第一章 集成电路概论(完整版)
合集下载
《集成电路概述》 讲义
《集成电路概述》讲义一、什么是集成电路在我们生活的这个科技时代，集成电路就如同一个神奇的小盒子，里面装满了无数的电子元件和电路，却又小巧玲珑。
那么，究竟什么是集成电路呢？简单来说，集成电路就是把大量的电子元件，比如晶体管、电阻、电容等等，通过一系列复杂的工艺，集成在一块小小的半导体晶片上。
它就像是一个微型的电子城市，各种电子元件在这里有序地工作，共同完成特定的功能。
集成电路的出现，可以说是电子技术发展史上的一个重要里程碑。
在它出现之前，电子设备通常使用分立的电子元件来构建电路，这不仅使得设备体积庞大、笨重，而且性能不稳定，可靠性差。
而集成电路的诞生，极大地改变了这一状况。
它使得电子设备变得更小、更轻、更高效，性能也更加稳定可靠。
二、集成电路的发展历程集成电路的发展并非一蹴而就，而是经历了一个漫长而曲折的过程。
20 世纪 50 年代，世界上第一块集成电路诞生。
当时，它的集成度还非常低，只有几个电子元件。
但这一突破为后来的发展奠定了基础。
在随后的几十年里，集成电路的集成度不断提高。
从最初的小规模集成电路（SSI），到中规模集成电路（MSI），再到大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI），以及现在的特大规模集成电路（ULSI），每一次的进步都带来了电子技术的巨大变革。
随着集成度的提高，集成电路的性能也越来越强大。
它不仅能够实现更复杂的功能，而且速度更快、功耗更低。
同时，集成电路的制造工艺也在不断进步，从微米级到纳米级，使得在同样大小的晶片上能够集成更多的元件。
三、集成电路的制造工艺要制造一块集成电路，可不是一件简单的事情，需要经过一系列复杂而精细的工艺步骤。
首先是设计环节。
设计师们需要根据电路的功能要求，使用专门的软件进行电路设计。
这就像是在纸上画出一幅复杂的电路图，但这个电路图是数字化的。
接下来是制造环节。
制造集成电路的主要材料是硅，因为硅具有良好的半导体特性。
首先要将硅提纯，制成单晶硅棒，然后切成薄片，这就是晶片。
第1单元集成电路基础ppt课件
产品
钢筋 小轿车 彩电 计算机 集成电路
单位质量对国民生产值（GNP： Gross National Product）的贡献
1 5 30 1000 2000
1. 集成电路概述
1965年，Intel联 合创始人戈登·摩尔提 出了他著名的理论： 半导体芯片上可集成 的元器件的数目每12 个月便会增加一倍。
品测试，由封装测试公司（Assemble & Test）完成。
IC芯片
引线框架冲制 局部镀金 粘接芯片 导线丝焊接
模塑料
制柸
高频预热
模具塑封
成品
打弯成型 去溢料
引线切筋
镀锡
2. 集成电路产业链
常见封装形式
2. 集成电路产业链
➢ 集成电路测试业
集成电路产业链中测试与产品的设计、芯片制造和封装 的关系如下所示
2. 集成电路产业链
➢ 集成电路芯片制造业 现代集成电路芯片制造业（Foundry）以订单加工为主业
，只负责利用企业现有成熟工艺进行芯片制造。
晶圆尺寸（mm）
Φ38→Φ50→Φ75→Φ100→Φ125→Φ150→Φ200→Φ300→Φ450→…
加工特征尺寸
μm：8.0→6.0→5.0→4.0→3.0→2.0→1.5→1.0→0.8→0.6→0.35→0.25 →0.18→0.13→
1956年，威廉·肖克莱（William Shockley）、约翰·巴丁 （John Bardean）、沃特·布拉顿（Walter Brattain）共同获得 诺贝尔物理学奖。
1. 集成电路概述
1952年5月，英国皇家研究所的达默（G. W. A. Dummer ）第一次提出“集成电路”的设想。
1958年9月，美国德州仪器（TI）公司的杰克·基尔比（ Jack Kilby）发明集成电路，1959年2月申请专利并于1964年 获得授权，2000年12月获得诺贝尔物理学奖。
数字集成电路第1章 概 论
第一章 概
论
数字集成电路设计基础
微电子学专业
第一章 概
论
参考书目
[1] 王志功 集成电路设计基础[M] 电子工业出版社.2004. [2]王志功 集成电路设计技术与工具[M] 东南大学出版社.2007.
