第一章 集成电路概论(完整版)

三 半导体基础知识
1.半导体基础 2.PN结
1.半导体基础
半导体是构成二极管和晶体管的基础，而二极管和晶体管 又是整个微电子学的心脏。
（1）什么是半导体
半导体指其导电性能介于导体和绝缘体之间的一种材料， 它的电学性能对温度、所含杂质、光照等十分敏感。
划分导体，半导体，绝缘体的依据：电阻率（或电导率）
21世纪的微电子技术将从目前的3G时代逐渐发展到3T时 代，即存储器量由Gb发展到Tb，集成电路中器件的速度由 GHz发展到THz，数据传输速率由Gbps发展到Tbps。
由于集成电路工艺的发展，芯片的集成度增加的同时尺寸 将不断减小。
SoC ( System - on - Chip)将继续得到发展，成为集 成电路的主流之一。SoC技术始于20世纪90年代中期,随着 半导体工艺技术的发展, IC设计者能够将愈来愈复杂的功能 集成到单硅片上, SoC正是在集成电路( IC)向集成系统( IS) 转变的大方向下产生的 。
30μm
50μm
1 μm ×1 μm （晶体管的大小）
（皮肤细胞大小）
头发与晶体管的对比
3.集成电路的过去、现在和未来 －－爱迪生效应：为了延长白炽灯的寿命，1883年，爱迪生 在灯泡的碳丝附近焊上一小块金属片（实际并没能延长灯泡 的寿命），金属片没有与灯丝接触，但如果在它们之间加上 电压，灯丝受热后，会产生一股趋向附近的金属片的电流。 当时，爱迪生本人并没有意识到这种现象有多少技术潜力， 而转入其他项目的研究。后人认识到爱迪生发现的是一种 “热电子发射现象”，有重要的实际应用价值，把它称为 “爱迪生效应”。
一 半导体集成电路概述 二 集成电路基础知识
1.基本概念 2.分类 三 半导体基础知识 1.半导体基础 2.PN结
一 半导体集成电路概述
1.定义： 集成电路(IC)是指半导体集成电路，即以半导体 晶体材料为基片，经加工制造，将原件、有源器件和连线集 成在基片内部、表面或片面之上，执行某种功能的微型化电 路。
1个2输入的NAND=4个晶体管 （NAND：与非门）
– 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）。
– 硅圆片直径： 考虑到集成电路的流片成品率和生产成本，每个硅 圆片上的管芯数保持在300个左右。
晶圆的尺寸增加, 当前的主流晶圆的尺寸为8英寸, 正在向 12英寸晶圆迈进。
特征尺寸（微米）
0.3 0.25
0.2 0.15
0.1 0.05
0 1997 1999 2001 2003 2006 2009
工艺尺寸
晶体管数（M）
600 500 400 300 200 100
0 1997 1999 2001 2003 2006 2009
的顶峰。摩尔定律提出3年后，英特尔公司诞生了.
������
信息产业几乎严格按照这个定律以指数方式领导着
整个经济发展的步伐
弗来明
德·福雷斯特
肖克利
杰克·基尔比
戈登•摩尔
集成电路的发展经历了：
������
20世纪70年代初:SSI(Small Scale Integration),仅包
含几个逻辑门，（1到10个门不等），实现一些基本的“与非”
－－专用集成电路ASIC （Application Specific Integrated Circuits）
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 优点：较好的性能价格比，减少了元件数,使系统体积缩 小,功耗降低， 提高了电子系统的可靠性和保密性， 例如：
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
－全定制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
集成电路的出现，为开发电子产品的各种功能铺平了道路， 并且大幅度降低了成本，第三代电子器件从此登上舞台。它 的诞生，使微处理器的出现成为了可能，也使计算机变成普 通人可以亲近的日常工具。集成技术的应用，催生了更多方 便快捷的电子产品。
－－摩尔定律的提出（1965年，戈登•摩尔）
1965年，戈登•摩尔在《电子》杂志上发表了一篇预 测未来集成电路发展趋势的文章，它就是摩尔定律的原身, 即所谓每18个月，相同面积大小的芯片内，晶体管数量 会增长一倍的规则.������ 在IT 行业有一个神话， 这个神 话就是一条定律（ “摩尔定律” ）把一个企业带到成功
或“或非”逻辑. 几年后,MSI (Medium Scale Integration),
做成常用功能块,计数器,译码器等
