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文档简介
1、第五章 大规模集成电路基础,5.1半导体集成电路分类 5.2半导体集成电路概述 5.3 影响集成电路性能的因素和发展趋势,5.1、集成电路分类,集成电路的分类 器件结构类型 集成电路规模 使用的基片材料 电路形式 应用领域,1. 按器件结构类型分类,双极集成电路:主要由双极晶体管构成 NPN型双极集成电路 PNP型双极集成电路 金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路:主要由MOS晶体管(单极晶体管)构成 NMOS PMOS CMOS(互补MOS) 双极-MOS(BiMOS)集成电路:同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路,综合了双极和MOS器件两者的优点,但制作工艺复杂,优点
2、是速度高、驱动能力强, 缺点是功耗较大、集成度较低,功耗低、集成度高,随着特征 尺寸的缩小,速度也可以很高,2. 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),基于市场竞争,不断提高产品的性能价格比是微电
3、子技术发展的动力。在新技术的推动下,集成电路自发明以来四十年,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。这就是由Intel公司创始人之一Gordon E. Moore博士1965年总结的规律,被称为摩尔定律。,微电子技术发展的ROADMAP,3. 按结构形式的分类,单片集成电路: 它是指电路中所有的元器件都制作在同一块半导体基片上的集成电路 在半导体集成电路中最常用的半导体材料是硅,除此之外还有GaAs等 混合集成电路: 厚膜集成电路 薄膜集成电路,4. 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
4、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:又叫做放大集成电路,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,集成电路的分类,5. 2半导体集成电路概述,集成电路(Intergrated Circuit,IC),芯片(Chip, Die) 硅片(Wafer),集成电路的成品率:,成品率的检测,决定工艺的稳定性,成品率对集成电路厂家很重要,集成电路发展的原动力:不断提高的性能/价格比
5、,集成电路发展的特点:性能提高、价格降低,集成电路的性能指标: 集成度 速度、功耗 特征尺寸 可靠性,主要途径:缩小器件的特征尺寸 增大硅片面积,集成电路的关键技术:光刻技术(DUV),缩小尺寸:0.250.18mm 0.09mm 增大硅片:8英寸12英寸,亚0.1mm:一系列的挑战, 亚50nm:关键问题尚未解决,新的光刻技术: EUV SCAPEL(Bell Lab.的E-Beam) X-ray,集成电路的制造过程: 设计 工艺加工 测试 封装,集成电路产业的发展趋势: 独立的设计公司(Design House) 独立的制造厂家(标准的Foundary),集成电路类型:数字集成电路、模拟集
6、成电路,数字集成电路基本单元:开关管、反相器、组合逻辑门 模拟集成电路基本单元:放大器、电流源、转换器等,集成电路发展的原动力:不断提高的性能/价格比,集成电路发展的特点:性能提高、价格降低,集成电路的性能指标: 集成度 速度、功耗 特征尺寸 可靠性,主要途径:缩小器件的特征尺寸 增大硅片面积,1.双极集成电路基础,有源元件:双极晶体管 无源元件:电阻、电容、电感等,双极数字集成电路,基本单元:逻辑门电路,双极逻辑门电路类型: 电阻-晶体管逻辑 (RTL) 二极管-晶体管逻辑 (DTL) 晶体管-晶体管逻辑 (TTL) 集成注入逻辑 (I2L) 发射极耦合逻辑 (ECL),双极模拟集成电路,一
7、般分为: 线性电路(输入与输出呈线性关系) 非线性电路 接口电路:如A/D、D/A、电平位移电路等,2.MOS集成电路基础,基本电路结构:CMOS,MOS集成电路 数字集成电路、模拟集成电路,MOS 数字集成电路,基本电路单元: CMOS开关 CMOS反相器,CMOS开关,W,W,CMOS反相器,与非门:Y=A1A2,5.3 影响集成电路性能的因素和发展趋势,器件的门延迟: 迁移率 沟道长度,电路的互连延迟: 线电阻(线尺寸、电阻率) 线电容(介电常数、面积),途径: 提高迁移率,如GeSi材料 减小沟道长度,互连的类别: 芯片内互连、芯片间互连 长线互连(Global) 中等线互连 短线互连(Local),门延迟时间与沟道长度的关系,减小互连的途径: 增加互连层数 增大互连线截面 Cu互连、Low K介质 多芯片模块(MCM) 系统芯片(System on a chip),减小特征尺寸、提高集成度、Cu互连、系统优化设计、SOC,集成电路芯片中金属互连
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