半导体集成电路-01绪论

2023/2/21半导体集成电路2023/2/22第0章：绪论集成电路的基本概念？？？？过去、现状、发展国内相关产业发展现状2023/2/23提纲集成电路的概念集成电路的过去，现在和未来我国集成电路产业现状本课程主要内容教材及主要参考资料课程要求及考核方法2023/2/24提纲--1集成电路的概念

1.什么是集成电路？

2.相关基本概念

3.集成电路的分类2023/2/25

什么是集成电路？电阻电容二极管三极管是不是集成电路？集成电路的概念2023/2/26将电子元器件按照一定的要求连接起来,完成一定的功能集成电路的定义将所有元器件和连线做在同一个基板上,组成系统电路集成集成电路的概念2023/2/27

集成电路—微电子技术的核心IntegratedCircuit，缩写

IC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、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（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集成电路的概念2023/2/28日常生活中的集成电路无处不在，彻底渗入并改变了人类生活集成电路的概念2023/2/29集成电路的概念

相关基本概念

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，可通过增大硅园片直径来弥补。晶圆尺寸(WaferSize)芯片尺寸(DieSize)6英寸、8英寸、12英寸几平方毫米到几百平方毫米2023/2/210

集成度、规模：每块芯片包含的晶体管数目或等效逻辑门(2输入的NAND)的数量1个2输入的NAND=4个晶体管集成电路的概念2023/2/211

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）。2023/2/212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按电路功能分类按设计方法分类

集成电路的分类2023/2/213小规模集成电路

(SmallScaleIC，SSI)中规模集成电路(MediumScaleIC，MSI)大规模集成电路

(LargeScaleIC，LSI)超大规模集成电路

(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大规模集成电路

(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大规模集成电路

(GiganticScaleIC，GSI）集成电路的分类-1按电路规模分类2023/2/214划分集成电路规模的标准

数字集成电路

类

别

MOSIC

双极IC

模拟集成电路

SSI

＜102

＜100

＜30

MSI

102～103

100～500

30～100

LSI

103～105

500～2000

100～300

VLSI

105～107

＞2000

＞300

ULSI

107～109

GSI

＞109

2023/2/215集成电路的分类-2

按导电载流子类型分类（实现工艺）电流I参与导电的载流子既有空穴又有电子，称为双级型BJT型BipolarJunctionTransistor电流I参与导电的载流子只有空穴或电子，称为单级型MOS型MOSTransistorBi-CMOS2023/2/216集成电路的分类-3

按电路处理信号方式分类输入与输出量均为二进制的数字，不是高电平，既是低电平，在数字电路中表现为“0”，“1”。数字集成电路01模拟集成电路输入与输出量为连续变化的模拟量数模混合集成电路2023/2/217混合集成电路由半导体集成电路，膜集成电路和分离元件中至少两种构成的集成电路半导体集成电路半导体单晶为基片，将构成电路的各元器件制作于同一基片上，布线连接构成的集成电路薄膜集成电路由金属和金属合金薄膜以及半导体薄膜制成元器件，布线连接构成的集成电路按实现方法分类集成电路的分类-42023/2/218按电路功能分类集成电路的分类-5通用集成电路市场上能买到的具有通用功能的集成电路例如：74系列4000系列

Memory芯片CPU芯片等专用标准集成电路有些专用芯片又有许多系统销售商在贩卖ASSP例如：Modem

DVDdecoderVCDdecoder专用集成电路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2023/2/219ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuits)ASSP(Application-SpecificStandardProducts)2023/2/220集成电路的分类-6按设计方法分类全定制（FullCustom）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（Semi-Custom）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（Programmable）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2023/2/2212023/2/222中国半导体行业协会秘书长徐小田

集成电路是当今世界高科技电子产品的心脏和灵魂，是国民经济信息化的重要支柱，也是国民经济自主健康发展的战略性产业和基础性产业不可能拥有现在的E生活

2023/2/223提纲--2二.集成电路的过去、现在与未来

2023/2/224ENIAC-Thefirstelectroniccomputer

(1946)MooreSchool，Univ.ofPennsylvania18,000TransistorsSize：24m×6m×2.5mSpeed：5000times/sec；Weight：30T；Power：140KW；Averageruntime：7min2023/2/2252023/2/226世界上第1台计算机大小：长24m，宽6m，高2.5m速度：5000次/sec；重量：30吨；功率：25KW；平均无故障运行时间：7min这样的计算机能够进入办公室、车间、连队和家庭？当时有的科学家认为全世界只要4台ENIAC目前，全世界计算机不包括微机在内有几百万台，微机总量约6亿台，每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量2023/2/2271946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组,W.Schokley，J.Bardeen、W.H.BrattainBardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管2023/2/228TheTransistorRevolution(1948)FirsttransistorBellLabs2023/2/229J.BardeenW.SchokleyW.H.Brattain1956年度的诺贝尔物理学奖2023/2/230TheFirstIntegratedCircuits(1958)

