第一章集成电路概论

《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，会使用基本的命令当前第1页\共有42页\编于星期六\14点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管原理当前第2页\共有42页\编于星期六\14点第一章概论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结当前第3页\共有42页\编于星期六\14点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。单片集成电路：用一块半导体晶片为基片，通常是硅（Si）或化合物半导体如砷化镓（GaAs）制成的集成电路。本课程讨论的集成电路实际专指单片集成电路。集成电路：IntergratedCircuit

当前第4页\共有42页\编于星期六\14点2.集成电路举例：51单片机，计算机CPU，74LS系列芯片等一般见到的芯片都是封装好的，打开封盖后可以看到管壳内有一小小的硅片，称为芯片（die或chip），但人们通常将封装好的集成电路块也叫芯片。当前第5页\共有42页\编于星期六\14点封装好的集成电路当前第6页\共有42页\编于星期六\14点AMDAthlon64当前第7页\共有42页\编于星期六\14点VddABOut集成电路的内部电路当前第8页\共有42页\编于星期六\14点当前第9页\共有42页\编于星期六\14点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30μm50μm1μm×1μm（晶体管的大小）（皮肤细胞大小）头发与晶体管的对比当前第10页\共有42页\编于星期六\14点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”。当前第11页\共有42页\编于星期六\14点－－真空二级管的发明（1904年弗莱明）

最早预见到爱迪生效应具有实用价值的，是英国物理学家、工程师弗莱明。利用“爱迪生效应”将交流电转化成直流电。用一个金属圆筒代替了爱迪生所用的金属丝，套在灯丝外面，和灯丝一起封在玻璃泡里。这样，接收电子的面积大大增加了。金属筒接正电(“阳极”)、灯丝接负电(“阴极”)。这种新诞生的器件，其作用相当于一个只允许电流单向流动的阀门，弗莱明就称它叫做“阀”。后人将其称为“真空二极管”。真空二极管的发明标志着人类进入了电子时代。－－真空三极管的发明（1907年德·福雷斯特）直到真空三极管的发明后，电子管才成为实用的器件真空三极管除了可以处于放大状态外，还可充当开关器件当前第12页\共有42页\编于星期六\14点－－晶体管的发明（1947年肖克利等）在贝尔实验室,肖克利和两位同事用几条金箔片，一片半导体材料和一个弯纸架制成一个小模型，可以传导、放大和开关电流。他们把这一发明称为“点接晶体管放大器”（Point-ContactTransistorAmplifier）。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”。当前第13页\共有42页\编于星期六\14点－－集成电路的发明（1958年杰克·基尔比（JackKilby））1958年9月12日，美国德州仪器工程师基尔比发明第一颗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（TexasInstrumentInc）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·基尔比当前第14页\共有42页\编于星期六\14点集成电路的出现，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。当前第15页\共有42页\编于星期六\14点－－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当前第16页\共有42页\编于星期六\14点弗来明德·福雷斯特肖克利当前第17页\共有42页\编于星期六\14点杰克·基尔比戈登•摩尔当前第18页\共有42页\编于星期六\14点集成电路的发展经历了：20世纪70年代初:SSI(SmallScaleIntegration),仅包含几个逻辑门，（1到10个门不等），实现一些基本的“与非”或“或非”逻辑.几年后,MSI(MediumScaleIntegration),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(LargeScaleIntegration),较强的集成功能,开始出现16位处理器,MotoralM68000(7万个晶体管),Intel80286(12.5万个晶体管),80386(27.5万个晶体管)等20世纪90年代:VLSI(VeryLargeScaleIntegration),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PentiumIII1000万个晶体管ULSI(UltraLSI),GLSI(GiantLSI)，SOC/SOPC系统:IntelPrescott系列处理器(正式为Pentium4E),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。

当前第19页\共有42页\编于星期六\14点

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。

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。

当前第20页\共有42页\编于星期六\14点当前第21页\共有42页\编于星期六\14点当前第22页\共有42页\编于星期六\14点当前第23页\共有42页\编于星期六\14点多媒体工作站系统集成芯片当前第24页\共有42页\编于星期六\14点二集成电路基础知识

1.集成电路的基本概念2.集成电路的分类当前第25页\共有42页\编于星期六\14点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1个2输入的NAND=4个晶体管（NAND：与非门）当前第26页\共有42页\编于星期六\14点–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。–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当前第27页\共有42页\编于星期六\14点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PMOSNMOSCMOS双极型饱和型非饱和型TTLI2LECL/CMLBiCMOS当前第28页\共有42页\编于星期六\14点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。MOS集成电路优点：输入阻抗高、功耗低、抗干扰能力强且适合大规模集成，特别是COMS集成电路有着特殊的优点，如静态功耗几乎为零，输出逻辑电平可为VDD或VSS，上升和下降时间处于同数量级等，因而COMS集成电路产品已成为集成电路的主流之一。BiCOMS集成电路则综合了双极和MOS集成电路的优点，但其制造工艺复杂，成本较高。当前第29页\共有42页\编于星期六\14点按功能分类－－通用集成电路－－专用集成电路ASIC－－专用标准电路ASSP按设计制造方法分类－－全定制FullCustom－－半定制Semi-Custom－－可编程ProgrammableASIC当前第30页\共有42页\编于星期六\14点－－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－－专用集成电路ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuits）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当前第31页\共有42页\编于星期六\14点－专用标准电路ASSP(Application-SpecificStandardProducts)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

DVDdecoder,VCDdecoderAudioDAC,MotorServoDSP当前第32页\共有42页\编于星期六\14点－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当前第33页\共有42页\编于星期六\14点三半导体基础知识1.半导体基础2.PN结当前第34页\共有42页\编于星期六\14点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）从电阻率上分，固体分为三大类。在室温下：金属：ρ<10Ω·cm半导体：ρ=10Ω·cm~10E4Ω·cm绝缘体：ρ>10E4Ω·cm当前第35页\共有42页\编于星期六\14点（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：Cu：30C－>100C增加不到一半（正温度系数）Si：20C－>30C减小了一半（负温度系数）杂质对半导体性能的影响

一般材料纯度在99.9％已认为很高了，有0.1％的杂质不会影响物质的性质。而半导体材料不同，纯净的硅在室温下：＝21400Ω·cm如果在硅中掺入杂质磷原子，使硅的纯度仍保持为99.9999％。则其电阻率变为：＝0.2Ω·cm。因此，可利用这一性质通过掺杂质的多少来控制硅的导电能力。

当前第36页\共有42页\编于星期六\14点半导体的导电能力随光照而发生显著变化半导体的导电能力随外加电场、磁场的作用而发生变化当前第37页\共有42页\编于星期六\14点（3）能级与能带半满带禁带价带价带禁带导带导带禁带价带绝缘体半导体导体绝对零度时，导带中不存在电子；当外界条件改变时，价带中电子将跃迁到导带中，导带中的电子在外电场作用下参与导电，对于半导体，价带中的空穴也参与导电；金属中，由于组成金属的原子中的价电子占据的能带是部分占满的，所以金属是良导体。绝缘体与半导体的区别？当前第38页\共有42页\编于星期六\14点（4）P型和N型半导体（以硅为例）半导体中的两种载流子：带负电荷的电子和带正电荷的空穴。

ni－－本征半导体电子浓度

pi－－本征半导体空穴浓度纯净硅为本征半导体。本征半导体中载流子的浓度在室温下（T＝300K）：

ni=pi≈1.25×1010/cm3且乘积恒定：nipi=ni2

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当硅中掺入Ⅴ族元素，如磷、