基础讲座-半导体、微电子、集成电路技术基础介绍.ppt

微电子技术,微电子学 微电子学（Microelectronics）是研究在半导体材料上构成的微小化电路及系统的电子学分支。 微电子技术 微电子技术是随着集成电路，尤其是超大型规模集成电路而发展起来的一门新的技术。微电子技术包括系统电路设计、器件物理、工艺技术、材料制备、自动测试以及封装等一系列专门的技术，微电子技术是微电子学中的各项工艺技术的总和。,半导体材料、微电子器件的基本概念,电子技术： 电子元器件（电阻、电容、电感、二极管、三极管、场效应管）构成的电路,第一台通用电子计算机：ENIAC 18,000个电子管组成,大小：长24m，宽6m，高2.5m 速度：5000次/sec；重量：30吨； 平均无故障运行时间：7min,电子管时代,晶体管：基于半导体晶体的电子器件：二极管、三极管、场效应管（MOS管），具有开关、整流、放大等功能。,微电子技术核心集成电路 Integrated Circuit，缩写IC 通过一系列特定的加工工艺，将晶体管器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能,微电子：到底有多微,15mm,放大2000倍,放大20000倍,放大40000倍,0.15um,50m,100 m 头发丝粗细,30m,1m 1m (晶体管的大小),3050m (皮肤细胞的大小),90年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较,0.1nm nm 0.1mm 10mm 1mm 100mm 10 m,原子,DNA,病毒,微电子,灰尘,头发,人,1947,2010,1 transistor,1 x 1010 transistors,微电子技术发展历史,47年 贝尔实验室制成第一只半导体晶体管 标志着电子时代的到来,肖克莱，布兰坦，巴丁,左起依次为： 巴丁（J. Bardeen） 肖克莱（Shockley） 布兰坦（Brattain）,1948年1月，肖克莱提出了结型晶体管的理论。 1949年，贝尔实验室做出了第一个锗PNP型晶体管。,59年 基尔比& 诺伊斯发明集成电路,59年诺依斯发明平面MOS工艺，集成电路量产,1970 第一个商用DRAM存储器 1Kbits 1971 第一个微处理器 1000 晶体管 1972 - Intel 8008 3,500 晶体管, 200kHz 时钟,集成电路的分类,按集成电路规模分类,集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目 小规模集成电路(Small Scale IC，SSI) 中规模集成电路(Medium Scale IC，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）,按电路功能分类,数字集成电路(Digital IC)：它是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路 模拟集成电路(Analog IC)：它是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路 线性集成电路：又叫做集成放大电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等 非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路 数模混合集成电路(Digital - Analog IC) ：例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等,集成电路的制造过程,电路设计 工艺制造 测试封装,集成电路产业的发展趋势： 独立的设计公司（Design House） ARM、qualcomm、nVIDIA、联发科 独立的制造厂家（标准的Foundary） 台积电（50%）、台联电（25%）、sumsang、中芯国际（4%） 独立的封装厂 日月光、通富微电,集成电路产业的分工,集成电路的工艺制造,制造业,集成电路芯片制造过程,AA,场效应管,Intel Core 2 芯片尺寸为143平方毫米， 内含2.91亿晶体管 特征尺寸45nm,集成电路的设计,集成电路的设计,1.传统的设计方法 设计和绘制电子线路图 集成电路的线路图转绘成芯片布局图 数字化成“掩膜（Mask）”图纸 在半导体材料（例如硅晶片）上进行注入、退火、光刻、镀膜 芯片切割、测试,2.目前，集成电路的设计过程：,定义电路的功能、指标、性能,原理电路设计,电路模拟(SPICE),布局(Layout),原型电路制备,测试、评测,产品,工艺问题,不符合,不符合,使用硬件设计语言 硬件描述语言Hardware Discription Language，HDL 是一种用于电路设计的高级语言。超高速集成电路硬件描述语言，主要是应用在数字电路的设计 HDL有两种用途：系统仿真和硬件实现 HDL和传统的原理图输入方法的关系就好比是高级语言和汇编语言的关系 美国国防部的VHDL（VHSIC HDL） Verilog HDL 可以描述硬件电路的功能，信号连接关系及定时关系，更有效的表示电路的特性 源程序便于保存、修改和自动纠错,3.使用IP核设计,IP核是具有知识产权（Intellectual Property）的集成电路芯核的简称，是一段具有特定电路功能的硬件描述语言程序，该程序与集成电路工艺无关，可以移植到不同的半导体工艺中去生产集成电路芯片。 