J.S.Kilby杰克·基尔比2000年度的诺贝尔物理学奖2023/2/231TheFirstBipolarlogic1960’s2023/2/232

Intel4004Microprocessorintroducedin1971108KHzclockrate10micron2300transistors2023/2/2331979年3月

16Bit29000晶体管

5到8MHz1.5um1985年10月

32Bit275000晶体管

16到32MHz1um8088Intel3862023/2/2341989年4月

32Bit1,200,000晶体管

25到50MHz1-0.8umIntel4861993年3月

32Bit3,100,000晶体管

60到166MHz0.8umPentium2023/2/235IntelPentium(IV)MicroprocessorP6(PentiumPro)in1996150to200MHzclockrate196mm**25.5Mtransistors(externalcache)0.35micron4layersmetal3.3voltVDD>20Wtypicalpowerdissipation387pins2023/2/236集成电路的作用小型化价格急剧下降功耗降低故障率降低2023/2/237集成电路发展的规律1965年英特尔公司主要创始人摩尔提出了“随着芯片上电路的复杂度提高，元件数目必将增加，每个元件的成本将每年下降一半”，这个被称为“摩尔定律”的预言成为了以后几十年指导集成电路技术发展的最终法则。2023/2/238集成电路技术是近50年来发展最快的技术按此比率下降，小汽车价格不到1美分微电子技术的进步2023/2/239微电子发展史上的几个里程碑1962年Wanlass、C.T.Sah——CMOS技术现在集成电路产业中占95%以上1967年Kahng、S.Sze——非挥发存储器1968年Dennard——单晶体管DRAM1971年Intel公司微处理器——计算机的心脏目前全世界微机总量约6亿台，在美国每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量。美国欧特泰克公司认为：微处理器、宽频道连接和智能软件将是21世纪改变人类社会和经济的三大技术创新2023/2/240摩尔定律开始受到挑战、技术在未来10-15年仍可保持线性发展90nm技术、300mm硅片、铜互连工艺、SOC成为四大热点2023/2/241提纲--3三.集成电路在我国的现状

2023/2/242集成电路技术在我国的现状中国集成电路生产量的推移历史悠久1950～较长的低迷期1950～1978缓慢增长1978～1992急速增长1992～2023/2/243中国和世界半导体产品结构民用比率34％！真正开始了生产!!!计算机用民用通讯设备工业生产2023/2/244中国半导体产业现状1。九十年代的状况1990年代中期技术落后2～3代!!!

外资1997年３４家半导体公司产量超过1000万个的公司只有5家！90年代的芯片加工国有企业：华晶电子（无锡市）外资企业：

贝尔微电子（上海市）

首钢日电电子（北京市）

上海菲利普（上海市）

上海华虹NEC（上海市）

集成度256K，线宽１～２微米6英寸硅片技术2023/2/245２．1995年～2001年中国半导体产业现状中共中央国务院《关于鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》

国发[2000]18号财政部、国家税务总局关于部分国内设计国外流片加工的集成电路产品进口税收政策通知

财税[2002]140号2023/2/246中国半导体产业现状

世界IT的不景气与中国半导体产业中国IC市场的変化２．1995年～2001年20001年，在全球IT不景气的情况下，中国电子信息产品的市场规模总额比2000年增长了30％！20001中国IC市场销售额为104.6亿美元，与2000年相比看起来只是5.5%的小幅增长，但是，从中国以外的市场为负20％的增长来看，可以说中国维持了相对的高增长！2023/2/247中国半导体产业现状３．2000年以後

2000-2005年中国集成电路生产销售状况2023/2/248３．2000年以後

2000-2005年中国集成电路出口情况

项目2000年2001年2002年2003年2004年2005年出口量（亿个）40.433.0255.93110.98162.26216.09增长率(%)-3.48-18.2769.3898.4346.2133.18出口金額(亿美元)19.7216.8922.4659.67105.23137.54增长率(%)4.36-14.3432.98165.6976.3630.71

