集成电路综述

1、集成电路综述姓名:*专业:*班级:*学号:*1.摘要:根据新华社华盛顿2013年8月8号消息，在美国科学杂志刊登一个报告中，中国研究人员在集成电路的基本单元晶体管研究上取得突破，发明了一种名为半浮栅晶体管的新型基础微电子器件，可让数据擦写更容易、迅速。据了解，这项发明将有助于我国掌握集成电路的核心技术，让中国的芯片设计和制造能力在国际上去的更多的话语权。入选首批“万人计划”的电子科大教授李强，虽获丹麦终身教职，仍毅然回国致力于电路芯片科研。他研究的超低压以及极低功耗的模拟集成电路与系统，已用于研制监测人体大脑反应的仪器：人们只要在耳朵内“戴”上一种集成电路芯片，就能提前知晓大脑的反应和想法，对

2、于人类疾病的预防及情绪的控制有重大意义。2.关键词: 集成电路 晶体管 微电子技术 结合 3.引言： 3.1 集成电路：集成电路一般是指半导体集成电路，即以半导体晶体材料为基片，经过加工制造，将元件、有源器件和互连线集成在基片内部、表面或基片之上，执行某种电子功能的微型化电路（微型化电路有集成电路、厚膜电路、薄膜电路、混合微型电路等多种形式，简称微电路）。单片集成电路是用一块半导体单晶片为基片，通常是指硅（Si）或化合物半导体如砷化镓（GaAs）等制成的集成电路。 集成电路的发明开创了集有源器件与某些元件于一体的新阶段，使传统的电子器件的概念发生了质的变化，这种新型的封装好的器件不仅具有体积很

3、小、功耗很小的特点，且具有独立的电路功能，甚至可具有某种系统的功能。 3.2微电子学：集成电路的发明使电子学进入了微电子学时期（电子学发展史上的一次重大飞跃）。 微电子学研究电子在半导体和集成电路中的物理现象、物理规律，并致力于这些物理现象和物理规律的应用，包括器件物理、器件结构、材料制备、集成工艺、电路与系统设计、自动测试及封装、组装等一系列理论和技术问题。微电子学研究的对象除了集成电路以外，还包括集成光电子器件、集成超导电子器件等。 3.3.小常识：听起来集成电路好像是多么高级的器件，其实我们生活中无时无刻不在与集成电路相接触。例如：打开PC的机盖，主板上有各种各样的集成电路块，包括中央处

4、理器（）、存储器、各种接口电路等。这些都是已经封装好的集成电路。如果打开它们的封盖，就可以看到管壳里有一小小的硅片，称之为芯片（或），但人们通常把已封装好的集成电路块也叫做芯片。要看清芯片上的图形几乎是不可能的，只有在高倍显微镜下才能观察到它的细节。芯片上这些线条和图形的集合，被称为版图（）。这些线条和图形就是为了实现器件、元件、和互连线的连接而专门设计和制作的。.主要内容：集成电路在计算机、通信等领域的革新、发展中都起到了关键性作用，除此之外，它也早已成为各种电器物件不可或缺的重要组成（大到巨型超级计算机、电视机，小到袖珍收音机、电子表中都能见到它的身影）。它的具体理论可能不会被所有人完全掌

5、握，但作为它的使用者，我们应该有一些基本的了解。以下就概述一下集成电路的诞生、发展、分类和发展趋势。.集成电路的诞生：.晶体管的诞生：年，美国科学家威廉肖克利（）等三位科学家，用几条金箔片，一片半导体材料和一个弯纸架制成一个小模型，可以传导、放大和开关电流。他们将这一发明称为“点接晶体管放大器（）”。这就是后来引起一场电子革命的“晶体管”，这是一种用以代替真空管的电子信号放大元件，是电子专业的强的引擎，被媒体和科学界称为“世纪最重要的发明”。晶体管在体积上比过去的电子管小很多，耗电也大大降低，在稳定性上有极大的提高。其诞生为集成电路的发明准备了物质条件。.集成电路的诞生：在发明集成电路以前，所

6、有的电子线路都是将已制成的晶体管、二极管、电阻、电容、电感等分立元件按一定要求用导线连接而成的。虽然经过多方的改进，如设法简化制造、增加封装密度和增加印刷电路板的层数，但基本思想仍是先制造分分立的元器件，再把分立的、各自封装的元器件连接在一起。众多的晶体管原来就是同时制造在一个大的晶硅圆片上，然后通过晶硅原片的切割而得到每一个晶体管。那么能不能按电子线路的要求将需要的有源元件和无源元件同时做在一个半导体硅晶圆片上，并且在制造这些元器件的同时也完成它们之间的连接呢？年月，美国的杰克基尔比（）在他的专利申请书中第一次提出了这种创新思路。首先要将做在同一硅晶圆片上的各个晶体管在电学上隔离起来，再采用

