第一章 集成电路绪论

主讲教师：谢亮Email:[e-mail]课程内容集成电路的基本概念及常用的电路单元结构模拟集成电路的基本分析方法及设计流程集成电路设计的性能指标分析及解决思路通过具体工程实例讲解基本电路单元的设计方法参考书模拟集成电路与系统（清华大学出版社）RazaviB:DesignofanalogCMOSintegratedcircuitsAllenPE:CMOSAnalogCircuitDesignR.JacobBaker:CMOSMixed-SignalCircuitDesign超大规模集成电路与系统导论（电子工业出版社）微电子概论（高等教育出版社）微电子学概论（北京大学出版社）第一章集成电路绪论近期美国工程技术界评出了20世纪世界最伟大的20项工程技术成就。对于其中的第五项电子技术是这样评价的：“从真空管到半导体，集成电路已成为当代各行各业工作的基石。”当前微电子技术的发展已进入集成系统芯片（SOC）的时代，可将整个系统或子系统集成在一个硅芯片上，经过进一步的发展，它可以将各种物理的、化学的、生物的敏感器（执行信息获取功能）和执行器与信息处理系统集成在一起，从而完成从信息获取、处理、存储、传输到执行的系统功能，这是一个更广义的集成系统芯片，可以认为是微电子技术的又一次革命性变革。目前，以集成电路为核心的电子信息产业超过了以汽车、石油、钢铁为代表的传统工业而成为第一大产业，成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。1999年全球集成电路的销售额为1250亿美元，而以集成电路为核心的电子信息产业的世界贸易总额占世界GDP的3%。现代经济发展的数据表明，每1~2元的集成电路产值，带动了10元左右电子工业产值的形成，进而带动了100元GDP的增长。在今后10~15年内，我国将是世界制造中心之一。目前，我国的移动电话、固定电话用户和产量居世界第一；相关通信市场增长率也是世界第一；彩电等家用电器产量居世界第一；个人计算机（PC）市场增长率居世界第一，其市场规模也居世界前列。整机系统的巨大需求使我国成为世界最大的集成电路芯片市场之一。集成电路的发展历史（一）1947年：贝尔实验室肖特莱等人发明了晶体管，这是微电子技术发展中第一个里程碑；1950年：结型晶体管诞生1950年：R.Ohl和肖特莱发明了离子注入工艺1951年：场效应晶体管发明1956年：C.S.Fuller发明了扩散工艺1958年：仙童公司RobertNoyce与德仪公司基尔比间隔数月分别发明了集成电路，开创了世界微电子学的历史；1960年：H.HLoor和E.Castellani发明了光刻工艺1962年：美国RCA公司研制出MOS场效应晶体管1963年：F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技术，今天，95%以上的集成电路芯片都是基于CMOS工艺1964年：Intel摩尔提出摩尔定律，预测晶体管集成度将会每18个月增加1倍；集成电路的发展历史（二）1966年：美国RCA公司研制出CMOS集成电路，并研制出第一块门阵列（50门）1967年：应用材料公司（AppliedMaterials）成立，现已成为全球最大的半导体设备制造公司1971年：Intel推出1kb动态随机存储器（DRAM），标志着大规模集成电路出现1971年：全球第一个微处理器4004由Intel公司推出，采用的是MOS工艺，这是一个里程碑式的发明1974年：RCA公司推出第一个CMOS微处理器18021976年：16kbDRAM和4kbSRAM问世1978年：64kb动态随机存储器诞生，不足0.5平方厘米的硅片上集成了14万个晶体管，标志着超大规模集成电路（VLSI）时代的来临1979年：Intel推出5MHz8088微处理器，之后，IBM基于8088推出全球第一台PC1981年：256kbDRAM和64kbCMOSSRAM问世1984年：日本宣布推出1MbDRAM和256kbSRAM1985年：80386微处理器问世，20MHz1988年：16MDRAM问世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路（VLSI）阶段集成电路的发展历史（三）1989年：1MbDRAM进入市场1989年：486微处理器推出，25MHz，1μm工艺，后来50MHz芯片采用0.8μm会存在工艺1992年：64M位随机存储器问世1993年：66MHz奔腾处理器推出，采用0.6μm工艺1995年：PentiumPro,133MHz，采用0.6-0.35μm工艺；1997年：300MHz奔腾Ⅱ问世，采用0.25μm工艺1999年：奔腾Ⅲ问世，450MHz，采用0.25μm工艺，后采用0.18μm工艺2000年：1GbRAM投放市场2000年：奔腾4问世，1.5GHz，采用0.18μm工艺2001年：Intel宣布2001年下半年采用0.13μm工艺。2003年：奔腾4E系列推出，采用90nm工艺。2005年：intel酷睿2系列上市，采用65nm工艺。2007年：基于全新45纳米High-K工艺的intel酷睿2E7/E8/E9上市。2009年：intel酷睿i系列全新推出，创纪录采用了领先的32纳米工艺，并且下一代22纳米工艺正在研发。91959年2月，美国德州仪器公司的杰克•基尔比在锗衬底上形成了台面双极型晶体管和电阻，再用超声波焊接将这些元件用金属导线连接起来形成小型电路，并申请专利。基尔比发明的基于锗的第一块集成电路（振荡器）101959年7月，美国仙童半导体公司的诺伊斯，研究出一种二氧化硅屏蔽的扩散技术和PN结隔离技术，发明了世界上第一块硅集成电路，并申请专利。诺伊斯发明的第一块硅集成电路11基尔比和诺伊斯都被称为集成电路的发明人。2000年，基尔比因集成电路的发明被授予诺贝尔物理学奖(诺伊斯1990年病逝)，诺贝尔评审委员会对基尔比这样评价：“为现代信息技术奠定基础”。