MOS 集成原理技术分析 2

CMOS数字集成电路原理与分析第一章集成电路概论第一章

集成电路概述？？？？1半导体集成电路的基本概念数字集成电路基础数字集成电路的发展与应用国内相关产业现状5课程学习内容2集成电路的分类4361.1半导体集成电路的基本概念第一章

集成电路概述010204集成电路从哪里来集成电路的贡献02要点内容集成电路的定义要点内容01相关基本概念要点内容0503要点内容集成电路关键知识点要点内容1.1半导体集成电路的基本概念第一章

集成电路概述集成电路的定义ABCYesorNoYesorNoYesorNo判断依据是什么？1.1半导体集成电路的基本概念第一章

集成电路概述集成电路的定义将电子元器件按照一定的要求连接起来,完成一定的功能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1.1半导体集成电路的基本概念第一章

集成电路概述集成电路的定义

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”在同一块半导体单晶片（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裸片引线封装系统1.1半导体集成电路的基本概念第一章

集成电路概述集成电路的贡献分立元器件构成的电路系统构成电路的基本元器件是分立元件单器件物理尺寸大（毫米级）元器件之间的连接方式是锡点焊接同一系统中器件参数误差不同器件匹配性差虚焊、焊点空洞焊点物理尺寸减小有限（毫米级）体积大、集成度低、可靠性低、功耗高、成本高电子设备的微型化发展受限第一章

集成电路概述集成电路的贡献在同一块半导体材料上，采用相同的制备工艺，制做电路中所有晶体管、电阻、电容等器件，通过通孔和金属布线实现器件连接，再经过封装将信号引出。半导体集成电路器件尺度不断缩小（微、纳米级）同一系统中器件制备工艺相同匹配性好通孔（微、纳米级）多层连线（3-20余层）体积小、集成度高、可靠性高、功耗低、成本低复杂系统的单片集成成为可能1.1半导体集成电路的基本概念第一章

集成电路概述集成电路的贡献交通运输家用电器航空航天舰艇火箭IC无处不在，彻底渗入并改变了人类生活方式现代信息技术发展的基石持续革新不断拓展着人类的技术边界1.1半导体集成电路的基本概念第一章

集成电路概述集成电路从哪儿来1.1半导体集成电路的基本概念第一章

集成电路概述集成电路从哪儿来1.1半导体集成电路的基本概念第一章

集成电路概述集成电路从哪儿来从沙子到CPU1.1半导体集成电路的基本概念

构成电路的所有元器件是在同一块半导体材料上制作的何种材料能够实现不同的器件？采用什么器件结构？器件结构在材料上如何实现？实现什么功能？用何种电路？如何将电路转化到半导体材料上？如何保证电路功能的正确性？如何验证芯片功能？材料器件工艺算法电路设计仿真测试集成集成电路关键知识点第一章

集成电路概述1.1半导体集成电路的基本概念集成电路关键知识点第一章

集成电路概述集成电路技术关联集成电路半导体材料结构特性半导体材料化学特性半导体器件结构在同一个半导体材料上制作各种器件半导体器件制作工艺半导体器件隔离技术互连技术封装技术数学、物理算法电路系统概念电路设计技术电路测试与可靠性将各种器件互连构成系统，执行相关运算半导体集成电路半导体半导体材料物理特性1.1半导体集成电路的基本概念相关基本概念第一章

集成电路概述1．芯片形状尺寸

形状：一般为正方形或矩形diesize:

几平方毫米到几百平方毫米。封装后芯片（die）1.1半导体集成电路的基本概念相关基本概念第一章

集成电路概述2．晶圆尺寸4英寸、6英寸、8英寸、12英寸晶圆尺寸(WaferSize)12英寸产线相比传统的8英寸产线，单晶圆有效芯片产出量提升了2.5倍，单位晶体管成本下降40%晶圆尺寸增大芯片产能提升+固定成本分摊单芯片成本降低支撑先进制程商业化+适配大规模量产推动芯片性能迭代与应用普及1.1半导体集成电路的基本概念相关基本概念第一章

