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文檔簡(jiǎn)介

第1章

概述

上課:32學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn):12學(xué)時(shí)學(xué)分:2.5

2013-2014第一學(xué)期課程代碼05086397QQ群:集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)與工具集成電路設(shè)計(jì)集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)集成電路設(shè)計(jì)與九天EDA工具應(yīng)用《微電子概論》郝躍,電子工業(yè)出版社參考書(shū)1.(加)DanClein著,鄧紅輝王曉蕾耿羅鋒譯.CMOSICLayoutConcepts,MethodologiesandTools,CMOS集成電路版圖——概念、方法與工具,電子工業(yè)出版社,2006-01.2.模擬電路版圖的藝術(shù)The

Art

of

Analog

Layout

--Alan

Hastings3.CMOS

Circuit

Design,Layout,and

Simulation--R.Jacob

Baker,Harry

W.Li,David

E.Boyce4.Design

of

Analog

CMOS

Intergrate

Circuits

--Behzad

Razavi5.邊計(jì)年等編著.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化(第2版).清華大學(xué)出版社,2005-7-16.AnalysisandDesignofAnalogIntegratedCircuitsP.R.GrayDesignofAnalogCMOSIntergrateCircuits模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)BehzadRazavi7.CMOSAnalogCircuitDesignPhillipE.Allen3第一章概述1.1集成電路的發(fā)展1.2集成電路設(shè)計(jì)流程及設(shè)計(jì)環(huán)境1.3集成電路制造途徑1.4集成電路設(shè)計(jì)知識(shí)范圍認(rèn)識(shí)晶圓和集成電路裸片鍵合(連接到封裝的引腳)7封裝,成品8應(yīng)用微電子技術(shù)是當(dāng)代信息技術(shù)的一大基石。1947年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的WilliamB.Shockley(肖克利),WalterH.Brattain(波拉坦)和JohnBardeen(巴?。┌l(fā)明了晶體管,他們?yōu)榇双@得了1956年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。圖1.1是代表這一具有劃時(shí)代意義的點(diǎn)接觸式晶體管的照片。1.1集成電路(IC)的發(fā)展圖1.1最原始的點(diǎn)接觸式晶體管

WhyVLSI?1958年12月12日,在德州儀器公司(TI)從事研究工作的JackKilby(克爾比)發(fā)明了世界上第一塊集成電路IC(IntegratedCircuits),為此他在42年后獲得了2000年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。圖1.2給出JackKilby發(fā)明的世界上第一塊集成電路(IC)照片。以上兩項(xiàng)革命性的發(fā)明推進(jìn)人類社會(huì)進(jìn)入微電子時(shí)代和信息時(shí)代,表1.1列出1947年以來(lái)集成電路相關(guān)工藝技術(shù)、電路規(guī)模和產(chǎn)品的發(fā)展概況。圖1.2JackKilby發(fā)明的世界上第一塊集成電路表1.1集成電路相關(guān)工藝技術(shù)、

電路規(guī)模和產(chǎn)品的發(fā)展概況

13摩爾定律(Moore’sLaw)Moore'slaw:thenumberofcomponentsperICdoublesevery18months.Moore'slawholdtothisday.Moore’sLaw圖1.3集成電路規(guī)模按摩爾定律發(fā)展的趨勢(shì)圖1.4英特爾公司1971年推出的第一代微處理器4位的40004芯片

圖1.4為英特爾公司1971年推出的型號(hào)為4004的第一代4位微處理器的芯片照片。它含有2300只晶體管,芯片面積為13.5mm2,封裝在一個(gè)16針的雙列直插DIP塑料管殼內(nèi)。采用了10

m線寬的PMOS4004工藝,時(shí)鐘頻率為108kHz。Intel4004Micro-ProcessorIntelPentium(II)---1997圖1.5為英特爾公司1997年推出的型號(hào)為Pentium(奔騰)II的微處理器的芯片照片,它含有7500000只晶體管,芯片面積為209mm2,采用了0.35