[3] 王志功 集成电路设计 [M] 电子工业出版社.2006.
[4] 甘学温 数字CMOS VLSI分析与设计基础[M] 北京大学出版 社.2004. [5] 甘学温 集成电路原理与设计[M] [6] 朱正涌 半导体集成电路[M] 清华大学出版社.
1.2.1 半导体集成电路的出现与发展
1950年 成功研制出单晶锗NPN结型晶体管。
1952年英国皇家雷达研究所达默第一次提出“集成电路”的设 想。
1958年 固体电路的出现 德州仪器(TI) Jack Kilby 用金丝连接台面晶体管和电阻等元件 12个器件组成的相移振荡和触发器集成电路 2000年诺贝尔物理学奖
第一章 概
论
12英寸(300mm) 0.09微米是量产先进的CMOS工艺线
第一章 概
论
1.2.2 集成电路发展的特点
器件结构的改进―SOI CMOS
第一章 概
论
1.2.2 集成电路发展的特点
电路结构的改进
第一章 概
论
1.2.3 集成电路技术发展趋势
1) 特征尺寸：微米亚微米深亚微米，目前的主流工艺是0.35、0.25、0.18 、0.15 和 0.13 m，90nm、70nm、45nm也已开始走向规模化生产；
第一章 概
论
2. 摩尔定律
1960年， 美国Intel公司G.Moore预言集成电路的发展遵循指数规律， 人们称之为“摩尔定律”， 其主要内容如下： 集成电路的集成度每18个月翻一番/每三年翻两番。
论
数字集成电路设计基础
微电子学专业
第一章 概
论
参考书目
[1] 王志功 集成电路设计基础[M] 电子工业出版社.2004. [2]王志功 集成电路设计技术与工具[M] 东南大学出版社.2007.
[3] 王志功 集成电路设计 [M] 电子工业出版社.2006.
[4] 甘学温 数字CMOS VLSI分析与设计基础[M] 北京大学出版 社.2004. [5] 甘学温 集成电路原理与设计[M] [6] 朱正涌 半导体集成电路[M] 清华大学出版社.
1.2.1 半导体集成电路的出现与发展
1950年 成功研制出单晶锗NPN结型晶体管。
1952年英国皇家雷达研究所达默第一次提出“集成电路”的设 想。
1958年 固体电路的出现 德州仪器(TI) Jack Kilby 用金丝连接台面晶体管和电阻等元件 12个器件组成的相移振荡和触发器集成电路 2000年诺贝尔物理学奖
第一章 概
论
12英寸(300mm) 0.09微米是量产先进的CMOS工艺线
第一章 概
论
1.2.2 集成电路发展的特点
器件结构的改进―SOI CMOS
第一章 概
论
1.2.2 集成电路发展的特点
电路结构的改进
第一章 概
论
1.2.3 集成电路技术发展趋势
1) 特征尺寸：微米亚微米深亚微米，目前的主流工艺是0.35、0.25、0.18 、0.15 和 0.13 m，90nm、70nm、45nm也已开始走向规模化生产；
第一章 概
论
2. 摩尔定律
1960年， 美国Intel公司G.Moore预言集成电路的发展遵循指数规律， 人们称之为“摩尔定律”， 其主要内容如下： 集成电路的集成度每18个月翻一番/每三年翻两番。
《集成电路设计导论》PPT课件
12
2）积木块法(BB)
又称通用单元设计法。与标准单元不同之处是：第一，它既不要求每个 单元（或称积木块）等高，也不要求等宽。每个单元可根据最合理的情 况单独进行版图设计，因而可获得最佳性能。设计好的单元存入库中备 调用。第二，它没有统一的布线通道，而是根据需要加以分配 。
引脚
ROM
ALU、寄存器等 引
5
半定制方法
半定制的设计方法分为： 门阵列（GA：Gate Array）法； 门海（GS：Sea of Gates）法； 标准单元（SC: Standard Cell）法； 积木块（BB：Building Block Layout）； 可编程逻辑器件（PLD：Programmable Logic Device)设计法。
10
SC法设计流程与门阵列法相似，但有若干基本的不同点：