集成电路概述3．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)。特征尺寸的微缩遵循摩尔定律，其驱动着晶体管密度指数增长（从28nm到5nm工艺，密度提升了10倍），工作电压降至0.7V以下，动态功耗下降两个数量级；寄生电容的减少使开关速度提升了3倍以上。当前的主流工艺节点已进入5nm时代，台积电3nm工艺采用GAAFET晶体管结构。1.1半导体集成电路的基本概念相关基本概念第一章

集成电路概述4．集成度集成度是表征芯片功能复杂度的关键指标，以晶体管数量为量化标准。工艺晶体管数量2017年2021年2022年2023年2025年AMDMI300x英伟达H100GPU联发科天玑9000高通骁龙835三星10nmFinFET台积电4nmN4台积电4nmN4

AMD5nm工艺30亿个153亿个800亿个1530亿个BlackwellB200GPU台积电4nmN4P2080亿个时间1.1半导体集成电路的基本概念相关基本概念第一章

集成电路概述5．工作频率半导体集成电路的工作频率反映了晶体管开关速率的动态性能指标，直接决定了芯片的运算速度。提升工作频率可显著增强系统的实时处理能力，如英特尔14代酷睿处理器的6.2GHz高频运算使指令周期缩短至160ps，单位时间处理指令数提升4个数量级，这直接提高了计算密集型任务的实时处理能力。CPU型号发布时间工艺工作频率功耗酷睿i7-6700K2015年14nm基频4G睿频4.2GHz91W酷睿i7-7700K2017年14nm基频4.2G睿频4.5GHz91W

酷睿i7-1165G72020年10nm基频2.8G睿频4.7GHz28W

酷睿i5–12600K2022年10nm基频2.8G睿频4.9GHz65W酷睿Ultra7265F2024年3nm基频2.4G睿频5.2GHz65W酷睿i9-14900KS2024年10nm基频3.6G睿频6.2GHz150W1.1半导体集成电路的基本概念第一章

集成电路概述1.2集成电路的分类第一章

集成电路概述1.按电路处理信号的方式分类2.按器件的类型或实现工艺分类3.按电路规模分类4.按结构形式和实现方法分类5.按电路用途分类6.按设计方法分类模拟数字超大规模专用双极MOS全定制第一章

集成电路概述1.2集成电路的分类第一章

集成电路概述1．按电路处理信号的方式分类

输入与输出量均为二进制的数字，不是高电平，既是低电平，在数字电路中表现为“0”，“1”。数字集成电路01模拟集成电路输入与输出量为连续变化的模拟量数模混合集成电路第一章

集成电路概述1.2集成电路的分类第一章

集成电路概述2．按器件的类型或实现工艺分类

参与导电的载流子既有空穴又有电子，称为双级型BJT型BipolarJunctionTransistorn+npBECpn+n电子空穴参与导电的载流子只有空穴或电子，称为单级型MOS型MOSTransistorpn+n+SGDnp+SGp+D电子空穴Bi-CMOS第一章

集成电路概述1.2集成电路的分类第一章

集成电路概述3．按电路规模分类

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）第一章

集成电路概述1.2集成电路的分类第一章

集成电路概述

划分集成电路规模的标准类别数字集成电路（等效门数）模拟集成电路（晶体管数目）MOS集成电路双极型集成电路发展阶段SSI<1021001966年以前＜30MSI102～103100～5001966—1969年30～100LSI103～105500～20001970—1977年100～300VLSI106～107>20001978—1987年>300ULSI107～109—1988—1993年—GSI＞109—1994年以后—第一章

集成电路概述1.2集成电路的分类第一章

集成电路概述4．结构形式和实现方法分类

混合集成电路由半导体集成电路，膜集成电路和分离元件中至少两种构成的集成电路半导体集成电路半导体单晶为基片，将构成电路的各元器件制作于同一基片上，布线连接构成的集成电路薄膜集成电路由金属和金属合金薄膜以及半导体薄膜制成元器件，布线连接构成的集成电路第一章