m線寬一層多晶硅加四層金屬的CMOS工藝,時(shí)鐘頻率為233300MHz。

圖1.5英特爾公司1997年推出的Pentium(奔騰)II微處理器芯片

圖1.6為英特爾公司2000年推出的型號(hào)為Pentium(奔騰)4的微處理器的芯片照片,有42000000只晶體管,采用了0.18

m的CMOS工藝,時(shí)鐘頻率為1.5GHz。

圖1.6英特爾公司2000年推出的Pentium(奔騰)4微處理器芯片

反映集成電路發(fā)展速度的另一大類芯片存儲(chǔ)器:靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM、只讀存儲(chǔ)器ROM,電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器E2PROM、快閃存儲(chǔ)器FlashMemory等。它們的特點(diǎn)是電路規(guī)整,容量大,更依賴于工藝。表1.2列出了DRAM的發(fā)展情況。

[1]

SRAM主要用于制造Cache。速度快,集成度低,無(wú)需刷新[2]DRAM用于通常的數(shù)據(jù)存取。我們常說(shuō)內(nèi)存有多大,主要是指DRAM的容量。[3]目前主板上的BIOS大多使用FlashMemory制造,翻譯成中文就是“閃動(dòng)的存儲(chǔ)器”,通常把它稱作“快閃存儲(chǔ)器”,簡(jiǎn)稱“閃存”。這種存儲(chǔ)器可以直接通過(guò)調(diào)節(jié)主板上的電壓來(lái)對(duì)BIOS進(jìn)行升級(jí)操作。不加電的情況下數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。表1.2動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器容量、芯片面積、

工藝和價(jià)格發(fā)展惰況

當(dāng)前國(guó)際集成電路技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

表1.3列出了世紀(jì)之交時(shí)美國(guó)半導(dǎo)體協(xié)會(huì)給出的集成電路制造技術(shù)進(jìn)程路標(biāo)(Roadmap)表1-3集成電路制造技術(shù)進(jìn)程路標(biāo)

制造工藝的微米是指IC內(nèi)電路與電路之間的距離-線寬或溝道長(zhǎng)度

集成電路技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)1.特征尺寸:微米

亞微米

深亞微米,目前的主流工藝是0.35、0.25和0.18

m,0.15和0.13

m已開(kāi)始走向規(guī)模化生產(chǎn);90nm工藝正在推出。圖1.7自左到右給出的是寬度從4

m

70nm按比例畫(huà)出的線條。由此,我們對(duì)特征尺寸的按比例縮小有—個(gè)直觀的印象。

4

m2m1m0.5m0.25m0.13

m70nm

圖1.7特征尺寸從4

m-70nm的成比例減小的線條

圖1.8尺寸從2英寸

12英寸成比例增加的晶圓2晶圓的尺寸增加,當(dāng)前的主流晶圓的尺寸為8英寸,正在向12英寸晶圓邁進(jìn)。圖1.8自左到右給出的是從2英寸

12英寸按比例畫(huà)出的圓。由此,我們對(duì)晶圓尺寸的增加有一個(gè)直觀的印象。通過(guò)圖1.9中以人的臉面相對(duì)照,我們可以對(duì)一個(gè)12英寸晶圓的大小建立一個(gè)直觀的印象。圖1.9一個(gè)12英寸晶圓與人臉大小的對(duì)比

12英寸(300mm)0.09微米是目前量產(chǎn)最先進(jìn)的CMOS工藝線關(guān)心工藝線3

集成電路的規(guī)模不斷提高,CPU(P4)已超過(guò)4000萬(wàn)晶體管,DRAM已達(dá)Gb規(guī)模,SSI

SOC;。4

集成電路的速度不斷提高,采用0.13

mCMOS工藝實(shí)現(xiàn)的CPU主時(shí)鐘已超過(guò)2GHz,實(shí)現(xiàn)的超高速數(shù)字電路速率已超過(guò)10Gb/s,射頻電路的最高頻率已超過(guò)6GHz。5

