器件，等无源器件，按照一定的电路互连，按照一定的电路互连，按照一定的电路互连，按照一定的电路互连，“集集集集成成成成”在在在在一块半导体单晶片一块半导体单晶片一块半导体单晶片一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装（如硅或砷化镓）上，封装（如硅或砷化镓）上，封装（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电在一个外壳内，执行特定电在一个外壳内，执行特定电在一个外壳内，执行特定电路或系统功能路或系统功能路或系统功能路或系统功能2024/4/24 周三6日常生活中的集成电路日常生活中的集成电路无处不在，彻底渗入并改变了人类生活无处不在，彻底渗入并改变了人类生活2024/4/24 周三7 相关基本概念 形状：形状：一般为正方形或矩形一般为正方形或矩形 面积面积:几平方毫米到几百平方毫米。面积增大引起几平方毫米到几百平方毫米。面积增大引起功耗增大、封装困难、成品率下降，成本提高，可通过功耗增大、封装困难、成品率下降，成本提高，可通过增大硅圆片直径来弥补。增大硅圆片直径来弥补。晶圆尺寸晶圆尺寸(Wafer Size)芯片尺寸芯片尺寸(Die Size)6英寸、英寸、8英寸、英寸、12英寸英寸几平方毫米到几百平方毫米几平方毫米到几百平方毫米2024/4/24 周三8 集成度、规模：集成度、规模：每块芯片每块芯片包含的晶体管数目或等包含的晶体管数目或等效逻辑门效逻辑门(2输入的输入的NAND,计算机闪存设备计算机闪存设备)的数量的数量,1个个2输入的输入的NAND=4个晶体管个晶体管2024/4/24 周三9 特征尺寸特征尺寸 集成电路器件中最细线条的宽度，对MOS器件常指栅极所决定的沟道几何长度，是一条工艺线中能加工的最小尺寸。反映了集成电路版图图形的精细程度，特征尺寸的减少主要取决于光刻技术的改进（光刻最小特征尺寸与曝光所用波长）。2024/4/24 周三10按电路规模分类按电路规模分类按导电载流子类型分类按导电载流子类型分类按电路处理信号方式分类按电路处理信号方式分类按实现方法分类按实现方法分类按电路功能分类按电路功能分类按设计方法分类按设计方法分类 集成电路的分类2024/4/24 周三11u小规模集成电路小规模集成电路 (Small Scale IC，SSI)u中规模集成电路中规模集成电路 (Medium Scale IC，MSI)u大规模集成电路大规模集成电路 (Large Scale IC，LSI)u超大规模集成电路超大规模集成电路 (Very Large Scale IC，VLSI)u特大规模集成电路特大规模集成电路 (Ultra Large Scale IC，ULSI)u巨大规模集成电路巨大规模集成电路 (Gigantic Scale IC，GSI）集成电路的分类集成电路的分类-1-1按电路规模分类按电路规模分类2024/4/24 周三12划分集成电路规模的标准划分集成电路规模的标准 数字集成电路数字集成电路 类类 别别 MOS IC 双极双极IC 模拟集成电路模拟集成电路 SSI 102 100 30 MSI 102103 100500 30100 LSI 103105 5002000 100300 VLSI 105107 2000 300 ULSI 107109 GSI 109 2024/4/24 周三13集成电路的分类集成电路的分类-2-2 按导电载流子类型分类（实现工艺）按导电载流子类型分类（实现工艺）电流电流I参与导电的载流子参与导电的载流子参与导电的载流子参与导电的载流子既有空穴又有电子，既有空穴又有电子，既有空穴又有电子，既有空穴又有电子，称为双级型称为双级型称为双级型称为双级型BJT型型Bipolar Junction Transistor电流电流I参与导电的载流参与导电的载流参与导电的载流参与导电的载流子只有空穴或电子只有空穴或电子只有空穴或电子只有空穴或电子，称为单级型子，称为单级型子，称为单级型子，称为单级型MOS型型MOS TransistorBi-CMOS