(1) 在门阵列法中逻辑图是转换成门阵列所具有的单元或宏单元，而标准单 元法则转换成标准单元库中所具有的标准单元。
(2) 门阵列设计时首先要选定某一种门复杂度的基片，因而门阵列的布局和 布线是在最大的门数目、最大的压焊块数目、布线通道的间距都确定的 前提下进行的。标准单元法则不同，它的单元数、压焊块数取决于具体 设计的要求，而且布线通道的间距是可变的，当布线发生困难时，通道 间距可以随时加大，因而布局和布线是在一种不太受约束的条件下进行 的。
7
Foundry
设计中心
寄存器传输 级行为描述
单元库
布局布线
向 Foundry 提供 网表
行为仿真 综合
逻辑网表 逻辑模拟
掩膜版图
生成 延迟 版图检查 / 网表和参数提取 文 件
/ 网表一致性检查
后仿真 产生测试向量
制版 / 流片 /测试/封装
2）积木块法(BB)
又称通用单元设计法。与标准单元不同之处是：第一，它既不要求每个 单元（或称积木块）等高，也不要求等宽。每个单元可根据最合理的情 况单独进行版图设计，因而可获得最佳性能。设计好的单元存入库中备 调用。第二，它没有统一的布线通道，而是根据需要加以分配 。
引脚
ROM
ALU、寄存器等 引
5
半定制方法
半定制的设计方法分为： 门阵列（GA：Gate Array）法； 门海（GS：Sea of Gates）法； 标准单元（SC: Standard Cell）法； 积木块（BB：Building Block Layout）； 可编程逻辑器件（PLD：Programmable Logic Device)设计法。
10
SC法设计流程与门阵列法相似，但有若干基本的不同点：
(1) 在门阵列法中逻辑图是转换成门阵列所具有的单元或宏单元，而标准单 元法则转换成标准单元库中所具有的标准单元。
(2) 门阵列设计时首先要选定某一种门复杂度的基片，因而门阵列的布局和 布线是在最大的门数目、最大的压焊块数目、布线通道的间距都确定的 前提下进行的。标准单元法则不同，它的单元数、压焊块数取决于具体 设计的要求，而且布线通道的间距是可变的，当布线发生困难时，通道 间距可以随时加大，因而布局和布线是在一种不太受约束的条件下进行 的。
7
Foundry
设计中心
寄存器传输 级行为描述
单元库
布局布线
向 Foundry 提供 网表
行为仿真 综合
逻辑网表 逻辑模拟
掩膜版图
生成 延迟 版图检查 / 网表和参数提取 文 件
/ 网表一致性检查
后仿真 产生测试向量
制版 / 流片 /测试/封装
集成电路绪论
2024/10/16
38
教 材：半导体集成电路
朱正涌 编著 清华大学出版社
参考书： 数字集成电路—电路、系统与设计
电子工业出版社
学 时：理论课 48学时 成 绩：考试 70% 平时+作业 30%
2024/10/16
39
授课内容 （48学时）
绪论
第1章 集成电路的基本制造工艺
第2章 集成电路中的晶体管及其寄生效应
2024/10/16
27
提纲--3
三.集成电路在我国的现状
2024/10/16
28
集成电路技术在我国的现状
历史悠久
～ 1950
较长的低迷期 1950～1978
缓慢增长 急速增长
1978～1992 1992～
中国集成电路生产量的推移
2024/10/16
29
集成电路的战略地位首先表现在当代 国民经济的“食物链”关系
例如：74 系列 4000系列
Memory芯片 CPU 芯片等
2024/10/16
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
ASIC
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
有些专用芯片又有许 多系统销售商在贩卖
ASSP
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）。
2024/10/16
9
集成电路的分类
