第一章 集成電路概論

《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》電子教案作者：姚曉瓊聯(lián)系方式：yao_xq@163.com《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程簡(jiǎn)介了解并掌握集成電路（IC）的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和未來(lái)了解并掌握各類集成電路的特點(diǎn)熟悉TTL電路特點(diǎn)，會(huì)使用EDA軟件進(jìn)行電路模擬熟悉MOSFET電路特點(diǎn)，會(huì)使用EDA軟件進(jìn)行電路模擬，可以畫出版圖EDA軟件：EWB，Micowind，Laker熟悉Linux操作系統(tǒng)的使用，會(huì)使用基本的命令學(xué)習(xí)本課程的基礎(chǔ)電路基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)半導(dǎo)體物理學(xué)固體物理學(xué)量子力學(xué)微電子學(xué)基礎(chǔ)：晶體管，MOSFET管原理第一章概論一半導(dǎo)體集成電路概述二集成電路基礎(chǔ)知識(shí)1.基本概念2.分類三半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.半導(dǎo)體基礎(chǔ)2.PN結(jié)一半導(dǎo)體集成電路概述

1.定義：

集成電路(IC)是指半導(dǎo)體集成電路，即以半導(dǎo)體晶體材料為基片，經(jīng)加工制造，將原件、有源器件和連線集成在基片內(nèi)部、表面或片面之上，執(zhí)行某種功能的微型化電路。單片集成電路：用一塊半導(dǎo)體晶片為基片，通常是硅（Si）或化合物半導(dǎo)體如砷化鎵（GaAs）制成的集成電路。本課程討論的集成電路實(shí)際專指單片集成電路。集成電路：IntergratedCircuit

2.集成電路舉例：51單片機(jī)，計(jì)算機(jī)CPU，74LS系列芯片等一般見到的芯片都是封裝好的，打開封蓋后可以看到管殼內(nèi)有一小小的硅片，稱為芯片（die或chip），但人們通常將封裝好的集成電路塊也叫芯片。封裝好的集成電路AMDAthlon64VddABOut集成電路的內(nèi)部電路用肉眼是觀察不到集成電路芯片上的圖形的，只有在高倍顯微鏡下才能觀察到。芯片上的這些線條和圖形的集合，被稱為版圖（layout）。這些線條和圖形是為了實(shí)現(xiàn)器件、元件和互聯(lián)線而專門設(shè)計(jì)和制作的。100μm頭發(fā)絲粗細(xì)30μm50μm1μm×1μm（晶體管的大小）（皮膚細(xì)胞大?。╊^發(fā)與晶體管的對(duì)比3.集成電路的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)

－－愛迪生效應(yīng)：為了延長(zhǎng)白熾燈的壽命，1883年，愛迪生在燈泡的碳絲附近焊上一小塊金屬片（實(shí)際并沒能延長(zhǎng)燈泡的壽命），金屬片沒有與燈絲接觸，但如果在它們之間加上電壓，燈絲受熱后，會(huì)產(chǎn)生一股趨向附近的金屬片的電流。當(dāng)時(shí)，愛迪生本人并沒有意識(shí)到這種現(xiàn)象有多少技術(shù)潛力，而轉(zhuǎn)入其他項(xiàng)目的研究。后人認(rèn)識(shí)到愛迪生發(fā)現(xiàn)的是一種“熱電子發(fā)射現(xiàn)象”，有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，把它稱為“愛迪生效應(yīng)”。－－真空二級(jí)管的發(fā)明（1904年弗萊明）

最早預(yù)見到愛迪生效應(yīng)具有實(shí)用價(jià)值的，是英國(guó)物理學(xué)家、工程師弗萊明。利用“愛迪生效應(yīng)”將交流電轉(zhuǎn)化成直流電。用一個(gè)金屬圓筒代替了愛迪生所用的金屬絲，套在燈絲外面，和燈絲一起封在玻璃泡里。這樣，接收電子的面積大大增加了。金屬筒接正電(“陽(yáng)極”)、燈絲接負(fù)電(“陰極”)。這種新誕生的器件，其作用相當(dāng)于一個(gè)只允許電流單向流動(dòng)的閥門，弗萊明就稱它叫做“閥”。后人將其稱為“真空二極管”。真空二極管的發(fā)明標(biāo)志著人類進(jìn)入了電子時(shí)代。－－真空三極管的發(fā)明（1907年德·福雷斯特）直到真空三極管的發(fā)明后，電子管才成為實(shí)用的器件真空三極管除了可以處于放大狀態(tài)外，還可充當(dāng)開關(guān)器件－－晶體管的發(fā)明（1947年肖克利等）在貝爾實(shí)驗(yàn)室,肖克利和兩位同事用幾條金箔片，一片半導(dǎo)體材料和一個(gè)彎紙架制成一個(gè)小模型，可以傳導(dǎo)、放大和開關(guān)電流。他們把這一發(fā)明稱為“點(diǎn)接晶體管放大器”（Point-ContactTransistorAmplifier）。電子革命的“晶體管”。獲得1956年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。稱為“20世紀(jì)最重要的發(fā)明”。－－集成電路的發(fā)明（1958年杰克·基爾比（JackKilby））1958年9月12日，美國(guó)德州儀器工程師基爾比發(fā)明第一顆IC。給電子產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了一場(chǎng)革命，并為無(wú)數(shù)的其它發(fā)明鋪平了道路。1960年3月基爾比所在的德州儀器公司（TexasInstrumentInc）制造出了第一個(gè)商用的集成電路。