������ 20世纪80年代开始进入LSI(Large Scale Integration), 较强的集成功能,开始出现16位处理器,Motoral M68000(7万个 晶体 管),Intel 80286 (12.5万个晶体管),80386 (27.5万个晶 体管)等
晶体管数
芯片面积（平方毫米）
700 600 500 400 300 200 100
0 1997 1999 2001 2003 2006 2009
芯片面积
Up core MPEG core
SDRAM ROM data cache Serial interface Propritary logic
多媒体工作站系统集成芯片
IC。给电子产业带来了一场革命，并为无数的其它发明铺平了 道路。 1960年3月基尔比所在的德州仪器公司（Texas Instrument Inc）制造出了第一个商用的集成电路。 2000 年的10月10日，七十七岁的基尔比获得2000年的诺贝尔物理 学奖。这个奖距离他的发明已经四十二年。
杰克·基尔比
从电阻率上分，固体分为三大类。在室温下：
金属： ρ<10 Ω·cm 半导体：ρ=10 Ω·cm~10E4 Ω·cm 绝缘体：ρ>10E4 Ω·cm
（2）半导体的特性
温度对半导体性能的影响 一般金属的导电能力随温度上升而下降，且变化不明显。
但硅的导电能力随温度上升而增加，且变化非常明显。举 个例子：
������ 20世纪90年代: VLSI(Very Large Scale Integration), 具有电路与系统的单片集成功能。32位处理器,80486,超过100 万个晶体管;98年Pentium III 1000万个晶体管 ULSI(Ultra LSI), GLSI(Giant LSI)，SOC/SOPC系统: Intel Prescott系 列处理器(正式为Pentium 4E),内部集成一亿两 千五百万个晶 体管；2GHz 的Pentium-M移动芯片。 现在，64位双核处理器已经普及，处理器的制造工艺已经达 到0.045微米级，其集成度更高。
二 集成电路基础知识
1.集成电路的基本概念 2.集成电路的分类
1.集成电路（IC）的几个基本概念 – 形状:
一般为正方形或矩形
– 面积: 几平方毫米到几百平方毫米。 面积增大引起功耗增大、 封装困难、成品率下降，成本提高，可通过增大硅圆片直 径来弥补。
– 集成度，规模: 包含的晶体管数目或等效逻辑 门(2输入的NAND)的数量
大和开关电流。他们把这一发明称为“点接晶体管放大器” （Point-Contact Transistor Amplifier）。电子革 命的“晶体管”。获得1956年度的诺贝尔物理学奖。称 为“20世纪最重要的发明”。
－－集成电路的发明（1958年杰克·基尔比（Jack Kilby） ） 1958年9月12日，美国德州仪器工程师基尔比发明第一颗
– 封装： 把IC管芯放入管壳内并加以密封，使管芯能长期可 靠地工作
2.集成电路的分类
按器件结构分类 －－双极型集成电路 －－MOS集成电路 －－BiCOMS集成电路
MOS型
双极型
PMOS
NMOS
CMOS
饱和型
Biห้องสมุดไป่ตู้MOS
TTL
非饱和型
I2L
ECL/CML
双极型集成电路具有速度高、驱动能力强等优点，但 其功耗大，集成度相对低。
《集成电路设计基础》电子教案
作者：姚晓琼 联系方式： yao_xq@
《集成电路设计基础》课程简介
了解并掌握集成电路（IC）的发展历史、 现状和未来
了解并掌握各类集成电路的特点 熟悉TTL电路特点，会使用EDA软件进行电
路模拟 熟悉MOSFET电路特点，会使用EDA软件
进行电路模拟，可以画出版图 EDA软件：EWB，Micowind，Laker 熟悉Linux操作系统的使用，会使用基本的
命令
学习本课程的基础
电路基础 模拟电子技术 数字电子技术 半导体物理学 固体物理学 量子力学 微电子学基础：晶体管，MOSFET管原理
第一章 概论
封装好的集成电路
AMD Athlon64
•集成电路的内部电路
Vdd A
B Out
用肉眼是观察不到集成电路芯片上的图形的，只有在高倍
显微镜下才能观察到。芯片上的这些线条和图形的集合，被称 为版图（layout）。这些线条和图形是为了实现器件、元件和 互联线而专门设计和制作的。
100μm头发丝粗细
－专用标准电路ASSP (Application-Specific Standard Products) 有些专用芯片又有许多系统销售商在贩卖 例如： PC 机的控制芯片 调制解调(Modem) 芯片 DVD decoder , VCD decoder Audio DAC, Motor Servo DSP