基尔比被授予诺贝尔物理学奖摩尔定律摩尔定律是指IC上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。Technology(um)0.250.180.150.130.100.070.01Year1997199920012003200620092012#transistors11M21M40M76M200M520M1400MOn-ChipClock(MHz)750120014001600200025003000Area(mm2)300340385430520620750WiringLevels66-7777-88-99TheICin1961vs.IBMPowerPC750in1999集成电路的分类集成电路按其功能、结构的不同模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路三大集成电路类。按制作工艺分类集成电路按制作工艺可分为半导体集成电路和膜集成电路。膜集成电路又分类厚膜集成电路和薄膜集成电路。按集成度高低分类集成电路按集成度高低的不同可分为SSI小规模集成电路(SmallScaleIntegratedcircuits)MSI中规模集成电路(MediumScaleIntegratedcircuits)LSI大规模集成电路(LargeScaleIntegratedcircuits)VLSI超大规模集成电路(VeryLargeScaleIntegratedcircuits)ULSI特大规模集成电路(UltraLargeScaleIntegratedcircuits)GSI巨大规模集成电路也被称作极大规模集成电路或超特大规模集成电路(GigaScaleIntegration)。集成电路的分类按导电类型不同分类集成电路按导电类型可分为双极型集成电路和单极型集成电路,他们都是数字集成电路.双极型集成电路的制作工艺复杂，功耗较大，代表集成电路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等类型。单极型集成电路的制作工艺简单，功耗也较低，易于制成大规模集成电路，代表集成电路有CMOS、NMOS、PMOS等类型。按应用领域分集成电路按应用领域可分为标准通用集成电路和专用集成电路。按制造方法分：全定制ASIC（Full-customASIC）、半定制ASIC（Semi-customASIC）、可编程ASIC（ProgrammableASIC）集成电路的发展方向和热点集成电路的发展方向1）在发展微细加工技术的基础上，开发超高速、超高集成度的电路。2）迅速、全面地利用已达到的或已成熟的工艺技术、设计技术、封装技术、和测试技术等发展各种专用集成电路（ASIC）。集成电路设计热点1）SOC(SystemonChip,片上系统)设计；2）模拟电路和数模混合电路；SOC技术SOC的三大技术特征：采用深亚微米（DSM）工艺技术，IP核的复用和软硬件协同设计。产生和发展的原因1）微电子加工技术的发展，已经使得在单个芯片上制作电子系统所需要的几乎所有元件有了可能。2）几十年来集成电路的设计能力的增长滞后于工艺技术的发展，在深亚微米（DSM）阶段变的更加突出，因而SOC设计技术应运而生。3）电子系统发展的需要，利用SOC可以大大减少所使用的元件数量，提高产品性能，降低能耗，缩小体积，降低成本，或者说在相同的工艺技术条件下，可以实现更高的性能指标。目前仍以摩尔定律所揭示的规律向前发展，晶圆的面积也在不断地加大，以软／硬件协同设计、具有知识产权的内核（IP核）复用和超深亚微米技术为支撑的系统芯片(SystemonChip－SOC)是超大规模集成电路发展的趋势和新世纪集成电路的主流。IC产业技术发展经历了电路集成、功能集成、技术集成，直到今天基于计算机软硬件的知识集成，其目标就是将电子产品系统电路不断集成到芯片中去，力图吞噬整个产品系统。单芯片的嵌入式系统的出现，以单个芯片实现的产品系统不仅仅限于硬件系统，而是一个带有柔性性能的软、硬件集合体的电子系统。SoC是微电子领域IC设计的最终目标模拟IC与混合信号IC嵌入式模拟IC和高性能模拟IC是当前模拟IC发展的两大趋势。采用标准CMOS工艺设计制造A/D、D/A转换器，RF电路等典型模拟电路和混合信号电路已经成为业内热点。采用CMOS工艺设计模拟IC的工作难度，高于设计数字IC。数字、模拟电路混合的混合信号（MixedSignal）IC设计成为ASIC/SoC设计中最常出现的需求，尤其是通信领域混合信号IC设计方法也由原来的功能设计向功能组装的方向发展。我国为什么要发展集成电路？并不是每一个国家都需要集成电路产业，很多国家即便没有这个产业也能得到富足与安全。不过，中国决不是这样的国家。----《国家意志决定集成电路发展》-华强电子网从战略性新兴产业的培养和发展到国防现代化建设，从工业化与信息化的融合到居民的日常生活，集成电路都起着不可替代的作用。可以说，集成电路就是现代社会的“盐”，普通人或许很难直观地感受到它的存在，但倘若没有它，整个社会不仅将丧失生活的味道，而且会因乏力而虚脱。对中国而言，如果没有强大的集成电路产业，国家安全无法得到保障，民生的改善、社会的和谐，一切都将是镜花水月。1元集成电路的产值将带动100元国民经济的增长；用集成电路芯片改造传统产业，传统产业焕发青春；与机械学、光学、生物学结合，衍生出的新技术、新产业，将成为21世纪新的经济增长点集成电路产业与国民经济发展之间存在着一定的食物链对应关系，国家用于支持集成电路产业发展的支出，会在整个国民经济的加速发展中得到加倍的补偿。中国集成电路的发展芯片设计业是发展的突破口，芯片制造业是发展的重点，芯片封装业所占比重最大，我国集成电路产业初步形成电路设计、芯片制造和电路封装三业并举的产业格局；十年简要回顾1）行业规模迅速扩大，但国内市场自给率未能显著提高2）技术水平大幅提高，但与国际先进水平的相对差距未能有效缩小3）IC企业蓬勃发展，但堪与国际巨头抗衡的“航母”企