➢ 按电路规模分类 ➢ 按导电载流子类型分类
➢ 按电路处理信号方式分类 ➢ 按实现方法分类
《集成电路设计概述》PPT课件
9
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。
工艺 元件数
门数 年代
典型 产品
SSI
<102
<10
1961 集成 门、 触发
器
MSI 102 ~ 10
3
10 ~ 102 1966
计数器 加法器
LSI 103 ~ 104 102 ~ 103
1971
8bMCU ROM RAM
VLSI 104 ~ 106 103 ~ 105
1980
16-32bit MCU
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
内存条
PDA：掌上电脑
手机
数码相机
主板
计算机
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。
19
❖Intel 公司第一代CPU—4004
电路规模：2300个晶体管 生产工艺：10um 最快速度：108KHz
20
❖Intel 公司CPU—386TM
电路规模：275,000个晶体管 生产工艺：1.5um 最快速度：33MHz
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。
工艺 元件数
门数 年代
典型 产品
SSI
<102
<10
1961 集成 门、 触发
器
MSI 102 ~ 10
3
10 ~ 102 1966
计数器 加法器
LSI 103 ~ 104 102 ~ 103
1971
8bMCU ROM RAM
VLSI 104 ~ 106 103 ~ 105
1980
16-32bit MCU
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
内存条
PDA：掌上电脑
手机
数码相机
主板
计算机
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。
19
❖Intel 公司第一代CPU—4004
电路规模：2300个晶体管 生产工艺：10um 最快速度：108KHz
20
❖Intel 公司CPU—386TM
电路规模：275,000个晶体管 生产工艺：1.5um 最快速度：33MHz
中北大学专用集成电路课件第1章
第一章 概 论
UDD
UDD
V2
Rn2
Uo
Ip
Uo
Rn1 Rn1 Rn2
U DD
Ui
Ui
V1
Rn1
(a)
UDD
V2
Uo
Ui
V1
(b)
UDD Rp
Uo＝UDD Rn
图1 - 3 有比电路与无比电路 (a) 有比电路； (b) 无比电路
第一章 概 论
CMOS反相器是一个NMOS和PMOS互补的电路， 当输入为“1”时， NMOS管导通， PMOS管截止， 输 出电压为“0”。 而当输入为“0”时， NMOS管截止， PMOS管导通， 输出电压为“1”， 即等于 UDD。
Co ——晶体管的自电容(输出电容)； f——信号频率； UL ——电压摆幅(UL =UDD )。
第一章 概 论
3. 速度功耗积 引入“速度功耗积”来表示速度与功耗的关系， 用信号周期表示速度， 则速度功耗积为
1 f
Pd
1 f
fCU
2 L
CU
2 L
(1 - 5)
当电源电压一定， 电路电容一定时， 若要速度高，
第一章 第概一章论概 论
1.1 集成电路的发展历程 1.2 专用集成电路设计要求 1.3 集成电路的分类 1.4 集成电路设计方法
第一章 概 论
1.1 集成电路的发展历程
1.1.1 半导体集成电路的出现与发展 半导体集成电路的出现和发展经历了以下过程： ·1947～1948年公布。 ·1950年， 成功研制出结型晶体管。 ·1952年， 英国皇家雷达研究所第一次提出“集成电
第一章 概 论
