第一章集成電路概論

第一章集成電路概論第1頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一《集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》課程簡介了解并掌握集成電路（IC）的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和未來了解并掌握各類集成電路的特點熟悉TTL電路特點，會使用EDA軟件進行電路模擬熟悉MOSFET電路特點，會使用EDA軟件進行電路模擬，可以畫出版圖EDA軟件：EWB，Micowind，Laker熟悉Linux操作系統(tǒng)的使用，會使用基本的命令第2頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一學習本課程的基礎(chǔ)電路基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)半導體物理學固體物理學量子力學微電子學基礎(chǔ)：晶體管，MOSFET管原理第3頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一第一章概論一半導體集成電路概述二集成電路基礎(chǔ)知識

1.基本概念

2.分類三半導體基礎(chǔ)知識

1.半導體基礎(chǔ)

2.PN結(jié)第4頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一一半導體集成電路概述

1.定義：

集成電路(IC)是指半導體集成電路，即以半導體晶體材料為基片，經(jīng)加工制造，將原件、有源器件和連線集成在基片內(nèi)部、表面或片面之上，執(zhí)行某種功能的微型化電路。單片集成電路：用一塊半導體晶片為基片，通常是硅（Si）或化合物半導體如砷化鎵（GaAs）制成的集成電路。本課程討論的集成電路實際專指單片集成電路。集成電路：IntergratedCircuit

第5頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一2.集成電路舉例：

51單片機，計算機CPU，74LS系列芯片等一般見到的芯片都是封裝好的，打開封蓋后可以看到管殼內(nèi)有一小小的硅片，稱為芯片（die或chip），但人們通常將封裝好的集成電路塊也叫芯片。第6頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一封裝好的集成電路第7頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一AMDAthlon64第8頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一VddABOut集成電路的內(nèi)部電路第9頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一第10頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一

用肉眼是觀察不到集成電路芯片上的圖形的，只有在高倍顯微鏡下才能觀察到。芯片上的這些線條和圖形的集合，被稱為版圖（layout）。這些線條和圖形是為了實現(xiàn)器件、元件和互聯(lián)線而專門設(shè)計和制作的。100μm頭發(fā)絲粗細30μm50μm1μm×1μm（晶體管的大?。ㄆつw細胞大?。╊^發(fā)與晶體管的對比第11頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一3.集成電路的過去、現(xiàn)在和未來

－－愛迪生效應(yīng)：為了延長白熾燈的壽命，1883年，愛迪生在燈泡的碳絲附近焊上一小塊金屬片（實際并沒能延長燈泡的壽命），金屬片沒有與燈絲接觸，但如果在它們之間加上電壓，燈絲受熱后，會產(chǎn)生一股趨向附近的金屬片的電流。當時，愛迪生本人并沒有意識到這種現(xiàn)象有多少技術(shù)潛力，而轉(zhuǎn)入其他項目的研究。后人認識到愛迪生發(fā)現(xiàn)的是一種“熱電子發(fā)射現(xiàn)象”，有重要的實際應(yīng)用價值，把它稱為“愛迪生效應(yīng)”。第12頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一－－真空二級管的發(fā)明（1904年弗萊明）

最早預(yù)見到愛迪生效應(yīng)具有實用價值的，是英國物理學家、工程師弗萊明。利用“愛迪生效應(yīng)”將交流電轉(zhuǎn)化成直流電。用一個金屬圓筒代替了愛迪生所用的金屬絲，套在燈絲外面，和燈絲一起封在玻璃泡里。這樣，接收電子的面積大大增加了。金屬筒接正電(“陽極”)、燈絲接負電(“陰極”)。這種新誕生的器件，其作用相當于一個只允許電流單向流動的閥門，弗萊明就稱它叫做“閥”。后人將其稱為“真空二極管”。真空二極管的發(fā)明標志著人類進入了電子時代。－－真空三極管的發(fā)明（1907年德·福雷斯特）直到真空三極管的發(fā)明后，電子管才成為實用的器件真空三極管除了可以處于放大狀態(tài)外，還可充當開關(guān)器件第13頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一－－晶體管的發(fā)明（1947年肖克利等）在貝爾實驗室,肖克利和兩位同事用幾條金箔片，一片半導體材料和一個彎紙架制成一個小模型，可以傳導、放大和開關(guān)電流。他們把這一發(fā)明稱為“點接晶體管放大器”（Point-ContactTransistorAmplifier）。電子革命的“晶體管”。獲得1956年度的諾貝爾物理學獎。稱為“20世紀最重要的發(fā)明”。第14頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一－－集成電路的發(fā)明（1958年杰克·基爾比（JackKilby））

1958年9月12日，美國德州儀器工程師基爾比發(fā)明第一顆IC。給電子產(chǎn)業(yè)帶來了一場革命，并為無數(shù)的其它發(fā)明鋪平了道路。1960年3月基爾比所在的德州儀器公司（TexasInstrumentInc）制造出了第一個商用的集成電路。

2000年的10月10日，七十七歲的基爾比獲得2000年的諾貝爾物理學獎。這個獎距離他的發(fā)明已經(jīng)四十二年。杰克·基爾比第15頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一