集成電路復(fù)雜度不斷增加,系統(tǒng)芯片或稱芯片系統(tǒng)SoC(System-on-Chip)成為開(kāi)發(fā)目標(biāo)。6

模擬數(shù)字混合集成電路向設(shè)計(jì)工程師提出挑戰(zhàn)。7由于集成電路器件制造能力按每3年翻兩番,即每年58%的速度提升,而電路設(shè)計(jì)能力每年只以21%的速度提升,電路設(shè)計(jì)能力明顯落后于其器件制造能力,且其鴻溝(gap)呈現(xiàn)越來(lái)越變寬的趨勢(shì)。8集成電路產(chǎn)業(yè)連續(xù)幾十年的高速增長(zhǎng)和巨額利潤(rùn)導(dǎo)致世界范圍內(nèi)集成電路生產(chǎn)線的大量建設(shè),目前已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)剩局面。9工藝線建設(shè)投資費(fèi)用越來(lái)越高。目前一條8英寸0.35

m工藝線的投資約20億美元,但在幾年內(nèi)一條12英寸0.09

m工藝線的投資將超過(guò)100億美元。如此巨額投資已非單獨(dú)一個(gè)公司,甚至一個(gè)發(fā)展中國(guó)家所能單獨(dú)負(fù)擔(dān)的。

制造集成電路的掩膜很貴。根據(jù)SemaTech報(bào)告,“一套130nm邏輯器件工藝的掩膜大約需75萬(wàn)美元,一套90nm邏輯器件工藝的掩膜大約需165萬(wàn)美元,一套65nm邏輯器件工藝的掩膜大約需300萬(wàn)美元?!比欢刻籽谀さ膲勖邢?,一般只能生產(chǎn)1000個(gè)晶圓。工藝線投資的高成本和設(shè)計(jì)能力的普遍落后,導(dǎo)致多數(shù)工藝線走向代工(代客戶加工,F(xiàn)oundry)的經(jīng)營(yíng)道路。

電路設(shè)計(jì)、工藝制造、封裝的分立運(yùn)行為發(fā)展無(wú)生產(chǎn)線(Fabless)和無(wú)芯片(Chipless)集成電路設(shè)計(jì)提供了條件,為微電子領(lǐng)域發(fā)展提供了條件。

1.1集成電路的發(fā)展1.2集成電路設(shè)計(jì)流程及設(shè)計(jì)環(huán)境1.3集成電路制造途徑1.4集成電路設(shè)計(jì)知識(shí)范圍IDM與Fabless集成電路實(shí)現(xiàn)集成電路發(fā)展的前三十年中,設(shè)計(jì)、制造和封裝都是集中在半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家內(nèi)進(jìn)行的,稱之為一體化制造(IDM,IntegratedDeviceManufacture)的集成電路實(shí)現(xiàn)模式。近十年以來(lái),電路設(shè)計(jì)、工藝制造和封裝開(kāi)始分立運(yùn)行,這為發(fā)展無(wú)生產(chǎn)線(Fabless)集成電路設(shè)計(jì)提供了條件,為微電子領(lǐng)域發(fā)展知識(shí)經(jīng)濟(jì)提供了條件。FablessandFoundry:Definition

無(wú)生產(chǎn)線與代工:定義WhatisFabless? ICDesignbasedonfoundries,i.e. ICDesignunitwithoutanyprocessownedbyitself.WhatisFoundry? ICmanufactorypurelysupportingfablessICdesigners,i.e. ICmanufactorywithoutanyICdesignentityofitselfRelationofF&F(無(wú)生產(chǎn)線與代工的關(guān)系)LayoutChipDesignkitsInternetFoundryFabless設(shè)計(jì)單位代工單位首先,代工單位將經(jīng)過(guò)前期開(kāi)發(fā)確定的一套工藝設(shè)計(jì)文件PDK(ProcessDesignKits)通過(guò)因特網(wǎng)傳送(或光盤(pán)等媒質(zhì)郵寄)給設(shè)計(jì)單位,這是一次信息流過(guò)程。PDK文件包括工藝電路模擬用的器件的SPICE參數(shù),版圖設(shè)計(jì)用的層次定義、設(shè)計(jì)規(guī)則、晶體管、電阻、電容等元件和通孔(via)、焊盤(pán)等基本結(jié)構(gòu)的版圖,與設(shè)計(jì)工具關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查DRC(DesignRulecheck)、參數(shù)提?。‥XTraction)和版圖電路圖對(duì)照LVS(Layout-vs-Schematic)用的文件。