Bi-CMOS是双极型是双极型CMOS电路的简称，逻辑部分采用电路的简称，逻辑部分采用CMOS结构，输出级结构，输出级采用双极型三极管，兼有采用双极型三极管，兼有CMOS电路的低功耗和双极型电路输出阻抗低的优点电路的低功耗和双极型电路输出阻抗低的优点 2024/4/24 周三14集成电路的分类集成电路的分类-3-3 按电路处理信号方式分类按电路处理信号方式分类输入与输出量均为二输入与输出量均为二输入与输出量均为二输入与输出量均为二进制的数字，不是高进制的数字，不是高进制的数字，不是高进制的数字，不是高电平，既是低电平，电平，既是低电平，电平，既是低电平，电平，既是低电平，在数字电路中表现为在数字电路中表现为在数字电路中表现为在数字电路中表现为“0 0”，“1 1”。数字集成电路数字集成电路01模拟集成电路模拟集成电路输入与输出量为连续变输入与输出量为连续变输入与输出量为连续变输入与输出量为连续变化的模拟量化的模拟量化的模拟量化的模拟量数模混合数模混合集成电路集成电路数模混合电路就是在一个电路系统中既有数字元件数模混合电路就是在一个电路系统中既有数字元件数模混合电路就是在一个电路系统中既有数字元件数模混合电路就是在一个电路系统中既有数字元件,又有模拟元件又有模拟元件又有模拟元件又有模拟元件,一般是带有模数转换（一般是带有模数转换（一般是带有模数转换（一般是带有模数转换（ADAD）或数模装换（）或数模装换（）或数模装换（）或数模装换（DADA）部分的电路）部分的电路）部分的电路）部分的电路 2024/4/24 周三15混合混合混合混合集成电路集成电路集成电路集成电路由半导体集成电路，膜由半导体集成电路膜由半导体集成电路，膜由半导体集成电路，膜集成电路和分离元件中集成电路和分离元件中集成电路和分离元件中集成电路和分离元件中至少两种构成的集成电路至少两种构成的集成电路至少两种构成的集成电路至少两种构成的集成电路半导体半导体半导体半导体集成电路集成电路集成电路集成电路半导体单晶为基片，将半导体单晶为基片，将半导体单晶为基片，将半导体单晶为基片，将构成电路的各元器件制构成电路的各元器件制构成电路的各元器件制构成电路的各元器件制作于同一基片上，布线作于同一基片上，布线作于同一基片上，布线作于同一基片上，布线连接构成的集成电路连接构成的集成电路连接构成的集成电路连接构成的集成电路薄膜薄膜薄膜薄膜集成电路集成电路集成电路集成电路由金属和金属合金薄膜由金属和金属合金薄膜由金属和金属合金薄膜由金属和金属合金薄膜以及半导体薄膜制成元以及半导体薄膜制成元以及半导体薄膜制成元以及半导体薄膜制成元器件，布线连接构成的器件，布线连接构成的器件，布线连接构成的器件，布线连接构成的集成电路集成电路集成电路集成电路按实现方法分类按实现方法分类集成电路的分类集成电路的分类-4-42024/4/24 周三16按电路功能分类按电路功能分类集成电路的分类集成电路的分类-5-5通用通用集成电路集成电路市场上能买到市场上能买到的具有通用功的具有通用功能的集成电路能的集成电路例如：74 系列4000系列 Memory芯片CPU 芯片等专用标准专用标准专用标准专用标准集成电路集成电路集成电路集成电路有些专用芯片又有许有些专用芯片又有许多系统销售商在贩卖多系统销售商在贩卖ASSP例如：Modem DVD decoder VCD decoder专用专用专用专用集成电路集成电路集成电路集成电路针对某一电路系统的针对某一电路系统的要求而专门设计制造要求而专门设计制造的的;具有特定电路功能具有特定电路功能,通常市场上买不到的通常市场上买不到的ASIC玩具狗芯片；玩具狗芯片；通信卫星芯片通信卫星芯片 计算机工作站计算机工作站CPU中存储器与微中存储器与微处理器间的接口芯片处理器间的接口芯片2024/4/24 周三17集成电路的分类集成电路的分类-6-6按设计方法分类按设计方法分类l全定制（全定制（Full Custom）IC:硅片没有经硅片没有经过加工，其各掩膜层都要按特定电路的要求进行专门设计过加工，其各掩膜层都要按特定电路的要求进行专门设计l半定制（Semi-Custom）IC:全部逻辑全部逻辑单元是预先设计好的单元是预先设计好的,可以从单元库中调用所需单元来掩膜可以从单元库中调用所需单元来掩膜图形（标准单元方法和门阵列），可使用相应的图形（标准单元方法和门阵列），可使用相应的EDA软件，软件，自动布局布线。