基础讲座-半导体、微电子、集成电路技术基础介绍

集成电路走向系统芯片
IC的速度很高、功耗很小，但由于 PCB板中的连线延时、噪声、可靠 性以及重量等因素的限制，已无法 满足性能日益提高的整机系统的要求
在需求牵引和技术 推动的双重作用下
集成 分 立 电路 元 IC 件 系统芯片(SOC)与集成
系统芯片
System On A Chip
(简称SOC)
半导体材料、微电子器件的基本概念
电子技术： 电子元器件（电阻、电容、电感、二极管、三极管、 场效应管……）构成的电路
电子管时代
第一台通用电 子计算机：
ENIAC
18,000个电子 管组成
大小：长24m，宽6m，高2.5m 速度：5000次/sec；重量：30吨； 平均无故障运行时间：7min
晶体管：基于半导体晶体的电子器件：二极管、三极管、 场效应管（MOS管），具有开关、整流、放大等功能。
IP核在SOC芯片设计上的应用
• IP核在数字电路中常用，一些比较复杂的功能块， 如CPU、寄存器、滤波器、控制器、接口等设计 成可修改参数的模块。IP核的重用是设计人员赢 得迅速上市时间的主要策略。 • 随着集成电路的规模越来越大，设计越来越复杂 （IC的复杂度以每年55%的速率递增，而设计能 力每年仅提高21%），设计者的主要任务是在规 定的时间周期内完成复杂的设计。调用IP核能避 免重复劳动，大大减轻工程师的负担，因此使用 IP核是一个发展趋势。
电路(IC)的设计思想是 IC设计与制造技术水平的提高， 不同的，它是微电子技 IC规模越来越大，已可以在一个 术领域的一场革命。 芯片上集成108~109个晶体管
将整个系统集成在 一个微电子芯片上
• ，2007年，全球SOC的80%都是采用以IP 核为主而进行设计的，IP销售额已经超过 19亿美元，且以每年15-20%的速度递增 • ，我国相比国外，无论是在基于IP复用的 SOC设计方面，还是在IP技术应用推广和 商务运作模式方面，都处于初级阶段； 2007年大陆地区IP销售额仅为6850万美元， 仅占全球的4%左右。
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• 微电子技术核心——集成电路
• Integrated Circuit，缩写IC
通过一系列特定的加工工艺，将晶体管器 件，按照一定的电路互连，“集成”在一 块半导体单晶片上，封装在一个外壳内， 执行特定电路或系统功能
微电子：到底有多微……
15mm
放大2000倍
放大20000倍
微电子技术
微电子学 微电子学（Microelectronics）是研究在半导体 材料上构成的微小化电路及系统的电子学分支。 微电子技术 微电子技术是随着集成电路，尤其是超大型规模 集成电路而发展起来的一门新的技术。微电子技术包 括系统电路设计、器件物理、工艺技术、材料制备、 自动测试以及封装等一系列专门的技术，微电子技术 是微电子学中的各项工艺技术的总和。
独立的设计公司（Design House）
ARM、qualcomm、nVIDIA、联发科 独立的制造厂家（标准的Foundary） 台积电（50%）、台联电（25%）、sumsang、 中芯国际（4%） 独立的封装厂 日月光、通富微电
集成电路产业的分工
IC设计
晶圆制造
IC制造
封装
测试
投资金额
10-100万
元件数 门数
3
5
7
9
10 2 ~ 10 4
10 4 ~ 10 6
10 6 ~ 10 8
按电路功能分类
• 数字集成电路(Digital IC)：它是指处理数字 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)：它是指处理模拟 信号(连续变化的信号)的集成电路
IP核的应用
• IP核在数字电路中常用，一些比较复杂的功能块， 如FIR滤波器、SDRAM控制器、PCI接口等设计 成可修改参数的模块。IP核的重用是设计人员赢 得迅速上市时间的主要策略。 • 随着CPLD/FPGA的规模越来越大，设计越来越 复杂（IC的复杂度以每年55%的速率递增，而设 计能力每年仅提高21%），设计者的主要任务是 在规定的时间周期内完成复杂的设计。调用IP核 能避免重复劳动，大大减轻工程师的负担，因此 使用IP核是一个发展趋势。
b
-
