《集成电路绪论》课件.ppt

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1、2023/6/2,1,半导体集成电路,2023/6/2,2,第0章：绪 论,集成电路的基本概念,？,？,？,？,过去、现状、发展,国内相关产业发展现状,课程内容,考核方法,2023/6/2,3,提纲-1,集成电路的概念 1.什么是集成电路？2.相关基本概念 3.集成电路的分类,2023/6/2,4,什么是集成电路？,是不是集成电路？,2023/6/2,5,将电子元器件按照一定的要求连接起来,完成一定的功能,集成电路的定义,将所有元器件和连线做在同一个基板上,组成系统,电路,集成,2023/6/2,6,集成电路微电子技术的核心,Integrated Circuit，缩写 IC通过一系列特定的加工

2、工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能,2023/6/2,7,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,2023/6/2,8,相关基本概念,形状：一般为正方形或矩形,面积: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，可通过增大硅圆片直径来弥补。,晶圆尺寸(Wafer Size),芯片尺寸(Die Size),6英寸、8英寸、12英寸,几平方毫米到几百平方毫米,2023/6/2,9,集成度、规模：每块芯片包含的晶体管数目或

3、等效逻辑门(2输入的NAND,计算机闪存设备)的数量,1个2输入的NAND=4个晶体管,2023/6/2,10,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）。,2023/6/2,11,按电路规模分类按导电载流子类型分类按电路处理信号方式分类按实现方法分类按电路功能分类按设计方法分类,集成电路的分类,2023/6/2,12,小规模集成电路(Small Scale IC，SSI)中规模集成电路(Medium Scale IC

4、，MSI)大规模集成电路(Large Scale IC，LSI)超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI)特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI)巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）,集成电路的分类-1,按电路规模分类,2023/6/2,13,划分集成电路规模的标准,数字集成电路,类,别,MOS IC,双极,IC,模拟集成电路,SSI,10,2,100,30,MSI,10,2,10,3,100,500,30,100,LSI,10,3,10,5,500,2000,100,300,VLSI,10,5,10,7,200

5、0,300,ULSI,10,7,10,9,GSI,10,9,2023/6/2,14,集成电路的分类-2,按导电载流子类型分类（实现工艺）,Bi-CMOS,Bi-CMOS是双极型CMOS电路的简称，逻辑部分采用CMOS结构，输出级采用双极型三极管，兼有CMOS电路的低功耗和双极型电路输出阻抗低的优点,2023/6/2,15,集成电路的分类-3,按电路处理信号方式分类,数模混合集成电路,数模混合电路就是在一个电路系统中既有数字元件,又有模拟元件,一般是带有模数转换（AD）或数模装换（DA）部分的电路,2023/6/2,16,按实现方法分类,集成电路的分类-4,2023/6/2,17,按电路功能分类

6、,集成电路的分类-5,2023/6/2,18,集成电路的分类-6,按设计方法分类,全定制（Full Custom）IC: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半定制（Semi-Custom）IC:全部逻辑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图形（标准单元方法和门阵列），可使用相应的EDA软件，自动布局布线。可编程（Programmable）IC:全部逻辑单元都已预先制成,不需要任何掩膜,利用开发工具对器件进行编程,以实现特定的逻辑功能.分为可编程逻辑器件和现场可编程逻辑器件,2023/6/2,19,提纲-2,二.集成电路的过去、现在与未来,2023/6/2

7、,20,ENIAC(埃尼阿克）-The first electronic computer(1946),美国宾夕法尼亚大学 17,468真空管,7,200水晶二极管,1,500 中转,70,000电阻器,10,000电容器，1500继电器，6000多个开关，每秒执行5000次加法或400次乘法,是继电器计算机的1000倍、手工计算的20万倍。,Size：24m6m2.5mSpeed：5000times/sec；Weight：30T；Power：140KW；造价48万美元,2023/6/2,21,世界上第1台多用途计算机,大小：长24m，宽6m，高2.5m速度：5000次/sec；重量：30吨；

8、功率：25KW；平均无故障运行时间：7min,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4台ENIAC(埃尼阿克）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6亿台，每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量,2023/6/2,22,1946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