2000年的10月10日，七十七歲的基爾比獲得2000年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這個(gè)獎(jiǎng)距離他的發(fā)明已經(jīng)四十二年。杰克·基爾比集成電路的出現(xiàn)，為開發(fā)電子產(chǎn)品的各種功能鋪平了道路，并且大幅度降低了成本，第三代電子器件從此登上舞臺(tái)。它的誕生，使微處理器的出現(xiàn)成為了可能，也使計(jì)算機(jī)變成普通人可以親近的日常工具。集成技術(shù)的應(yīng)用，催生了更多方便快捷的電子產(chǎn)品。－－摩爾定律的提出（1965年，戈登?摩爾）1965年，戈登?摩爾在《電子》雜志上發(fā)表了一篇預(yù)測(cè)未來(lái)集成電路發(fā)展趨勢(shì)的文章，它就是摩爾定律的原身,即所謂每18個(gè)月，相同面積大小的芯片內(nèi)，晶體管數(shù)量會(huì)增長(zhǎng)一倍的規(guī)則.在IT行業(yè)有一個(gè)神話，這個(gè)神話就是一條定律（“摩爾定律”）把一個(gè)企業(yè)帶到成功的頂峰。摩爾定律提出3年后，英特爾公司誕生了.信息產(chǎn)業(yè)幾乎嚴(yán)格按照這個(gè)定律以指數(shù)方式領(lǐng)導(dǎo)著整個(gè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的步伐弗來(lái)明德·福雷斯特肖克利杰克·基爾比戈登?摩爾集成電路的發(fā)展經(jīng)歷了：20世紀(jì)70年代初:SSI(SmallScaleIntegration),僅包含幾個(gè)邏輯門，（1到10個(gè)門不等），實(shí)現(xiàn)一些基本的“與非”或“或非”邏輯.幾年后,MSI(MediumScaleIntegration),做成常用功能塊,計(jì)數(shù)器,譯碼器等20世紀(jì)80年代開始進(jìn)入LSI(LargeScaleIntegration),較強(qiáng)的集成功能,開始出現(xiàn)16位處理器,MotoralM68000(7萬(wàn)個(gè)晶體管),Intel80286(12.5萬(wàn)個(gè)晶體管),80386(27.5萬(wàn)個(gè)晶體管)等20世紀(jì)90年代:VLSI(VeryLargeScaleIntegration),具有電路與系統(tǒng)的單片集成功能。32位處理器,80486,超過(guò)100萬(wàn)個(gè)晶體管;98年P(guān)entiumIII1000萬(wàn)個(gè)晶體管ULSI(UltraLSI),GLSI(GiantLSI)，SOC/SOPC系統(tǒng):IntelPrescott系列處理器(正式為Pentium4E),內(nèi)部集成一億兩千五百萬(wàn)個(gè)晶體管；2GHz的Pentium-M移動(dòng)芯片。現(xiàn)在，64位雙核處理器已經(jīng)普及，處理器的制造工藝已經(jīng)達(dá)到0.045微米級(jí)，其集成度更高。

21世紀(jì)的微電子技術(shù)將從目前的3G時(shí)代逐漸發(fā)展到3T時(shí)代，即存儲(chǔ)器量由Gb發(fā)展到Tb，集成電路中器件的速度由GHz發(fā)展到THz，數(shù)據(jù)傳輸速率由Gbps發(fā)展到Tbps。由于集成電路工藝的發(fā)展，芯片的集成度增加的同時(shí)尺寸將不斷減小。SoC(System-on-Chip)將繼續(xù)得到發(fā)展，成為集成電路的主流之一。SoC技術(shù)始于20世紀(jì)90年代中期,隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展,IC設(shè)計(jì)者能夠?qū)⒂鷣?lái)愈復(fù)雜的功能集成到單硅片上,SoC正是在集成電路(IC)向集成系統(tǒng)(IS)轉(zhuǎn)變的大方向下產(chǎn)生的。