Intel Core 2 芯片尺寸为143平方毫米， 内含2.91亿晶体管 特征尺寸45nm
集成电路的设计
集成电路的设计
1.传统的设计方法
– – – – 设计和绘制电子线路图 集成电路的线路图转绘成芯片布局图 数字化成“掩膜（Mask）”图纸 在半导体材料（例如硅晶片）上进行注入、退火、光 刻、镀膜…… – 芯片切割、测试
59年
基尔比& 诺伊斯发明集成电路
59年诺依斯发明平面MOS工艺，集成电路量产
1970 – 第一个商用DRAM存储器 1Kbits 1971 – 第一个微处理器 1000 晶体管 1972 - Intel 8008 3,500 晶体管, 200kHz 时钟
集成电路的分类
按集成电路规模分类
• 集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目 • 小规模集成电路(Small Scale IC，SSI) • 中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI) • 大规模集成电路(Large Scale IC，LSI)
2.目前，集成电路的设计过程：
定义电路的功能、指标、性能
原理电路设计 电路模拟(SPICE) 布局(Layout)
不符合 不符合
源自文库
原型电路制备 测试、评测
工艺问题
产品
使用硬件设计语言
– 硬件描述语言Hardware Discription Language， HDL
– 是一种用于电路设计的高级语言。超高速集成电 路硬件描述语言，主要是应用在数字电路的设计 – HDL有两种用途：系统仿真和硬件实现 – HDL和传统的原理图输入方法的关系就好比是高 级语言和汇编语言的关系
• 当前，微电子产业的发展规模和科学技术水平已成 为衡量一个国家综合实力的重要标志。
微电子产业的战略重要性
2020年世界最大的30个市场领域：其中与
微电子相关的22个市场：5万亿美元
市场 手提数据通讯* 个人电脑* 移动电话服务* CPU* 数据存储产品* 磁存储* 电子商务* 网络信息服务* 高密度磁存储* 系统集成芯片* 家庭医疗设备* 互联网* 有线电视* 智能传输系统 代理软件* 销售额 （10 亿美元） 630 470 380 300 270 250 250 230 230 210 210 200 200 190 180 市场 超薄显示器* IC 卡* 地面微波广播* DNA 生物芯片 多用途通讯设备* 半导体设备* 电力交通工具 墙壁式超薄电视* 移动电话* 直接引入工具 ITS 设备 DNA 加工食品 液晶显示器* 仿制品 燃油汽车 销售额 （10 亿美元） 170 165 160 160 155 150 150 145 140 140 140 135 120 115 110
放大40000倍
0.15um
30m
100 m 头发丝粗细
50m
30~50m (皮肤细胞的大小)
1m 1m (晶体管的大小)
90年代生产的集成电路中晶体管大小与人 类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较
~2010 1 x 1010 transistors
1947 1 transistor
0.1nm
nm
0.1m
10m
1mm
100mm
10 m
原子
DNA 病毒 微电子
头发
灰尘
人
微电子技术发展历史
47年
贝尔实验室制成第一只半导体晶体管
标志着电子时代的到来
肖克莱，布兰坦，巴丁
1948年1月，肖克莱提出了结型晶体管的理论。 1949年，贝尔实验室做出了第一个锗PNP型晶体管。
左起依次为： 巴丁（J. Bardeen） 肖克莱（Shockley） 布兰坦（Brattain）
• 美国国防部的VHDL（VHSIC HDL） • Verilog HDL • 可以描述硬件电路的功能，信号连接关系及定时关系， 更有效的表示电路的特性 • 源程序便于保存、修改和自动纠错
3.使用IP核设计
• IP核是具有知识产权（Intellectual Property）的集 成电路芯核的简称，是一段具有特定电路功能的 硬件描述语言程序，该程序与集成电路工艺无关， 可以移植到不同的半导体工艺中去生产集成电路 芯片。 • IP核的作用是把一组拥有知识产权的电路设计集 合在一起，构成芯片的基本单位，以供设计时搭 积木之用。 • 以前是芯片做好以后供人家在PCB上使用，现在 是IP做好以后让人家集成在更大的芯片里。