自动布局布线。l可编程（Programmable）IC:全部逻辑全部逻辑单元都已预先制成单元都已预先制成,不需要任何掩膜不需要任何掩膜,利用开发工具对器件利用开发工具对器件进行编程进行编程,以实现特定的逻辑功能以实现特定的逻辑功能.分为可编程逻辑器件和分为可编程逻辑器件和现场可编程逻辑器件现场可编程逻辑器件2024/4/24 周三18提纲-2二二.集成电路的过去、现在与未来集成电路的过去、现在与未来 2024/4/24 周三19ENIAC(埃尼阿克）-The first electronic computer(1946)美国宾夕法尼亚大学美国宾夕法尼亚大学 17,46817,468真空管真空管真空管真空管,7,200,7,200水晶二水晶二水晶二水晶二极管极管极管极管,1,500,1,500 中转中转中转中转,70,000,70,000电阻器电阻器电阻器电阻器,10,000,10,000电容器，电容器，电容器，电容器，15001500继电器，继电器，继电器，继电器，60006000多个开多个开多个开多个开关，每秒执行关，每秒执行关，每秒执行关，每秒执行50005000次加法或次加法或次加法或次加法或400400次乘法次乘法次乘法次乘法,是继电器计算机的是继电器计算机的1000倍、手工计算的倍、手工计算的20万倍。万倍。SizeSize：24m24m 6m6m 2.5m2.5mSpeedSpeed：5000times/sec5000times/sec；WeightWeight：30T30T；PowerPower：140KW140KW；造价造价造价造价4848万美元万美元万美元万美元 2024/4/24 周三20世界上第世界上第1台多用途计算机台多用途计算机大小：长大小：长大小：长大小：长24m24m，宽，宽，宽，宽6m6m，高，高，高，高2.5m2.5m速度：速度：速度：速度：50005000次次次次/sec/sec；重量：；重量：；重量：；重量：3030吨；吨；吨；吨；功率：功率：功率：功率：25KW25KW；平均无故障运行时间：；平均无故障运行时间：；平均无故障运行时间：；平均无故障运行时间：7min7min这样的计算机能够进入办公室、车间、连队和家庭这样的计算机能够进入办公室、车间、连队和家庭这样的计算机能够进入办公室、车间、连队和家庭这样的计算机能够进入办公室、车间、连队和家庭？当时有的科学家认为全世界只要？当时有的科学家认为全世界只要？当时有的科学家认为全世界只要？当时有的科学家认为全世界只要4 4 4 4台台台台ENIACENIACENIACENIAC (埃尼阿克）埃尼阿克）目前，全世界计算机不包括微机在内有几百万台，目前，全世界计算机不包括微机在内有几百万台，目前，全世界计算机不包括微机在内有几百万台，目前，全世界计算机不包括微机在内有几百万台，微机总量约微机总量约微机总量约微机总量约6 6 6 6亿台，每年由计算机完成的工作量超过亿台，每年由计算机完成的工作量超过亿台，每年由计算机完成的工作量超过亿台，每年由计算机完成的工作量超过4000400040004000亿人年工作量亿人年工作量亿人年工作量亿人年工作量2024/4/24 周三211946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组,W.Schokley(肖克莱)，J.Bardeen(巴丁)、W.H.Brattain(布拉顿)Bardeen(巴 丁)提 出 了 表 面 态 理 论，Schokley(肖克莱)给出了实现放大器的基本设想，Brattain(布拉顿)设计了实验1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管2024/4/24 周三22The Transistor Revolution (1948)First transistorFirst transistorBell LabsBell Labs2024/4/24 周三23J.Bardeen(巴丁),W.Schokley(肖克莱),W.H.Brattain(布拉顿)1956年度的诺贝尔物理学奖年度的诺贝尔物理学奖 2024/4/24 周三24The First Integrated Circuits(1958)J.S.Kilby 杰克杰克基尔比基尔比 2000年度的诺贝尔物理学奖年度的诺贝尔物理学奖 2024/4/24 周三25集成电路的作用集成电路的作用小型化小型化价格急剧下降价格急剧下降功耗降低功耗降低故障率降低故障率降低2024/4/24 周三26集成电路发展的规律集成电路发展的规律?