7、某种方案将它们连接；此外，还要设法在同样的制造步骤中获得性能不同的晶体管，并制造那些无源元件。为此基尔比进行了不懈的尝试并取得了成功。年月基尔比所在的美国德州仪器公司制造出了第一个上用的集成电路。这一发明具有划时代的意义，它掀开了半导体科学与技术史上全新的篇章，为此基尔比在年获得了诺贝尔物理学奖的殊荣。与此同时，另两位科学家也对集成电路的诞生做出了杰出贡献。一位是库尔特莱霍维克，年他提出了用结（通过特殊的“扩散”制作工艺，将一块本征半导体的一半掺入微量的三价元素、变成P型半导体，而将其另一半掺入微量的五价元素、变成N型半导体，在P型半导体区和N型半导体区的交界面处就会形成一个具有特殊导电性能的

8、薄层，即PN结）来隔离集成电路中各个晶体管和其他元件，从而解决了集成电路制造中的一个关键问题。另一位是美国仙童公司的罗伯特诺伊斯，年他提出的用平面工艺来制作硅集成电路，并在氧化膜上制作互连线的方法。他们的方案奠定了当今半导体集成电路的技术基础。有了硅平面工艺技术并采用结作为隔离，单片集成电路才在工业上得以真正的实现。.集成电路的发展.应用的驱动：基尔比曾谈到：“集成电路产业一向是通过寻找新的应用领域而发展起来的，如应用于计算器、数字手表、手机，而且每一种产品的销售额都比前一种的搞出一个数量级”。自年出现第一个逻辑电路后，又依次成功开发出了晶体管晶体管逻辑（）系列集成电路、集成注入逻辑（）系列集

9、成电路、发射极耦合逻辑（）系列集成电路。世纪年代大量采用集成电路的最突出例子是计算器和数字手表。年IBM用晶体管制造的1401型大型计算机，体积有一个房间那么大，售价为7万美元，而TI公司用集成电路制造的TI-59便携式计算器，售价仅300美元，但其计算能力与1401相当。而采用集成电路芯片的数字式手表几乎完全替代了机械式手表，表内不再需要几十个机械零件，而只要一块芯片和一块电池就行了。1970年出现的半导体存储器和1972年推出的微处理器i4004则真正导致了数字集成技术的革命性变化。半导体存储器具有体积小、功率低和价格便宜等特点，因而完全取代了计算机主存储器中原来使用的磁芯存储器。微处理器

10、具有完整的中央处理单元（）的功能。微型计算机只要具有单片微处理器（或多片微处理器），再加上足够的存储器和输入输出电路就可以实现功能齐全的计算接任务。此外，集成电路也应用于移动通信、汽车电子化等领域。.集成度的提高：集成度是指每个芯片上的等效门数。一个等效门一般是指一个输入端与非门。在五十年的时间里，集成电路的集成度迅速提高，经历了小规模（）、中规模（）、大规模（）、超大规模（）、特大规模（）阶段之后，目前已进入了巨大规模集成电路（）的阶段。各阶段集成度表类别数字集成电路集成度模拟电路集成度双极SSIMSI集成度提高的途径： = 1 * GB3 晶体管尺寸和内部特征尺寸（节距）的缩小。尺寸的缩小

11、一能使电路的速度加快，二能使晶体管（集每立方毫米硅片中含有的晶体管数）的密度增加，但又不引起集成电路制造成本的明显上升。这一刺激作用驱动着集成电路工业界致力于集成度的提高，并能不断提高产品的性能价格比。 = 2 * GB3 芯片面积的增大。世纪年代以来，每个芯片的面积约为2，到了年代已达到。到了世纪末，已出现了的芯片。但过分增加面积会使每个晶圆片上的有效芯片数减少，也会使集成电路生产的良品率下降（即每个晶圆片上有效芯片的数目与总芯片数之比），引起制造成本上升。解决这一问题的方法之一是加大圆晶片的直径，使每一圆晶片上可以容纳更多的芯片。.摩尔定律：年，公司的戈顿摩尔通过对过去近十年集成电路发展情