– 线性集成电路：又叫做集成放大电路，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)转换器和模数(A/D)转换器等
集成电路的制造过程
• 电路设计 • 工艺制造 • 测试封装
集成电路产业的发展趋势：
1．可编程逻辑控制器 – 功能：利用器件生产商所提供的编程语言，按需要写出 相应的程序，经调试和修改、输入并固定到PLC /PLD芯 片中(烧结芯片) ，成为用户专用芯片。 – 分类 • 复杂可编程逻辑器件 CPLD（Complex Programmable Logic Device） • 场可编程门阵列（含有RAM） FPGA（Field Programmable Gate Array） – 与标准的逻辑器件相比其主要优点 : • 规模大、体积小 – 加密性能好 • 可实现在线编程 – 有利于电子设计自动化(EDA)
集成电路的发展方向：
1.工艺上特征尺寸不断缩小 2.设计上系统芯片化
微电子工艺近年来进展：特征尺寸不断缩小
2.设计上系统芯片化：SoC ( System – on - Chip)
• • System-on-Chip, 在一个芯片内集成一个完整的系 统。在一个芯片上实现信号采集、转换、存储、处 理、I/O等功能，包括整个系统的全部内容。 SoC是一个微小型系统,如果说中央处理器(CPU)是 大脑,那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系 统。
电子装备 6-8万亿元
2012年
集成电路产值 1万亿美元
如果我们不发展集成电路产业
• IT行业停留在装配业水平上，挣的“辛苦钱”。 • 在国际分工中我们将只能处于低附加值的低端上。 • 所以有人戏称说：“你们说中关村是硅谷，但是一 个无“芯”的硅谷，产品不可能有竞争力。”在没 有自己集成电路产业的情况下，我们的高新技术的 发展命脉掌握在他人手中。
1-20亿
500-1500万
附加价值
50-60%
20-30%
10-20%
集成电路的工艺制造
集成电路芯片制造过程
—制造业—
硅片
由氧化、淀积、离子注入或蒸 发形成新的薄膜或膜层
用掩膜版 重复 20-30次
曝 光
刻 蚀
测试和封装
场效应管
金属
源 极
SiO2
s
栅 极
g -
漏 极
d
-
N+
N+
P衬 底
衬 底
• 超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI)
• 特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI) • 巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）
SSI 2 <10 <10 M SI 2 10 ~ 10 10 ~ 10 2 L SI 3 10 ~ 10 V L SI 5 10 ~ 10 ULSI 7 10 ~ 10 G SI 9 >10 >10 8
常见的IC封装外观
微电子科学技术的战略地位
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
集成电路 1 ~ 2元
电子产品 10元
国民经济产值 100元
进入信息化社会的判据：半导体产值占 工农业总产值的0.5%
据美国半导体协会（SIA）预测
GDP≈50万亿美元
电子信息服务业 30万亿美元 相当于1997年全世界GDP总和
集成电路用于电路设计
集成电路用于电路设计
为了加快电路设计的速度，除直接用HDL等语言帮 助制造专用的集成电路外，一般还可以利用集成 电路作为模块和分立元件进行组合以完成电路设 计。 主要有： • 可编程逻辑控制器或可编程逻辑部件
– Programmable Logic Controller，PLC 或 Programmable Logic Device，PLD – 用于设计用户专用集成电路芯片 • 数字信号处理器 – Digital Signal Processor, DSP – 用于多种信号处理