ProcessDesignKits設(shè)計(jì)單位根據(jù)研究項(xiàng)目提出的技術(shù)指標(biāo),在自己掌握的電路和系統(tǒng)知識(shí)基礎(chǔ)上,利用PDK提供的工藝數(shù)據(jù)和CAD/EDA工具,進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、電路仿真(或稱之為“模擬”)和優(yōu)化、版圖設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)規(guī)則檢查DRC、參數(shù)提取和版圖電路圖對(duì)照LVS,最終生成通常以—種稱之為GDS-II格式的版圖文件,目前基本上都是通過(guò)因特網(wǎng)傳送給代工單位。這也是一次信息流過(guò)程。

設(shè)計(jì)代工單位根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的GDS-II格式的版圖數(shù)據(jù),首先制作掩膜(Mask),將版圖數(shù)據(jù)定義的圖形固化到鉻板等材料的一套掩膜上。一張掩膜一方面對(duì)應(yīng)于版圖設(shè)計(jì)中一層的圖形,另一方面對(duì)應(yīng)于芯片制作中的一道或多道工藝。正是在一張張掩膜的參與下,工藝工程師完成芯片的流水式加工,將版圖數(shù)據(jù)定義的圖形最終有序地固化到芯片上。這一過(guò)程通常簡(jiǎn)稱為“流片”。根據(jù)掩膜的數(shù)目和工藝的自動(dòng)化程度,一次流片的周期約為2個(gè)月。代工單位完成芯片加工后,根據(jù)路程遠(yuǎn)近,利用飛機(jī)等不同的快速運(yùn)輸工具寄送給設(shè)計(jì)單位。

制造設(shè)計(jì)單位對(duì)芯片進(jìn)行參數(shù)測(cè)試和性能評(píng)估,符合技術(shù)要求時(shí),進(jìn)入系統(tǒng)應(yīng)用。從而完成一次集成電路設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試與應(yīng)用的全過(guò)程。否則就需進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化,才能進(jìn)入下一次循環(huán)。測(cè)試1.1集成電路的發(fā)展1.2集成電路設(shè)計(jì)流程及設(shè)計(jì)環(huán)境1.3集成電路制造途徑1.4集成電路設(shè)計(jì)知識(shí)范圍表1.4

國(guó)內(nèi)可用Foundry(代客戶加工)廠家國(guó)內(nèi)在建、籌建Foundry(代客戶加工)廠家上海:“中芯”,8”,0.25

m,2001.10“宏力”,8”,0.25

m,2002.10“華虹-II”,8”,0.25m,籌建臺(tái)積電(TSMC),已宣布在松江建廠北京:首鋼NEC,8”,0.25m,籌建天津:Motolora,8”,0.25m,動(dòng)工蘇州:聯(lián)華(UMC),已宣布在蘇州建廠表1-5