集成电路概述1.2集成电路的分类第一章

集成电路概述5．按电路用途分类

通用集成电路市场上能买到的具有通用功能的集成电路专用集成电路针对某一电路系统的要求而专门设计制造的;具有特定电路功能,通常市场上买不到的ASIC例如：通信卫星芯片图像处理芯片微处理器间的接口芯片ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuits)GPIC(General-PurposeIntegratedCircuit)例如：74系列4000Memory芯片CPU芯片等GPIC第一章

集成电路概述1.2集成电路的分类第一章

集成电路概述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如果A代表全定制设计，B代表半定制设计，C代表可编程设计请回答：1、三种设计方法中，哪一个设计出来的芯片性能最好？2、三种设计方法中，哪一种方法设计周期最短？3、三种设计方法中，哪一种方法设计方法能够兼顾成本和性能？第一章

集成电路概述1.3数字集成电路基础第一章

集成电路概述

1.3.1基于开关的基本数字逻辑门电路如何实现？假设：开关闭合为状态”1”，断开”0”，灯亮为”1”，灯灭为”0”当两个开关串联时，只有两个开关同时闭合，灯才会亮。开关状态为“00，01，10”时，灯的状态为“0”，开关状态为“11”时，灯的状态为“1”两个开关串联，可以实现与运算当两个开关并联时，只要两个开关有一个闭合，灯就会亮。开关状态为“01，10，11”时，灯的状态为“1”，开关状态为“00”时，灯的状态为“0”两个开关并联，可以实现或运算假设：开关闭合为状态”0”，断开”1”，灯亮为”1”，灯灭为”0”当开关闭合时，灯亮。开关关断时，灯灭。也就是开关状态为“0”，灯的状态为“1”，开关状态为“0”，灯的状态为“1”。用一个开关可以实现反相运算一个闭合状态为“0”的开关可以实现反相运算；两个闭合状态为“1”的开关通过不同连接方式可以实现与和或运算。可以推断，利用更多的开关组合，就可以实现更加复杂的逻辑运算。第一章

集成电路概述1.3数字集成电路基础第一章

集成电路概述

1.3.1基于开关的基本数字逻辑门一个闭合状态为“0”的开关可以实现反相运算；两个闭合状态为“1”的开关通过串联和并联两种连接方式可以实现与和或运算。可以推断，利用更多的开关组合，就可以实现更加复杂的逻辑运算。数字集成电路的本质，就是以可以用高低电平控制的开关为基本，通过开关组合实现以布尔代数为基本的逻辑运算。“1”“0”“0”“1”nMOS晶体管pMOS晶体管第一章

集成电路概述1.3数字集成电路基础第一章

集成电路概述1.3.2数字集成电路的功能第一章

集成电路概述1.4数字集成电路的发展与应用第一章

集成电路概述1.4.1数字集成电路的发展ENIAC-Thefirstelectroniccomputer

(1946)美国宾夕法尼亚大学尺寸：30.48米，宽6米，高2.4米，占地面积约170平方米；重量：30英吨耗电：耗电量150千瓦造价：48万美元。速度：每秒5000次加法或400次乘法包含17,468个真空管（电子管）7,200个晶体二极管，1,500

个中转，70,000个电阻器，10,000个电容器，1500个继电器，6000多个开关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世界普及第一章