集成電路的出現(xiàn)，為開發(fā)電子產(chǎn)品的各種功能鋪平了道路，并且大幅度降低了成本，第三代電子器件從此登上舞臺。它的誕生，使微處理器的出現(xiàn)成為了可能，也使計算機變成普通人可以親近的日常工具。集成技術(shù)的應(yīng)用，催生了更多方便快捷的電子產(chǎn)品。第16頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一

－－摩爾定律的提出（1965年，戈登?摩爾）

1965年，戈登?摩爾在《電子》雜志上發(fā)表了一篇預(yù)測未來集成電路發(fā)展趨勢的文章，它就是摩爾定律的原身,即所謂每18個月，相同面積大小的芯片內(nèi)，晶體管數(shù)量會增長一倍的規(guī)則.在IT行業(yè)有一個神話，這個神話就是一條定律（“摩爾定律”）把一個企業(yè)帶到成功的頂峰。摩爾定律提出3年后，英特爾公司誕生了.信息產(chǎn)業(yè)幾乎嚴格按照這個定律以指數(shù)方式領(lǐng)導著整個經(jīng)濟發(fā)展的步伐第17頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一弗來明德·福雷斯特肖克利第18頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一杰克·基爾比戈登?摩爾第19頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一集成電路的發(fā)展經(jīng)歷了：20世紀70年代初:SSI(SmallScaleIntegration),僅包含幾個邏輯門，（1到10個門不等），實現(xiàn)一些基本的“與非”或“或非”邏輯.幾年后,MSI(MediumScaleIntegration),做成常用功能塊,計數(shù)器,譯碼器等20世紀80年代開始進入LSI(LargeScaleIntegration),較強的集成功能,開始出現(xiàn)16位處理器,MotoralM68000(7萬個晶體管),Intel80286(12.5萬個晶體管),80386(27.5萬個晶體管)等20世紀90年代:VLSI(VeryLargeScaleIntegration),具有電路與系統(tǒng)的單片集成功能。32位處理器,80486,超過100萬個晶體管;98年P(guān)entiumIII1000萬個晶體管ULSI(UltraLSI),GLSI(GiantLSI)，SOC/SOPC系統(tǒng):IntelPrescott系列處理器(正式為Pentium4E),內(nèi)部集成一億兩千五百萬個晶體管；2GHz的Pentium-M移動芯片?，F(xiàn)在，64位雙核處理器已經(jīng)普及，處理器的制造工藝已經(jīng)達到0.045微米級，其集成度更高。

第20頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一

21世紀的微電子技術(shù)將從目前的3G時代逐漸發(fā)展到3T時代，即存儲器量由Gb發(fā)展到Tb，集成電路中器件的速度由GHz發(fā)展到THz，數(shù)據(jù)傳輸速率由Gbps發(fā)展到Tbps。由于集成電路工藝的發(fā)展，芯片的集成度增加的同時尺寸將不斷減小。

SoC(System-on-Chip)將繼續(xù)得到發(fā)展，成為集成電路的主流之一。SoC技術(shù)始于20世紀90年代中期,隨著半導體工藝技術(shù)的發(fā)展,IC設(shè)計者能夠?qū)⒂鷣碛鷱碗s的功能集成到單硅片上,SoC正是在集成電路(IC)向集成系統(tǒng)(IS)轉(zhuǎn)變的大方向下產(chǎn)生的。

晶圓的尺寸增加,當前的主流晶圓的尺寸為8英寸,正在向12英寸晶圓邁進。

第21頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一第22頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一第23頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一第24頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一多媒體工作站系統(tǒng)集成芯片第25頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一二集成電路基礎(chǔ)知識

1.集成電路的基本概念

2.集成電路的分類第26頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一1.集成電路（IC）的幾個基本概念–形狀:

一般為正方形或矩形–面積:

幾平方毫米到幾百平方毫米。面積增大引起功耗增大、封裝困難、成品率下降，成本提高，可通過增大硅圓片直徑來彌補。–集成度，規(guī)模:

包含的晶體管數(shù)目或等效邏輯門(2輸入的NAND)的數(shù)量1個2輸入的NAND=4個晶體管（NAND：與非門）第27頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一–特征尺寸：集成電路器件中最細線條的寬度，對MOS器件常指柵極所決定的溝道幾何長度，是一條工藝線中能加工的最小尺寸。反映了集成電路版圖圖形的精細程度，特征尺寸的減少主要取決于光刻技術(shù)的改進（光刻最小特征尺寸與曝光所用波長）。–硅圓片直徑：考慮到集成電路的流片成品率和生產(chǎn)成本，每個硅圓片上的管芯數(shù)保持在300個左右。–封裝：把IC管芯放入管殼內(nèi)并加以密封，使管芯能長期可靠地工作第28頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一2.集成電路的分類按器件結(jié)構(gòu)分類－－雙極型集成電路－－MOS集成電路－－BiCOMS集成電路

MOS型PMOSNMOSCMOS雙極型飽和型非飽和型TTLI2LECL/CMLBiCMOS第29頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一

