《集成电路设计概述》PPT课件.ppt

1、第一章 集成电路设计概述,1.1 集成电路（IC）的发展,芯片，现代社会的基石,PDA：掌上电脑,内存条,手机,计算机,主板,数码相机,集成电路,Integrated Circuit ，缩写IC IC是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、电感等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体晶片（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的一种器件。,集成电路芯片显微照片,集成电路芯片键合,各种封装好的集成电路,晶体管的发明,1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组：W. Schokley，J. Bardeen、W. H. Bratt

2、ain Bardeen提出了表面态理论， Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain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； 1947年12月23日第一个点接触式NPN Ge晶体管发明者： W. Schokley J. Bardeen W. Brattain,获得1956年Nobel物理奖,获得1956年Nobel物理奖,集成电路的发明,1952年5月，英国科学家G. W. A. Dummer第一次提出了集成电路的设想。 1958年以德克萨斯仪器公司（TI）的科学家基尔比(Clair Kilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，并

3、于1959年公布了该结果。锗衬底上形成台面双极晶体管和电阻，总共12个器件，用超声焊接引线将器件连起来。,获得2000年Nobel物理奖,获得2000年Nobel物理奖,集成电路的发明,平面工艺的发明1959年7月， 美国Fairchild 公司的Noyce发明第一块单片集成电路：利用二氧化硅膜制成平面晶体管，用淀积在二氧化硅膜上和二氧化硅膜密接在一起的导电膜作为元器件间的电连接(布线)。这是单片集成电路的雏形，是与现在的硅集成电路直接有关的发明。将平面技术、照相腐蚀和布线技术组合起来，获得大量生产集成电路的可能性。,第一块单片集成电路,集成电路中几个重要的参数,特征尺寸： 集成电路器件中最细

4、线条的宽度，对MOS器件常指栅极所决定的沟导几何长度，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）。 硅园片直径： 考虑到集成电路的流片成品率和生产成本，每个硅园片上的管芯数保持在300个左右。,现代集成电路发展的特点：,特征尺寸越来越小（45nm） 硅圆片尺寸越来越大（8inch12inch） 芯片集成度越来越大（2000K） 时钟速度越来越高（ 500MHz） 电源电压/单位功耗越来越低（1.0V） 布线层数/I/0引脚越来越多（9层/1200）,集成电路的发展,表1 CMOS工艺特征尺寸发展进程

5、,集成电路的发展,小规模集成（SSI）中规模集成（MSI）大规模集成（LSI）超大规模集成电路(VLSI)特大规模集成电路(ULSI)GSI SoC 。,IC在各个发展阶段的主要特征数据,摩尔定律（Moores Law）,Min. transistor feature size decreases by 0.7X every three yearsTrue for at least 30 years! (Intel公司前董事长Gordon Moore首次于1965提出) 后人对摩尔定律加以扩展：集成电路的发展每三年 工艺升级一代； 集成度翻二番； 特征线宽约缩小30左右； 逻辑电路（以CPU为

6、代表）的工作频率提高约30。,Intel公司CPU发展,Intel公司CPU发展,Year of introductionTransistors 400419712,250 800819722,500 808019745,000 8086197829,000 2861982120,000 3861985275,000 486DX 19891,180,000 Pentium 19933,100,000 Pentium II 19977,500,000 Pentium III 199924,000,000 Pentium 4 200042,000,000,Intel 公司第一代CPU4004,电路

7、规模：2300个晶体管 生产工艺：10um 最快速度：108KHz,Intel 公司CPU386TM,电路规模：275,000个晶体管 生产工艺：1.5um 最快速度：33MHz,Intel 公司最新一代CPUPentium 4,电路规模：4千2百万个晶体管 生产工艺：0.13um 最快速度：2.4GHz,摩尔定律还能维持多久？,经过30多年，集成电路产业的发展证实了摩尔定律的正确性，但是摩尔定律还能有多长时间的生命力？ 集成电路的特征尺寸： 130nm90nm60nm45nm30nm?量子效应 集成电路光刻费用急剧增加,数十万甚至上百万美元！,器件结构类型 集成度 使用的基片材料 电路的功能