境外主要代工廠家所在的地區(qū)和其主導(dǎo)(特有)工藝

芯片工程與多項(xiàng)目晶圓計(jì)劃

ManyICsfordifferentprojectsarelaidononemacro-ICandfabricatedonwafersThecostsofmasksandfabricationisdividedbyallusers.Thus,thecostpaidbyasingleprojectislowenoughespeciallyforR&D(研發(fā))TheriskoftheIC’sR&Dbecomeslow SingleIC Macro-IC MPW (layout) (layout/masks) (wafer

macro-chip

singlechip)多項(xiàng)目晶圓技術(shù)表1-6擬開(kāi)辟的代工渠道和工藝國(guó)內(nèi)同行通過(guò)與MOSIS建立合作關(guān)系,到2003年通過(guò)MOSIS完成了10多批近百種芯片的研制。(MetalOxideSemiconductorImplementationService)以多項(xiàng)目晶圓形式完成了0.35微米CMOS、0.25微米CMOS、0.18微米CMOS和砷化鎵等工藝的多批次共100多種集成電路的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試。集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)的內(nèi)容國(guó)內(nèi)外可用生產(chǎn)線資源(工藝,價(jià)格,服務(wù))的研究和開(kāi)發(fā)可用生產(chǎn)線工藝文件(Tech-files)的建立元件庫(kù)(Cell-libraries)的開(kāi)發(fā);具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的單元電路、系統(tǒng)內(nèi)核(IP-cores)功能模塊的開(kāi)發(fā)和利用;系統(tǒng)芯片(SoC)設(shè)計(jì);多項(xiàng)目晶圓的開(kāi)發(fā)與工藝實(shí)現(xiàn);芯片測(cè)試系統(tǒng)和方法的研究。MeasurementSystemofUltra-High-SpeedICsDCSupplierR&S10MHz-40GHzSignalSourceAgilent83484AAgilent86100A

Cost:US$400000ProbeStation1.1集成電路的發(fā)展1.2集成電路設(shè)計(jì)流程及設(shè)計(jì)環(huán)境1.3集成電路制造途徑1.4集成電路設(shè)計(jì)知識(shí)范圍1)系統(tǒng)知識(shí)計(jì)算機(jī)/通信/信息/控制學(xué)科2)電路知識(shí)更多的知識(shí)、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)3)工具知識(shí)任務(wù)和內(nèi)容相應(yīng)的軟件工具4)

工藝知識(shí)元器件的特性和模型/工藝原理和過(guò)程系統(tǒng)知識(shí)。對(duì)于計(jì)算機(jī)學(xué)科:計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng);通信學(xué)科:有程控電話系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)、光纖通信系統(tǒng)等;信息學(xué)科:有各種信息處理系統(tǒng);控制學(xué)科:有各種控制系統(tǒng)。

SOC時(shí)代,系統(tǒng)工程師必須親自參與SOC級(jí)別集成電路的設(shè)計(jì)。另一方面,以往的器件和電路工程師在SOC時(shí)代必須熟悉系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)SOC的設(shè)計(jì)。這就是說(shuō),所有的集成電路設(shè)計(jì)工程師都必須掌握一定的系統(tǒng)知識(shí)。這些知識(shí)包括軟件和硬件兩個(gè)方面。對(duì)于從事前端設(shè)計(jì)的工程師來(lái)講,則必須對(duì)系統(tǒng)的理解達(dá)到精通的程度。

電路知識(shí)。既然是集成電路設(shè)計(jì),電路知識(shí)就是核心知識(shí)。集成電路設(shè)計(jì)工程師,特別是在邏輯門(mén)級(jí)、晶體管級(jí)和版圖級(jí)從事設(shè)計(jì)的工程師,必須對(duì)各類功能電路和基本單元電路的原理和設(shè)計(jì)技術(shù)達(dá)到融會(huì)貫通的程度。集成電路設(shè)計(jì)相對(duì)于數(shù)字電路、模擬電路和模數(shù)混合電路設(shè)計(jì)需要更多的知識(shí)、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。射頻電路RFIC、微波單片集成電路MMIC、毫米波單片集成電路M3IC,Gb/s速度級(jí)超高速集成電路的設(shè)計(jì),更需要特殊的知識(shí)、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。