雙極型集成電路具有速度高、驅(qū)動能力強等優(yōu)點，但其功耗大，集成度相對低。

MOS集成電路優(yōu)點：輸入阻抗高、功耗低、抗干擾能力強且適合大規(guī)模集成，特別是COMS集成電路有著特殊的優(yōu)點，如靜態(tài)功耗幾乎為零，輸出邏輯電平可為VDD或VSS，上升和下降時間處于同數(shù)量級等，因而COMS集成電路產(chǎn)品已成為集成電路的主流之一。

BiCOMS集成電路則綜合了雙極和MOS集成電路的優(yōu)點，但其制造工藝復雜，成本較高。第30頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一按功能分類－－通用集成電路－－專用集成電路ASIC－－專用標準電路ASSP按設(shè)計制造方法分類－－全定制FullCustom－－半定制Semi-Custom－－可編程ProgrammableASIC第31頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一－－通用集成電路：市場上能買到的具有通用功能的集成電路例如：

74系列，4000系列,Memory芯片,CPU芯片等－－專用集成電路ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuits）針對某一電路系統(tǒng)的要求而專門設(shè)計制造的;具有特定電路功能,通常市場上買不到的優(yōu)點：較好的性能價格比，減少了元件數(shù),使系統(tǒng)體積縮小,功耗降低，提高了電子系統(tǒng)的可靠性和保密性，例如：玩具狗芯片通信衛(wèi)星芯片計算機工作站CPU中存儲器與微處理器間的接口芯片第32頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一－專用標準電路ASSP(Application-SpecificStandardProducts)有些專用芯片又有許多系統(tǒng)銷售商在販賣例如：PC機的控制芯片調(diào)制解調(diào)(Modem)芯片

DVDdecoder,VCDdecoderAudioDAC,MotorServoDSP第33頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一－全定制IC:硅片沒有經(jīng)過加工，其各掩膜層都要按特定電路的要求進行專門設(shè)計－半定制IC:全部邏輯單元是預(yù)先設(shè)計好的,可以從單元庫中調(diào)用所需單元來掩膜圖形（標準單元方法和門陣列），可使用相應(yīng)的EDA軟件，自動布局布線。－可編程IC:全部邏輯單元都已預(yù)先制成,不需要任何掩膜,利用開發(fā)工具對器件進行編程,以實現(xiàn)特定的邏輯功能.分為可編程邏輯器件和現(xiàn)場可編程邏輯器件第34頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一三半導體基礎(chǔ)知識1.半導體基礎(chǔ)2.PN結(jié)第35頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一1.半導體基礎(chǔ)半導體是構(gòu)成二極管和晶體管的基礎(chǔ)，而二極管和晶體管又是整個微電子學的心臟。（1）什么是半導體

半導體指其導電性能介于導體和絕緣體之間的一種材料，它的電學性能對溫度、所含雜質(zhì)、光照等十分敏感。劃分導體，半導體，絕緣體的依據(jù)：電阻率（或電導率）從電阻率上分，固體分為三大類。在室溫下：金屬：ρ<10Ω·cm

半導體：ρ=10Ω·cm~10E4Ω·cm

絕緣體：ρ>10E4Ω·cm第36頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一（2）半導體的特性溫度對半導體性能的影響一般金屬的導電能力隨溫度上升而下降，且變化不明顯。但硅的導電能力隨溫度上升而增加，且變化非常明顯。舉個例子：Cu：30C－>100C增加不到一半（正溫度系數(shù)）Si：20C－>30C減小了一半（負溫度系數(shù)）雜質(zhì)對半導體性能的影響

一般材料純度在99.9％已認為很高了，有0.1％的雜質(zhì)不會影響物質(zhì)的性質(zhì)。而半導體材料不同，純凈的硅在室溫下：＝21400Ω·cm

如果在硅中摻入雜質(zhì)磷原子，使硅的純度仍保持為99.9999％。則其電阻率變?yōu)椋海?.2Ω·cm。因此，可利用這一性質(zhì)通過摻雜質(zhì)的多少來控制硅的導電能力。

第37頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一半導體的導電能力隨光照而發(fā)生顯著變化半導體的導電能力隨外加電場、磁場的作用而發(fā)生變化第38頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一（3）能級與能帶半滿帶禁帶價帶價帶禁帶導帶導帶禁帶價帶絕緣體半導體導體絕對零度時，導帶中不存在電子；當外界條件改變時，價帶中電子將躍遷到導帶中，導帶中的電子在外電場作用下參與導電，對于半導體，價帶中的空穴也參與導電；金屬中，由于組成金屬的原子中的價電子占據(jù)的能帶是部分占滿的，所以金屬是良導體。絕緣體與半導體的區(qū)別？第39頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一（4）P型和N型半導體（以硅為例）半導體中的兩種載流子：帶負電荷的電子和帶正電荷的空穴。

ni－－本征半導體電子濃度

pi－－本征半導體空穴濃度純凈硅為本征半導體。本征半導體中載流子的濃度在室溫下（T＝300K）：

ni=pi≈1.25×1010/cm3

且乘積恒定：

nipi=ni2

第40頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一