8、 应用领域,1.2 集成电路的分类,一、按器件结构类型分类,1、双极集成电路 通常由NPN和PNP两种类型的双极性性晶体管组成， 优点：速度快，驱动能力强 缺点：功耗较大，集成度低 2、金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路： 主要由MOS晶体管构成 ，包含NMOS和PMOS中的一种或两种类型 优点：输入阻抗高，功耗低，抗干扰能力强且适合大规模集成 CMOS：包含互补的NMOS和PMOS两类器件，静态功耗几乎为零，输出逻辑电平可为高低电源电压、上升和下降时间处于同数量级（广泛应用，成为当前集成电路的主流之一） 3、双极-MOS(BiMOS)集成电路： 是同时包括双极和MOS晶体管的集成电路。综

9、合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂。 管芯中大部分采用CMOS，外围接口采用双极型Bipolar，做到功耗低、密度大，电路输出驱动电流大,集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目,按晶体管数目划分的集成电路规模,二、按集成度分类,单片集成电路 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 用丝网漏印、高温烧结成膜、等离子喷涂等厚膜技术将组成电路的电子元器件以膜的形式制作在绝缘基片上所构成的集成电路 薄膜集成电路 用真空蒸发、溅射、光刻为基本工艺的薄膜技术,三、按使用的基片

10、材料分类,混合集成电路：从半导体集成电路、厚膜集成电路、薄膜集成电路、分立元器件中任取两种或两种以上电路封装在一个模块中完成一定的电路功能,数字集成电路(Digital IC)： 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)： 是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路， 通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路 ： 线性集成电路：又叫放大集成电路，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

11、器和模数(A/D)转换器等。,四、按电路的功能分类,标准通用集成电路 通用集成电路是指不同厂家都在同时生产的用量极大的标准系列产品。这类产品往往集成度不高，然而社会需求量大，通用性强。74 系列，4000系列, Memory芯片，CPU 芯片等 专用集成电路 根据某种电子设备中特定的技术要求而专门设计的集成电路简称ASIC，其特点是集成度较高功能较多，功耗较小，封装形式多样。玩具狗芯片； 通信卫星芯片；计算机工作站CPU中存储器与微处理器间的接口芯片,五、按应用领域分类,第一章 集成电路设计概述,1.3 无生产线集成电路设计技术 Fabless IC Design Technique,IDM与

12、Fabless集成电路实现,集成电路发展的前三十年中，设计、制造和封装都是集中在半导体生产厂家内进行的，称之为一体化制造 (IDM，Integrated Device Manufacture)的集成电路实现模式。 近十年以来，电路设计、工艺制造和封装开始分立运行，这为发展无生产线（Fabless）集成电路设计提供了条件，为微电子领域发展知识经济提供了条件。,1.3 无生产线集成电路设计技术,Layout,Chip,Design kits,Internet,Foundry,Fabless,设计单位,代工单位,Relation of F 验证工具Calibre 系列； IC设计工具icstudio

13、； FPGA设计系统; IC测试软件FastScan 、DFT、DFM等 ; PCB设计系统,Zeni EDA软件,九天（Zeni）系统是熊猫（Panda）系统的改进版，由我国在80年代后期自主开发，面向全定制和半定制大规模集成电路设计的EDA工具软件。 覆盖了集成电路设计的主要过程，包括： 基于语言的和基于图形的设计输入，各个级别的设计正确性的模拟验证（ZeniVDE）； 交互式的物理版图设计（ZeniPDT）； 版图正确性验以及CAD数据库 （ZeniVERI）。,Silvaco EDA软件,工艺计算机辅助设计(TCAD); 基于PDK(制造验证工艺设计工具 )的定制IC CAD设计 工艺仿真和器件仿真； SPICE 模型的生成和开发； 互连寄生参数的极其精确的描述； 基于物理的可靠性建模以及传统的CAD。,Tanner research 公司 Tanner EDA工具,前端设计工具 -电路设计工具（S-Edit）