《集成电路绪论》课件.ppt

2020 3 24 1 半导体集成电路 2020 3 24 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 2020 3 24 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 2020 3 24 4 什么是集成电路 是不是集成电路 2020 3 24 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 2020 3 24 6 集成电路 微电子技术的核心 IntegratedCircuit 缩写IC通过一系列特定的加工工艺 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 2020 3 24 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 2020 3 24 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 WaferSize 芯片尺寸 DieSize 6英寸 8英寸 12英寸 几平方毫米到几百平方毫米 2020 3 24 9 集成度 规模 每块芯片包含的晶体管数目或等效逻辑门 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 2020 3 24 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 2020 3 24 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 2020 3 24 12 小规模集成电路 SmallScaleIC SSI 中规模集成电路 MediumScaleIC MSI 大规模集成电路 LargeScaleIC LSI 超大规模集成电路 VeryLargeScaleIC VLSI 特大规模集成电路 UltraLargeScaleIC ULSI 巨大规模集成电路 GiganticScaleIC GSI 集成电路的分类 1 按电路规模分类 2020 3 24 13 划分集成电路规模的标准 数字集成电路 类 别 MOSIC 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 2000 300 ULSI 10 7 10 9 GSI 10 9 2020 3 24 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 2020 3 24 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 2020 3 24 16 按实现方法分类 集成电路的分类 4 2020 3 24 17 按电路功能分类 集成电路的分类 5 2020 3 24 18 集成电路的分类 6 按设计方法分类 全定制 FullCustom 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 2020 3 24 19 提纲 2 二 集成电路的过去 现在与未来 2020 3 24 20 ENIAC 埃尼阿克 Thefirstelectroniccomputer 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 24m 6m 2 5mSpeed 5000times sec Weight 30T Power 140KW 造价48万美元 2020 3 24 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 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 2020 3 24 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 第一次观测到了具有放大作用的晶体管 2020 3 24 23 TheTransistorRevolution 1948 FirsttransistorBellLabs 2020 3 24 24 J 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 2020 3 24 25 TheFirstIntegratedCircuits 1958 J S Kilby 杰克 基尔比 2000年度的诺贝尔物理学奖 2020 3 24 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 2020 3 24 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 2020 3 24 28 微电子发展史上的几个里程碑 1962年Wanlass C T Sah CMOS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 2020 3 24 29 提纲 3 三 集成电路在我国的现状 2020 3 24 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 1950 1978 缓慢增长 1978 1992 急速增长 1992 2020 3 24 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 2020 3 24 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RIC 1 5 2REIREI 3RGDP 抓住集成电路产业 就能促进GDP高速增长 2020 3 24 33 我国台湾地区 60年代后期人均GDP 200 300美元 1967年为267美元 70 80年代大力发展集成电路产业 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 2020 3 24 34 我国IT企业与Intel公司利润的比较 2020 3 24 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国家综合实力的重要标志 2020 3 24 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HongKong 北京 天津环渤海地区 広州GuangZhou 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Xi an 中国西部 西部地区 中国IC产业企业分布 2020 3 24 37 2020 3 24 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 2020 3 24 39 课程任务 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 2020 3 24 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 2020 3 24 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