2000-2005年中国集成电路进口情况

项目2000年2001年2002年2003年2004年2005年进口量（亿个）205.47200.56261.09469.15628.17753.7增长率(%)18.8-2.3930.1879.6933.920进口金額(亿美元)95.2103.84140.37401.61600.78810.24增长率(%)26.359.0835.18186.149.5934.87中国半导体产业现状2023/2/249３．2000年以後2005年中国IC市场一跃为世界第一！中国半导体产业现状2023/2/250中国IC产业结构到200５年年底将近770个公司设计５00多家其他110家IC制造约50家封装测试110家2023/2/251中国IC产业结构2000、2005中国IC设计、制造、封装业比例5.3%14.9%17.0%25.8%33.2%33.0%68.9%51.9%50.0%0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%200020042005设计制造封装测试2023/2/2522005中国IC设计、制造、封装业比例2023/2/253XI’ANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY中国IC产业结构IC设计IC制造IC封装测试消費類珠海炬力·杭州仕兰微·北京希格玛晶华微·深圳国微（VCD,MCU,AudioIC）其他类杭州有旺、绍兴芯谷、无锡友达、无锡矽科动力（电源IC、功率放大器）大陆南通富士通、（DIP/TSOP/QFP/SiP）、长电科技（DIP/SO/QFP)天水华天（BGA/FC/MCM)上海纪元无锡华润矽科（数字音视频IC、通讯IC）北京海尔设计（数字电视、卫星接受IC）北京华虹设计（数字电视、数字投影议、手机IC）网通类深圳中兴微（移动通讯芯片）、晨讯（3G芯片）大唐微电子（智能卡、WLAN)IC卡类北京中电华大北京清华同方（二代身份证芯片）上海华虹、上海复旦（智能卡）电脑类北京中星微（手机芯片）、PC摄影类芯片）IDM厂无锡华润微、上海贝岭、华越微电子代工厂中芯、上海华虹NEC、和舰、上海先进、上海宏力、华润上华、上海新进首钢日电台湾日月光、矽品外资Freescale、威讯联合、ST、Intel、infineen、Reneses、Samsung、Amkor2023/2/254连云港

Lianyungang

上海

Shanghai以上海为中心的长江三角洲北京

Beijing香港

HongKong北京、天津环渤海地区広州

Guang

Zhou以广州为中心的珠江三角洲乌鲁木齐

Urumchi成都

Chengdu重庆

Chongqing西安

Xi’an中国西部西部地区2023/2/2552023/2/256现有IC生产线2000200120022003200420052006中芯宏力和艦華虹NEC上海先進華潤上海350nm250nm180nm130nm90nm250nm180nm350nm130nm180nm130nm250nm350nm180nm250nm350nm250nm350nm1500/1000/700nm350nm350nm/６“400～600nm/６“国内现有8英寸生产线10条6英寸生产线12条12英寸芯片生产线2条5英寸生产线9条4英寸生产线14条共计47条2023/2/257中国集成电路产业发展特征产业规模增大设计和芯片制造的比列增大电路设计业发展迅猛产业发展特征海外留学生归国创业

产业的“群聚”效果明显2023/2/258中国集成电路产业存在的问题产业规模依然偏小、市场份额偏低依然存在巨大的需求与供给能力失配自主创新能力不足集成电路的支撑产业滞后，如：设备、材料等人才缺乏2023/2/2592023/2/2602003年6月科技部七個国家集積回路産業化基地を設置北京、上海、杭州、无锡、西安、成都、深圳2023/2/2612023/2/2622003年10月，教育部、科技部联合批准了9所高校为首批国家集成电路人才培养的建设单位清华大学、北京大学、浙江大学、复旦大学、西安电子科技大学、上海交通大学、东南大学、电子科技大学、华中科技大学2023/2/263集成电路人才在我国的现状集成电路人才缺口巨大如果集成电路设计业市场每年以平均60％以上的速度增长，到2010年将达到约1000亿元人民币产值，届时将需要集成电路设计师5－10万人，而目前我国仅有集成电路设计人员约10000人，人才严重不足成为我国集成电路设计业的最大瓶颈。集成电路制造业人才缺乏同样十分紧迫。2023/2/264集成电路人才在我国的现状

我国集成电路设计人才培养规模严重不足据统计，2004年我国本科微电子学专业有31个专业点，2003年毕业本科生459人，招生1431人，在校生3899人；全国有4000多名集成电路工学/理学硕士在校生。总共有集成电路设计和微电子专业在校生7900多人，远远不能满足发展的需求。培养高级集成电路人才已是我国高等教育界的当务之急。

但是，如果把与微电子相关的专业计算在内：如电子信息科学与技术、电子科学与技术、电子信息工程、光信息科学与技术、固体物理与半导体技术、计算机科学与技术、信息安全、通讯工程、电气工