·MOS集成电路， 有NMOS集成电路、 PMOS集成 电路和CMOS集成电路三种， 其中CMOS集成电路由于 集成度高， 功耗小， 随着工艺技术的进步， CMOS运 行速度也很高， 噪声也较小，因而已经成为当前数字和 模拟(特别是数字)集成电路的主流技术；
集成电路课件
集成电路设计的工具主要包括EDA（Electronic Design Automation）软件， 如Cadence、Synopsys等，这些软件提供了从设计到仿真的各种功能。
设计方法学
集成电路设计的方法学主要包括基于硬件描述语言的设计方法、基于高层次综 合的设计方法等。同时，随着技术的发展，人工智能和机器学习等方法也逐渐 被应用于集成电路设计中。
理和传输。
在计算机领域，集成电路被用于CPU 、GPU、内存等计算机核心部件的设 计和制造。
在消费电子领域，集成电路被用于手 机、电视、数码相机等电子产品的设 计和制造。
在汽车电子领域，集成电路被用于发 动机控制、车身控制、自动驾驶等系 统的设计和制造。
在航空航天领域，集成电路被用于航 空航天设备的导航、控制、通信等系 统的设计和制造。
全球集成电路产业现状及特点
01
02
03
产业规模不断扩大
全球集成电路市场规模持 续增长，从2016年的 1690亿美元增长到2020 年的1960亿美元。
高技术含量
集成电路是信息技术产业 的核心，具有高技术含量 ，涉及微电子、计算机、 通信等多个领域。
全球化特征明显
全球集成电路产业分布广 泛，美国、欧洲、日本等 国家和地区都有强大的产 业集群。
总结词
高可靠性、低能耗、快速响应的 功率器件芯片。
详细描述
该案例探讨了某型功率器件芯片 的技术创新与产业升级，涉及先 进的材料技术、精细加工技术、 可靠性验证技术等，强调了集成 电路在节能减排、绿色环保等领 域的重要作用。
相关知识点
功率器件芯片的特点与用途，集 成电路在节能减排、绿色环保等 领域的应用价值。
集成电路的基本组成
集成电路主要由输入输出端口、逻辑功能模块、存储器、 时钟等组成，不同功能的芯片可能还包括其他特殊模块。
设计方法学
集成电路设计的方法学主要包括基于硬件描述语言的设计方法、基于高层次综 合的设计方法等。同时，随着技术的发展，人工智能和机器学习等方法也逐渐 被应用于集成电路设计中。
理和传输。
在计算机领域，集成电路被用于CPU 、GPU、内存等计算机核心部件的设 计和制造。
在消费电子领域，集成电路被用于手 机、电视、数码相机等电子产品的设 计和制造。
在汽车电子领域，集成电路被用于发 动机控制、车身控制、自动驾驶等系 统的设计和制造。
在航空航天领域，集成电路被用于航 空航天设备的导航、控制、通信等系 统的设计和制造。
全球集成电路产业现状及特点
01
02
03
产业规模不断扩大
全球集成电路市场规模持 续增长，从2016年的 1690亿美元增长到2020 年的1960亿美元。
高技术含量
集成电路是信息技术产业 的核心，具有高技术含量 ，涉及微电子、计算机、 通信等多个领域。
全球化特征明显
全球集成电路产业分布广 泛，美国、欧洲、日本等 国家和地区都有强大的产 业集群。
总结词
高可靠性、低能耗、快速响应的 功率器件芯片。
详细描述
该案例探讨了某型功率器件芯片 的技术创新与产业升级，涉及先 进的材料技术、精细加工技术、 可靠性验证技术等，强调了集成 电路在节能减排、绿色环保等领 域的重要作用。
相关知识点
功率器件芯片的特点与用途，集 成电路在节能减排、绿色环保等 领域的应用价值。
集成电路的基本组成
集成电路主要由输入输出端口、逻辑功能模块、存储器、 时钟等组成，不同功能的芯片可能还包括其他特殊模块。
微电子与集成电路设计导论 第一章 概论
图1.5.4 国内集成电路的供求关系
图1.5.5 集成电路的进口量
➢ 我国的微电子技术的发展大致可以分为两个阶段：