不不断断提提高高产品品的的性性能能价价格格比比是微是微电子技子技术发展的展的动力力?集集成成电路路芯芯片片的的集集成成度度每每三三年年提提高高4倍倍，而而加加工工特特征征尺尺寸寸缩小小 倍倍，这就就是是摩摩尔定律定律2024/4/24 周三27微电子发展史上的几个里程碑微电子发展史上的几个里程碑19621962年年Wanlass、C.T.SahCMOS技术技术,现在集现在集成电路产业中占成电路产业中占95%95%以上以上19671967年年KahngKahng、S.Sze S.Sze 非挥发存储器非挥发存储器19681968年年DennardDennard单晶体管单晶体管DRAMDRAM19711971年年IntelIntel公司微处理器公司微处理器计算机的心脏计算机的心脏2024/4/24 周三28提纲-3三三.集成电路在我国的现状集成电路在我国的现状 2024/4/24 周三29集成电路技术在我国的现状集成电路技术在我国的现状中国中国集成集成电路生路生产量的量的推移推移历历史悠久史悠久史悠久史悠久1950较长较长的低迷期的低迷期的低迷期的低迷期19501978缓缓慢增慢增慢增慢增长长19781992急速增急速增急速增急速增长长19922024/4/24 周三30集成电路集成电路1 2元元电子产品电子产品10元元国民经济产值国民经济产值100元元?进入信息进入信息化社会的判据：化社会的判据：半导体产值半导体产值占工农业总产值的占工农业总产值的0.5%?集成电路的战略地位首先表现在当代集成电路的战略地位首先表现在当代国民经济的国民经济的“食物链食物链”关系关系2024/4/24 周三31据美国半导体协会（据美国半导体协会（SIA）统计）统计2012年年 数据表明，发达国家在发展过程中都数据表明，发达国家在发展过程中都有一条规律有一条规律集成电路（集成电路（IC）产值的增长率（）产值的增长率（RIC）高于电子）高于电子工业产值的增长率（工业产值的增长率（REI）电子工业产值的增长率又高于电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率的增长率（RGDP）一般有一个近似的关系一般有一个近似的关系 RIC1.52REI REI3RGDPv抓住集成抓住集成电路路产业，就能促，就能促进GDP高速增高速增长2024/4/24 周三32我国台湾地区我国台湾地区6060年代后期人均年代后期人均年代后期人均年代后期人均GDP200-300GDP200-300美元美元美元美元（19671967年为年为年为年为267267美元）美元）美元）美元）70-8070-80年代大力发展集成电路产业年代大力发展集成电路产业年代大力发展集成电路产业年代大力发展集成电路产业9090年代年代年代年代ITIT业高速发展业高速发展业高速发展业高速发展9797年人均年人均年人均年人均GDP=13559GDP=13559美元美元美元美元 在信息经济时代，产品，以其信息含量的多少及处理信在信息经济时代，产品，以其信息含量的多少及处理信息能力的强弱，决定着附加值的高低息能力的强弱，决定着附加值的高低决定着在国际经济决定着在国际经济分工中的地位分工中的地位2024/4/24 周三33我国我国IT企业与企业与Intel公司利润的比较公司利润的比较2024/4/24 周三34 如果我们不发展集成电路产业如果我们不发展集成电路产业 *IT行业停留在装配业水平上，挣的行业停留在装配业水平上，挣的“辛苦钱辛苦钱”。*在国际分工中我们将只能处于低附加值的低端上。