12、况的分析发现了一个规律，提出了所谓的“摩尔定律”，即集成电路芯片的集成度每一年半到两年翻一番。发布年代型号晶体管个数个特征尺寸摩尔定律的重大意义在于：集成电路的发展趋势是持续、快速地降低单位功能的成本。使人们可以享用到更廉价而功能更强的计算机、电子通信产品和消费类电子产品，从而大幅度提高了劳动生产率以及人们的生活质量。.专用集成电路和专用的标准产品：世纪世纪中期以来，出现了ASIC这一术语（专用集成电路）。它是面向专门用途的电路，是区别于标准产品，即区别于标准逻辑电路、通用存储器、和微处理器等而言的。狭义上，就是根据用户的特定要求，能够以低的研制成本、短的交货周期供货的电路。7.集成电路的分类

13、7.1.按器件结构类型分类：7.2.按功能分：数字集成电路（组合逻辑电路、时序逻辑电路）、模拟集成电路（线性电路、非线性电路）、数模混合集成电路。7.3.按材料分：硅材料、非硅材料（如砷化镓材料的，可工作在微波频段下，称为单片微波集成电路开始成熟）。在绝缘材料（如蓝宝石）作为衬底而制造出来的集成电路也有商品出现，但它们的价格比较昂贵，应用领域较窄。硅集成电路仍将占据主导地位。8.集成电路的未来 21世纪是一个信息化的社会，如果说前20多年的历史是PC的需求驱动集成电路的发展的话，那么后20多年除了PC仍会继续发挥影响外，主要的驱动力将是与Internet相结合、可移动的、网络化的、智能化的、多

14、媒体的实时信息设备和系统。此外，计算机、通信和消费电子产品的一体化也将是重要的驱动力。集成电路将会根据设备和系统性能的要求不断进行产品和技术的升级。8.1继续等效的按比例缩小器件的特征尺寸：等效的按比例缩小不同于完全按比例缩小。完全按比例缩小是在横向与纵向上都用同一比例缩小，但在实际的缩小过程中，发现难以实施，因为改为等效地按比例缩小，即根据实际的需求和可能，在横向与纵向上的各工艺参数采用不同的缩小比例。为此在基础物理层次（如半导体器件的输运理论、器件模型、器件结构等）、加工工艺层次（如光刻技术、互连技术等）、电路技术层次（低电压、低功耗技术、热耗散技术等）以及材料体系层次上，都将有大量的研究

15、和开发工作需要进行。大生产的硅晶圆片尺寸还会加大，目前以12英寸直径硅晶圆片的制造工厂已投入生产，到2015年左右可能出现采用1618英寸直径的硅片制造集成电路的技术。8.2.单片系统集成芯片SOC（system on a chip）的出现：SOC最初所表达的概念：系统所有的电学功能都在一片硅片上实现。但近年来SOC概念开始泛指那些非常复杂的集成电路或子系统，通常指包含一百万个以上晶体管的集成电路，而不再强调芯片是否实现了一个完整的电子系统。8.3.新型器件与材料的研究：新型器件与新型材料技术工作组讨论出了7种现有的技术，认为每一种都存在着潜力。但更多的倾向于推荐基于“碳的纳米电子器件”的技术

16、，但这一技术尚未达到实际应用阶段，还有大量挑战性问题有待研究和解决。当然，在未来十年中也可能会出现其他新的技术突破。8.4.微电子技术与其他学科相结合：微电子技术发展的一个重要趋势是通过将微电子集成技术与其他学科相结合，诞生一系列崭新的科学领域和重要的经济增长点。作为与微电子技术结合成功典型的已有微电子机械系统、微电光机械系统及生物芯片等。下面简要介绍一下生物芯片（bio-chip）：Bio-chip是采用微电子技术与生物科学相结合而产生的生物工程芯片。它是以生物科学为基础，利用生物体、生物组织或细胞的功能，在固体芯片表面构建成微分析单元，以实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞及其他生物组分的正确

17、、快速检测。目前已开发出DNA基因检测芯片等。9 经过近十几年的发展，中国本土集成电路产业也不断壮大，到2012 年行业整体产值突破2000亿元，但是产业发展存在产业结构不合理、技术水平落后等不利现象。尽管如此，我们认为大陆集成电路产业转型升级的基础已经具备。首先，国内市场空间巨大，存在每年近万亿的进口替代需求；其次，产业配套布局完善，IC 设计到IC 制造再到封装测试，在集成电路的各个环节都聚集了一批具有一定潜力的优秀本土企业。最后，大陆地区能够为产业转型升级提供大量高性价比的工程师资源。国家级的系统性产业政策将成为大陆集成电路产业二次启动的核心催化剂。从世界各国半导体产业发展经验来看，政策扶持是行业发展不可或缺的力量，对于产业落后地区更是如此。集成电路在整个电子信息产业中具有基础性作用，符合国家产业结构调整的大方向。. 近几年来,我国国内的集成电路产业取得了长足的进步,微电子学