集成电路概述1.4数字集成电路的发展与应用第一章

集成电路概述1.4.1数字集成电路的发展电子存储器第一章

集成电路概述1.4数字集成电路的发展与应用第一章

集成电路概述1.4.1数字集成电路的发展贝尔实验室获得1956年Nobel物理奖第一个晶体管

（1947年12月23日）肖克莱（1910—1989）巴丁(1908—1991)布拉顿(1902—1987)NPNGe晶体管现代电子工业的基础第一章

集成电路概述1.4数字集成电路的发展与应用第一章

集成电路概述1.4.1数字集成电路的发展TI公司获得2000年Nobel物理奖第一个集成电路

1958年9月杰克·基尔比（1923-2005）第一章

集成电路概述1.4数字集成电路的发展与应用第一章

集成电路概述1.4.1数字集成电路的发展平面集成电路的发明罗伯特·诺伊斯在单片硅上成功研制了第一个基于掩膜照相技术的平面工艺集成电路。USPatent：2,981,877（1959.7）罗伯特·诺伊斯（1927-1990)第一章

集成电路概述1.4数字集成电路的发展与应用第一章

集成电路概述1.4.1数字集成电路的发展1947年，巴丁、肖克来、布拉顿，NPNGe晶体管现代电子工业的基础1958年，杰克·基尔比，在Ge晶片上集成12个晶体管，开创了世界微电子学的历史1959年，仙童公司，平面工艺，集成电路概念得以实现了，推进微电子发展1962年，弗兰克.威纳尔斯和C.T.Sah，CMOS技术，现在集成电路产业中占98以上%1967年，Kahng、S.Sze，非挥发存储器现在半导体存储技术的核心1968年，Dennard，DRAM（动态随机存储器）1971年，

Intel公司，微处理器-计算机的心脏，推进PC平民化、普及化微电子发展史上的几个里程碑70年代初，微电子技术开启高速发展模式第一章

集成电路概述1.4数字集成电路的发展与应用第一章

集成电路概述1.4.1数字集成电路的发展Electronics（1965.4.19）GardenMoore摩尔定律初始版本（1965年）：集成电路上可容纳的晶体管数量，每12个月将翻一番；修正版本（1975年）：摩尔根据技术演进速度调整为每24个月翻一番（后续行业普遍简化为“每18-24个月翻一番”）；延伸推论：晶体管集成度翻倍的同时，单位晶体管成本降低约50%，芯片性能（如运算速度）提升约一倍，且功耗密度（单位面积功耗）保持相对稳定。本质是半导体工艺进步与规模效应的协同作用第一章

集成电路概述1.4数字集成电路的发展与应用第一章

集成电路概述1.4.1数字集成电路的发展IC工艺节点的发展第一章

集成电路概述1.4数字集成电路的发展与应用第一章

集成电路概述1.4.1数字集成电路的发展第一章

集成电路概述1.4数字集成电路的发展与应用第一章

集成电路概述1.4.1数字集成电路的发展第一章

集成电路概述1.4数字集成电路的发展与应用第一章

集成电路概述1.4.1数字集成电路的发展科技推动创新第一章

集成电路概述1.4数字集成电路的发展与应用第一章

集成电路概述1.4.1数字集成电路的发展超越摩尔定律伴随着CMOS集成电路特征尺寸越来越小，并逐渐逼近物理极限，未来集成电路技术的发展将沿着按比例缩小(MoreMoore)和功能的多样化(MorethanMoore)的两个方向发展其中"MoreMoore"即为继续按照进一步缩小的方向发展，该发展方向包括在空间尺度上继续缩小、并提高集成度的"几何缩小"和3维集成多核结构等不单纯追求尺寸缩小的“等效缩小”两个方面，其发展总体目标都是为了使Moore定律得以继续。而“MorethanMoore”则是追求集成系统的多样性，其总体目标是将更多的数字和非数字功能模块集成到系统中。第一章

集成电路概述1.4数字集成电路的发展与应用1.4.2数字集成电路的应用3.通信设备处理器、信号处理、数据传输、通信模块、射频前端等芯片2.汽车电子领域处理器、控制、传感器、图像处理、通信模块、智能感知等芯片1.智能手机和移动设备处理器、存储器、人脸识别、图像处理、通信、显示驱动等芯片4.消费电子处理器、信号处理、数据传输、通信模块、射频前端、图像处理、传感器等芯片5.航空航天