第一个阶段：在2000年之前，1956年，北京大学、复旦大学、东北人民 大学、厦门大学、南京大学在北大联合创建半导体专业。1977年在北京 大学诞生了第一块大规模集成电路。而在1980年以后，初步形成了制造 业、设计业、封装业分离的状态。
➢ 膜集成电路：是在玻璃或陶瓷片等绝缘物体上，以膜的形式制作电阻、电 容等无源器件，并加以封装而成。
➢ 混合集成电路：在实际应用中，多半是在无源膜电路上外加半导体集成电 路或分立元件的二极管、三极管等有源器件，使之构成一个整体，这便是 混合集成电路。
图1.4.1 集成电路的分类
1.5 微电子产业的发展现状
ห้องสมุดไป่ตู้
3. 对信息社会的作用
图1.2.3 信息社会各应用产品市场领域的销售额
4. 对传统产业的带动作用
微电子对传统产业的渗透与带动作用。几乎所有的传统产业与微电子技术结 合，用集成电路芯片进行智能改造，都可以使传统产业重新焕发青春。
对风机、水泵采用变频调速等电子技术进行改造，每年即可节电500亿度以上. 和机械学科的结合，导致很多传统的机械产品逐步电子化。 和生物学结合，生物芯片的诞生得以实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生
图1.3.8 摩尔定律示意图
➢ 早期研制和生产的集成电路都是双极型的。 1930年，德国科学家Lilien-filed提出了关于MOS场效应晶体管的概念、工作原理 以及具体的实施方案。 1960年Kang和Atalla研制出第一个利用硅半导体材料制成的MOS晶体管。 1962年以后出现了由金属-氧化物-半导体（MOS）场效应晶体管组成的MOS集成 电路。
《集成电路版图设计与TannerEDA工具的使用》课件第1章
集成电路的分类方法非常多，如果按照应用领域来分， 可以分为通用集成电路和专用集成电路；如果按照电路的功 能来进行分类，可以分为数字集成电路、模拟集成电路和数 模混合集成电路；如果按照器件结构类型来分，可以分为 MOS集成电路、双极型集成电路和BiMOS集成电路；
如果按照集成电路的集成度来分，可以分为小规模集成 电路(SSI，Small Scale Integration)、中规模集成电路(MSI， Medium Scale Integration)、大规模集成电路(LSI，Large Scale Integration)、超大规模集成电路(VLSI，Very Large Scale Integration)、特大规模集成电路(ULSI，Ultra Large Scale Integration)和巨大规模集成电路(GSI，Giant Scale Integration)。
所谓分层设计，是指将集成电路的设计分为五个设计层 次，即行为级设计、RTL级设计、门级设计、晶体管级设计 和版图级设计。行为级设计是指用高级语言来建立行为模型， 即用高级语言来实现设计的算法。RTL级设计是指描述寄存 器之间数据的流动及数据的处理方法。门级设计是指设计逻 辑门及其互连方式。晶体管级设计是指将逻辑门进一步用晶 体管及互连关系来描述。版图级设计是指集成电路最终的掩 膜版设计。
设计IC芯片的最初目的就是为了减小计算机的体积。 1945年，美国生产出了第一台全自动电子数字计算机“埃 尼阿克”(ENIAC，Electronic Numerical Integrator and Calculator，电子数字积分器和计算器)。它采用电子管作 为计算机的基本元件，每秒可进行5000次加减运算，体积 为3000立方英尺(1立方英尺=0.028 317立方米)，占地170 平方米，重量30吨，耗电140～150千瓦。如今，在集成电 路技术的推动下，个人电脑的体积变得越来越小，其运行 速度和功能在过去看来是不可想象的。
《集成电路概述》 讲义
《集成电路概述》讲义一、什么是集成电路集成电路，英文叫做 Integrated Circuit，简称 IC。
简单来说，它就是把许多电子元件，比如晶体管、电阻、电容等等，集成在一块小小的半导体晶片上。