IP核的作用是把一组拥有知识产权的电路设计集合在一起，构成芯片的基本单位，以供设计时搭积木之用。 以前是芯片做好以后供人家在PCB上使用，现在是IP做好以后让人家集成在更大的芯片里。,IP核的应用,IP核在数字电路中常用，一些比较复杂的功能块，如FIR滤波器、SDRAM控制器、PCI接口等设计成可修改参数的模块。IP核的重用是设计人员赢得迅速上市时间的主要策略。 随着CPLD/FPGA的规模越来越大，设计越来越复杂（IC的复杂度以每年55%的速率递增，而设计能力每年仅提高21%），设计者的主要任务是在规定的时间周期内完成复杂的设计。调用IP核能避免重复劳动，大大减轻工程师的负担，因此使用IP核是一个发展趋势。,集成电路的发展方向： 1.工艺上特征尺寸不断缩小 2.设计上系统芯片化,微电子工艺近年来进展：特征尺寸不断缩小,2.设计上系统芯片化：SoC ( System on - Chip),System-on-Chip, 在一个芯片内集成一个完整的系统。在一个芯片上实现信号采集、转换、存储、处理、I/O等功能，包括整个系统的全部内容。 SoC是一个微小型系统,如果说中央处理器(CPU)是大脑,那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。,IC的速度很高、功耗很小，但由于 PCB板中的连线延时、噪声、可靠 性以及重量等因素的限制，已无法 满足性能日益提高的整机系统的要求,IC设计与制造技术水平的提高， IC规模越来越大，已可以在一个 芯片上集成108109个晶体管,分立元件,集成电路 I C,系 统 芯 片 System On A Chip (简称SOC),将整个系统集成在 一个微电子芯片上,在需求牵引和技术 推动的双重作用下,系统芯片(SOC)与集成 电路(IC)的设计思想是 不同的，它是微电子技 术领域的一场革命。,集成电路走向系统芯片,，2007年，全球SOC的80%都是采用以IP核为主而进行设计的，IP销售额已经超过19亿美元，且以每年15-20%的速度递增 ，我国相比国外，无论是在基于IP复用的SOC设计方面，还是在IP技术应用推广和商务运作模式方面，都处于初级阶段；2007年大陆地区IP销售额仅为6850万美元，仅占全球的4%左右。,IP核在SOC芯片设计上的应用,IP核在数字电路中常用，一些比较复杂的功能块，如CPU、寄存器、滤波器、控制器、接口等设计成可修改参数的模块。IP核的重用是设计人员赢得迅速上市时间的主要策略。 随着集成电路的规模越来越大，设计越来越复杂（IC的复杂度以每年55%的速率递增，而设计能力每年仅提高21%），设计者的主要任务是在规定的时间周期内完成复杂的设计。调用IP核能避免重复劳动，大大减轻工程师的负担，因此使用IP核是一个发展趋势。,常见的IC封装外观,微电子科学技术的战略地位,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,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%,据美国半导体协会（SIA）预测,电子信息服务业 30万亿美元 相当于1997年全世界GDP总和 电子装备 6-8万亿元,集成电路产值 1万亿美元,GDP50万亿美元,2012年,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国家综合实力的重要标志。,2020年世界最大的30个市场领域：其中与 微电子相关的22个市场：5万亿美元,微电子产业的战略重要性,集成电路用于电路设计,集成电路用于电路设计,为了加快电路设计的速度，除直接用HDL等语言帮助制造专用的集成电路外，一般还可以利用集成电路作为模块和分立元件进行组合以完成电路设计。 主要有： 可编程逻辑控制器或可编程逻辑部件 Programmable Logic Controller，PLC 或 Programmable Logic Device，PLD 用于设计用户专用集成电路芯片 数字信号处理器 Digital Signal Processor, DSP 用于多种信号处理,1可编程逻辑控制器 功能：利用器件生产商所提供的编程语言，按需要写出相应的程序，经调试和修改、输入并固定到PLC /PLD芯片中(烧结芯片) ，成为用户专用芯片。 分类 复杂可编程逻辑器件 CPLD（Complex Programmable Logic Device） 场可编程门阵列（含有RAM） FPGA（Field Programmable Gate Array） 与标准的逻辑器件相比其主要优点 : 规模大、体积小 加密性能好 可实现在线编程 有利于电子设计自动化(EDA),2数字信号处理器 功能：DSP是一种具有特殊结构的微处理器，B不同的型号被设计成专门用来处理复杂的图形、图像、视频和音频数字化信息。 DSP的发展过程 DSP发展历程大致分为三个阶段:70年代理论先行,80年代产品普及 ,90年代突飞猛进。 90年代DSP发展最快，现在的DSP属于第五代产品，系统集成度更高，将DSP芯核及外围元件综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的DSP芯片不仅在通信、计算机领域大显身手，而且逐渐渗透到人们日常消费领域 应用领域： 通信、语音、图像/图形、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等 与标准的逻辑器件相比其主要优点 : 接口方便、编程方便、稳定性好、