在国际分工中我们将只能处于低附加值的低端上。*所以有人戏称说：所以有人戏称说：“你们说中关村是硅谷，但你们说中关村是硅谷，但是一个无是一个无“芯芯”的硅谷，产品不可能有竞争力。的硅谷，产品不可能有竞争力。”在没有自己集成电路产业的情况下，我们的高新技在没有自己集成电路产业的情况下，我们的高新技术的发展命脉掌握在他人手中。术的发展命脉掌握在他人手中。*当前，微电子产业的发展规模和科学技术水平当前，微电子产业的发展规模和科学技术水平已成为衡量一个国家综合实力的重要标志。已成为衡量一个国家综合实力的重要标志。2024/4/24 周三35连云港连云港连云港连云港LianyungangLianyungang 上海上海上海上海ShanghaiShanghai以上海为中心的以上海为中心的长江三角洲长江三角洲北京北京北京北京BeijingBeijing香港香港香港香港Hong KongHong Kong北京、天津北京、天津环渤海地区渤海地区広州広州広州広州Guang ZhouGuang Zhou以广州以广州为中心中心的珠江三角洲的珠江三角洲乌鲁木齐乌鲁木齐乌鲁木齐乌鲁木齐UrumchiUrumchi成都成都成都成都ChengduChengdu重庆重庆重庆重庆ChongqingChongqing西安西安西安西安XianXian中国西部中国西部 西部地区中国中国IC产业产业企企业业分布分布2024/4/24 周三362024/4/24 周三37中国集成中国集成电电路路产业产业存在的存在的问题问题1.产业规模依然偏小产业规模依然偏小、市场份额偏低市场份额偏低2.依然存在巨大的需求与供给能力失配依然存在巨大的需求与供给能力失配3.自主创新能力不足自主创新能力不足4.集成电路的支撑产业滞后，如：设备、集成电路的支撑产业滞后，如：设备、材料等材料等5.人才缺乏人才缺乏2024/4/24 周三38 在巩固电子类专业基础课（电在巩固电子类专业基础课（电路分析、数电、模电）及相关专业路分析、数电、模电）及相关专业课程（半导体物理、微电子器件）课程（半导体物理、微电子器件）的前提下，学习并掌握的前提下，学习并掌握IC的基本单的基本单元结构、工作原理及其电学特性，元结构、工作原理及其电学特性，能进行集成电路的拓扑及版图的分能进行集成电路的拓扑及版图的分析与设计。析与设计。2024/4/24 周三39教教 材材：半导体集成电路半导体集成电路 朱正涌朱正涌朱正涌朱正涌 编著编著编著编著 清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社清华大学出版社参考书：参考书：数字集成电路数字集成电路电路、系统与设计电路、系统与设计电路、系统与设计电路、系统与设计 电子工业出版社电子工业出版社电子工业出版社电子工业出版社 学学 时：理论课时：理论课 4848学时学时成成 绩：考试绩：考试 70%70%平时平时+作业作业 30%30%2024/4/24 周三40授课内容授课内容（48学时）学时）绪论绪论第第1章章 集成电路的基本制造工艺集成电路的基本制造工艺第第2章章 集成电路中的晶体管及其寄生效应集成电路中的晶体管及其寄生效应 第第3章章 集成电路中的无源元件集成电路中的无源元件 第第4章章 晶体管晶体管-晶体管逻辑晶体管逻辑(TTL)电路电路 第第7章章MOS反相器反相器第第8章章MOS基本逻辑单元基本逻辑单元第第9章章(部分部分)第第10章存储器章存储器(部分部分)第第12章模拟集成电路中的基本单元电路（部分）章模拟集成电路中的基本单元电路（部分）第第13章集成运算放大器章集成运算放大器(部分）部分）第第17章集成电路设计概述章集成电路设计概述 第第18章集成电路的正向设计章集成电路的正向设计 第第20章集成电路设计方法章集成电路设计方法2024/4/24 周三41一步一步一步一步踏踏实实踏踏实实走出自己的走出自己的-成功之路成功之路2024/4/24 周三42作业1 简述什么是集成电路？简述什么是集成电路？2 名词解释：名词解释：集成度，特征尺寸、晶圆尺寸（集成度，特征尺寸、晶圆尺寸（Wafer size）、芯片尺寸芯片尺寸(Die size)、摩尔定律摩尔定律、ASIC、LSI。