想象一下，以前的电子设备里，这些元件都是一个个单独存在的，然后通过电线连接起来。
这样不仅占地方，而且线路复杂，容易出问题。
集成电路的出现就改变了这一切，它把这些元件都放在一起，通过先进的工艺制造出来，让电子设备变得更小、更轻、更可靠，性能也更强。
集成电路的发展历程可以追溯到上世纪中叶。
从最初的小规模集成电路，到后来的中规模、大规模，再到现在的超大规模集成电路，集成度越来越高，功能也越来越强大。
二、集成电路的制造过程制造集成电路可不是一件简单的事情，它需要经过很多复杂的步骤。
首先，要准备一块纯净的半导体材料，通常是硅。
然后，在上面通过光刻等技术，刻出各种电路图案。
这就好比在一块大饼上画出各种线路。
接下来，进行掺杂，就是把一些杂质掺入到硅里面，改变它的电学性质，形成晶体管等元件。
再然后，通过沉积等工艺，在上面铺上一层又一层的绝缘层和导电层，把各个元件连接起来。
最后，进行测试和封装。
测试是看看制造出来的集成电路是不是好的，能不能正常工作。
封装就是给它穿上一个“保护壳”，方便安装在电子设备里。
整个制造过程需要非常高的精度和纯度，而且在一个无尘的环境中进行，因为哪怕一点点灰尘，都可能会影响集成电路的性能。
三、集成电路的分类集成电路有很多种分类方法。
按照集成度，可以分为小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）。
按照功能，可以分为数字集成电路和模拟集成电路。
数字集成电路处理的是数字信号，就像 0 和 1 这样的；模拟集成电路处理的是连续变化的信号，比如声音、图像等等。
按照应用领域，可以分为通用集成电路和专用集成电路。
通用集成电路就像万金油，很多地方都能用；专用集成电路是为了特定的用途设计的，比如手机里的芯片、电脑里的显卡芯片。
集成电路课件ppt
总结词
集成电路的发展历程经历了从小规模集成电路到大规模集成电路再到超大规模集成电路的演变。随着技术的不断发展，集成电路的集成度越来越高，功能越来越强大。
要点一
要点二
详细描述
集成电路的发展历程是一个不断创新和演进的过程。最早的集成电路是小规模集成电路，只能实现简单的电路功能。随着技术的不断发展，集成电路的集成度越来越高，功能越来越强大。从20世纪60年代开始，大规模集成电路的出现使得电子设备变得更加小型化、轻便化。进入20世纪80年代后，超大规模集成电路的发展进一步推动了电子设备的微型化和智能化。如今，随着半导体制造工艺的不断进步，集成电路的集成度越来越高，性能越来越强大，为各种电子设备的发展提供了强大的支持。
全球集成电路产业竞争格局日益激烈，企业兼并重组加速，产业集中度不断提高。
中国集成电路产业面临技术瓶颈、人才短缺、产业链不完善等挑战，需要加强自主研发和创新能力。
中国政府出台了一系列政策措施，支持集成电路产业发展，推动产业升级和转型。
中国集成电路产业发展迅速，市场规模不断扩大，技术水平不断提高。
01
导出与交付
根据集成电路的规格和性能要求，选择合适的封装形式，如DIP、SOP、QFP等。
封装形式
测试设备
测试程序
测试报告
使用专业测试设备对集成电路进行功能测试、性能测试和可靠性验证。
编写测试程序，模拟集成电路的实际工作场景，进行全面测试。
根据测试结果生成测试报告，记录集成电路的性能指标和可靠性数据。
加强集成电路教育资源建设，包括教材建设、师资队伍建设、实验设备建设等，以提高教育质量。
建立集成电路教育平台，实现优质教育资源的共享和交流，促进教育公平和协同发展。
加强校企合作，推动产学研用深度融合，为学生提供实践机会和就业渠道，提高人才培养的针对性和实用性。
集成电路概论
Tuner：从模拟信号中还原出数字信号； 解码器：解复用；MPEG音、视频解码；
DAC：还原出视频信号和音频信号；
三表电路系统结构分析
三表：水表，电表，煤气表；（暖气表） 传感器：将流量转换成电脉冲信号；
单片机：对电脉冲信号进行计量、显示；
非易失存储器：对流量数据进行保存；