工具知識(shí)。從VLSI到SOC,芯片上晶體管的數(shù)目達(dá)到了數(shù)千萬(wàn)量級(jí),它們形成的網(wǎng)絡(luò)方程的階數(shù)可能達(dá)到同樣量級(jí)。我們知道,小于10階的線性方程也許還可用手工求解,10階以上就很難想象用手工計(jì)算了。何況晶體管本身是非線性器件,由它們組成的網(wǎng)絡(luò)方程是高度復(fù)雜的非線性方程。另外,系統(tǒng)級(jí)芯片不僅包含硬件部分,還包括軟件部分。這樣的芯片絕非用手工可以分析和設(shè)計(jì)的。事實(shí)上,從小規(guī)模集成電路開(kāi)始,人們就引入了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD,Computer-aided-design)技術(shù),開(kāi)發(fā)了一系列CAD軟件工具。SPICE程序就是著名的集成電路分析程序,經(jīng)過(guò)30余年的發(fā)展,如今已成為集成電路設(shè)計(jì)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。隨著設(shè)計(jì)自動(dòng)化程度的提高,出現(xiàn)了如Candence、Synopsis和MentorGraphics等開(kāi)發(fā)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)的專業(yè)公司?,F(xiàn)在,從功能驗(yàn)證,邏輯分析和綜合,電路分析到版圖設(shè)計(jì)都有多家公司提供的多種類型軟件工具的支持。集成電路設(shè)計(jì)工程師必須根據(jù)所從事的設(shè)計(jì)任務(wù)和內(nèi)容掌握相應(yīng)的軟件工具。譬如,在邏輯電路級(jí)從事設(shè)計(jì)的工程師就需要掌握VHDL或Verilog等硬件描述語(yǔ)言和相應(yīng)的分析和綜合工具。在晶體管級(jí)從事電路設(shè)計(jì)的工程師就需要掌握SPICE或類似的電路分析工具。設(shè)計(jì)版圖時(shí)則需要版圖設(shè)計(jì)工具。工藝知識(shí)。集成電路的設(shè)計(jì),特別是涉及后端(back-end)即物理層(physicallayer)的設(shè)計(jì)與工藝制造息息相關(guān)。無(wú)生產(chǎn)線加代工模式的IC設(shè)計(jì)工程師雖然不需要直接參與集成電路的工藝流程,掌握工藝的每一個(gè)細(xì)節(jié),但掌握IC設(shè)計(jì)所用元器件的特性和物理數(shù)學(xué)模型,了解制造工藝的基本原理和過(guò)程,對(duì)于IC的成功設(shè)計(jì)是大有幫助的。事實(shí)上,集成電路電路設(shè)計(jì)工程師最好是熟悉集成電路制造過(guò)程中從芯片外延和掩膜制作,一步步光刻、材料淀積和刻蝕、雜質(zhì)擴(kuò)散或注入,一直到滑片封裝的全過(guò)程,關(guān)心每一步工藝對(duì)元器件和電路性能的影響。這樣才能讀懂代工工藝廠家提供的設(shè)計(jì)文件(DesignKits),全面地利用、甚至充分地挖掘出工藝的潛力,在現(xiàn)有工藝的基礎(chǔ)上,成功地創(chuàng)造出功能最強(qiáng)和性能最佳的集成電路。

由于集成電路技術(shù)發(fā)展迅猛,新技術(shù)層出不窮、一般教科書(shū)在最新技術(shù)方面通常都有2—3年的滯后期。為了了解技術(shù)發(fā)展的最新動(dòng)向和成果,目前最簡(jiǎn)捷的途徑是利用Internet。但是,真正學(xué)習(xí)和掌握技術(shù)基本內(nèi)容的途徑是查閱專業(yè)期刊和學(xué)術(shù)會(huì)議論文集中的論文,更直接的途徑是參加學(xué)術(shù)會(huì)議與同行進(jìn)行面對(duì)面的交流。

相關(guān)的期刊和學(xué)術(shù)會(huì)議國(guó)內(nèi)與集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)的期刊有:(1)

電子學(xué)報(bào)(2)

ChineseJournalofElectronics(3)

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半導(dǎo)體學(xué)報(bào)(5)

ChineseJournalofSemiconductors(6)

半導(dǎo)體光電(7)

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