9、有放大作用的晶体管,2023/6/2,23,The Transistor Revolution(1948),First transistorBell Labs,2023/6/2,24,J.Bardeen(巴丁),W.Schokley(肖克莱),(布拉顿),1956年度的诺贝尔物理学奖,2023/6/2,25,The First Integrated Circuits(1958),J.S.Kilby,杰克基尔比,2000年度的诺贝尔物理学奖,2023/6/2,26,集成电路的作用,小型化价格急剧下降功耗降低故障率降低,2023/6/2,27,集成电路发展的规律,不断提高产品的性能价格比是微电子技

10、术发展的动力集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小 倍，这就是摩尔定律,2023/6/2,28,微电子发展史上的几个里程碑,1962年Wanlass、C.T.SahCMOS技术,现在集成电路产业中占95%以上1967年Kahng、S.Sze 非挥发存储器1968年Dennard单晶体管DRAM1971年Intel公司微处理器计算机的心脏,2023/6/2,29,提纲-3,三.集成电路在我国的现状,2023/6/2,30,集成电路技术在我国的现状,中国集成电路生产量的推移,历史悠久,1950,较长的低迷期,19501978,缓慢增长,19781992,急速增长,1992,2023

11、/6/2,31,进入信息化社会的判据：半导体产值占工农业总产值的0.5%,集成电路的战略地位首先表现在当代国民经济的“食物链”关系,2023/6/2,32,据美国半导体协会（SIA）统计,2012年,数据表明，发达国家在发展过程中都有一条规律集成电路（IC）产值的增长率（RIC）高于电子工业产值的增长率（REI）电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率（RGDP）一般有一个近似的关系 RIC1.52REI REI3RGDP,抓住集成电路产业，就能促进GDP高速增长,2023/6/2,33,我国台湾地区,60年代后期人均GDP200-300美元（1967年为267美元）,70-80年代大力发展集

12、成电路产业,90年代IT业高速发展,97年人均GDP=13559美元,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决定着在国际经济分工中的地位,2023/6/2,34,我国IT企业与Intel公司利润的比较,2023/6/2,35,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“辛苦钱”。*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：“你们说中关村是硅谷，但是一个无“芯”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已成为衡量一个

13、国家综合实力的重要标志。,2023/6/2,36,连云港Lianyungang,上海Shanghai,以上海为中心的长江三角洲,北京Beijing,香港Hong Kong,北京、天津环渤海地区,広州Guang Zhou,以广州为中心的珠江三角洲,乌鲁木齐Urumchi,成都Chengdu,重庆Chongqing,西安Xian,中国西部,西部地区,中国IC产业企业分布,2023/6/2,37,2023/6/2,38,中国集成电路产业存在的问题,产业规模依然偏小、市场份额偏低依然存在巨大的需求与供给能力失配自主创新能力不足集成电路的支撑产业滞后，如：设备、材料等人才缺乏,2023/6/2,39,课

14、程任务,在巩固电子类专业基础课（电路分析、数电、模电）及相关专业课程（半导体物理、微电子器件）的前提下，学习并掌握IC的基本单元结构、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析与设计。,2023/6/2,40,教 材：半导体集成电路 朱正涌 编著 清华大学出版社参考书：数字集成电路电路、系统与设计 电子工业出版社 学 时：理论课 48学时成 绩：考试 70%平时+作业 30%,课程要求,2023/6/2,41,授课内容（48学时）绪论第1章 集成电路的基本制造工艺第2章 集成电路中的晶体管及其寄生效应 第3章 集成电路中的无源元件 第4章 晶体管-晶体管逻辑(TTL)电路 第7章MOS反相器第8章MOS基本逻辑单元第9章(部分)第10章存储器(部分)第12章模拟集成电路中的基本单元电路（部分）第13章集成运算放大器(部分）第17章集成电路设计概述 第18章集成电路的正向设计 第20章集成电路设计方法,2023/6/2,42,一步一步踏踏实实走出自己的-成功之路,“芯”途漫漫,2023/6/2,43,作业,1 简述什么是集成电路？2 名词解释：集成度，特征尺寸、晶圆尺寸（Wafer size）、芯片尺寸(Die size)、摩尔定律、ASIC、LSI。,