五. 主要集成电路供应商简介
DRAM存储器
Dynamic RAM：动态随机访问存储器，多为同步 操作，常见为SDRAM；（DDR：Double Date Rate DRAM，也是SDRAM的一种）
读写速度块；单元面积小，便于大规模集成；
掉电后内容丢失；接口及读写时序复杂，需要定 时刷新，需要专门的DRAM控制器；功耗较大；
EPROM/EEPROM
按集成电路制造工艺分类
TTL工艺 CMOS工艺
GaAs工艺
ECL工艺 BiMOS工艺 ……
按集成电路应用范围分类
ASSP(Application Special Standard Product)标准专 用产品 ：CPU,SDRAM,SRAM,Flash ASIC(Application Special IC)专用集成电路:视频处理 专用芯片、三表专用芯片 PLD(Programmable Logic Device)可编程器件： FPGA,CPLD,GAL
分立元件：电阻、电容、电感、二/三极管 小规模集成电路：逻辑门（与或非），集成运放
中规模集成电路：计数器，集成锁相环
大规模集成电路：8位微处理器，视频处理芯片 超大规模集成电路： 32位微处理器位面积上容纳的晶体管个数每隔18个月就会
增加一倍，同时性能也会提升一倍；
谢谢！
非易失存储器，单元面积小，因此容量大； 按块擦除，按页写入，按字节读出； 分NAND和NOR两种，NAND型适合存储海量数据，特别 是流媒体数据；NOR型和普通的RAM存储器有相似的接口 信号和读写时序，适合存储程序代码； 缺点是编程和擦除时序复杂，需要专门的硬件电路或驱动 程序； 制造商：Intel，AMD，Fujitsu，Mitsubishi, Samsung…
DAC：还原出视频信号和音频信号；
三表电路系统结构分析
三表：水表，电表，煤气表；（暖气表） 传感器：将流量转换成电脉冲信号；
单片机：对电脉冲信号进行计量、显示；
非易失存储器：对流量数据进行保存；
五. 主要集成电路供应商简介
DRAM存储器
Dynamic RAM：动态随机访问存储器，多为同步 操作，常见为SDRAM；（DDR：Double Date Rate DRAM，也是SDRAM的一种）
读写速度块；单元面积小，便于大规模集成；
掉电后内容丢失；接口及读写时序复杂，需要定 时刷新，需要专门的DRAM控制器；功耗较大；
EPROM/EEPROM
按集成电路制造工艺分类
TTL工艺 CMOS工艺
GaAs工艺
ECL工艺 BiMOS工艺 ……
按集成电路应用范围分类
ASSP(Application Special Standard Product)标准专 用产品 ：CPU,SDRAM,SRAM,Flash ASIC(Application Special IC)专用集成电路:视频处理 专用芯片、三表专用芯片 PLD(Programmable Logic Device)可编程器件： FPGA,CPLD,GAL
分立元件：电阻、电容、电感、二/三极管 小规模集成电路：逻辑门（与或非），集成运放
中规模集成电路：计数器，集成锁相环
大规模集成电路：8位微处理器，视频处理芯片 超大规模集成电路： 32位微处理器位面积上容纳的晶体管个数每隔18个月就会
增加一倍，同时性能也会提升一倍；
谢谢！
非易失存储器，单元面积小，因此容量大； 按块擦除，按页写入，按字节读出； 分NAND和NOR两种，NAND型适合存储海量数据，特别 是流媒体数据；NOR型和普通的RAM存储器有相似的接口 信号和读写时序，适合存储程序代码； 缺点是编程和擦除时序复杂，需要专门的硬件电路或驱动 程序； 制造商：Intel，AMD，Fujitsu，Mitsubishi, Samsung…
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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