晶圓的尺寸增加,當(dāng)前的主流晶圓的尺寸為8英寸,正在向12英寸晶圓邁進(jìn)。

多媒體工作站系統(tǒng)集成芯片二集成電路基礎(chǔ)知識(shí)

1.集成電路的基本概念2.集成電路的分類1.集成電路（IC）的幾個(gè)基本概念–形狀:一般為正方形或矩形–面積:幾平方毫米到幾百平方毫米。面積增大引起功耗增大、封裝困難、成品率下降，成本提高，可通過(guò)增大硅圓片直徑來(lái)彌補(bǔ)。–集成度，規(guī)模:包含的晶體管數(shù)目或等效邏輯門(2輸入的NAND)的數(shù)量1個(gè)2輸入的NAND=4個(gè)晶體管（NAND：與非門）–特征尺寸：集成電路器件中最細(xì)線條的寬度，對(duì)MOS器件常指柵極所決定的溝道幾何長(zhǎng)度，是一條工藝線中能加工的最小尺寸。反映了集成電路版圖圖形的精細(xì)程度，特征尺寸的減少主要取決于光刻技術(shù)的改進(jìn)（光刻最小特征尺寸與曝光所用波長(zhǎng)）。–硅圓片直徑：考慮到集成電路的流片成品率和生產(chǎn)成本，每個(gè)硅圓片上的管芯數(shù)保持在300個(gè)左右。–封裝：把IC管芯放入管殼內(nèi)并加以密封，使管芯能長(zhǎng)期可靠地工作2.集成電路的分類按器件結(jié)構(gòu)分類－－雙極型集成電路－－MOS集成電路－－BiCOMS集成電路

MOS型PMOSNMOSCMOS雙極型飽和型非飽和型TTLI2LECL/CMLBiCMOS雙極型集成電路具有速度高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其功耗大，集成度相對(duì)低。MOS集成電路優(yōu)點(diǎn)：輸入阻抗高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)且適合大規(guī)模集成，特別是COMS集成電路有著特殊的優(yōu)點(diǎn)，如靜態(tài)功耗幾乎為零，輸出邏輯電平可為VDD或VSS，上升和下降時(shí)間處于同數(shù)量級(jí)等，因而COMS集成電路產(chǎn)品已成為集成電路的主流之一。BiCOMS集成電路則綜合了雙極和MOS集成電路的優(yōu)點(diǎn)，但其制造工藝復(fù)雜，成本較高。按功能分類－－通用集成電路－－專用集成電路ASIC－－專用標(biāo)準(zhǔn)電路ASSP按設(shè)計(jì)制造方法分類－－全定制FullCustom－－半定制Semi-Custom－－可編程ProgrammableASIC－－通用集成電路：市場(chǎng)上能買到的具有通用功能的集成電路例如：74系列，4000系列,Memory芯片,CPU芯片等－－專用集成電路ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuits）針對(duì)某一電路系統(tǒng)的要求而專門設(shè)計(jì)制造的;具有特定電路功能,通常市場(chǎng)上買不到的優(yōu)點(diǎn)：較好的性能價(jià)格比，減少了元件數(shù),使系統(tǒng)體積縮小,功耗降低，提高了電子系統(tǒng)的可靠性和保密性，例如：玩具狗芯片通信衛(wèi)星芯片計(jì)算機(jī)工作站CPU中存儲(chǔ)器與微處理器間的接口芯片－專用標(biāo)準(zhǔn)電路ASSP(Application-SpecificStandardProducts)有些專用芯片又有許多系統(tǒng)銷售商在販賣例如：PC機(jī)的控制芯片調(diào)制解調(diào)(Modem)芯片

DVDdecoder,VCDdecoderAudioDAC,MotorServoDSP－全定制IC:硅片沒有經(jīng)過(guò)加工，其各掩膜層都要按特定電路的要求進(jìn)行專門設(shè)計(jì)－半定制IC:全部邏輯單元是預(yù)先設(shè)計(jì)好的,可以從單元庫(kù)中調(diào)用所需單元來(lái)掩膜圖形（標(biāo)準(zhǔn)單元方法和門陣列），可使用相應(yīng)的EDA軟件，自動(dòng)布局布線。－可編程IC:全部邏輯單元都已預(yù)先制成,不需要任何掩膜,利用開發(fā)工具對(duì)器件進(jìn)行編程,以實(shí)現(xiàn)特定的邏輯功能.分為可編程邏輯器件和現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件三半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.半導(dǎo)體基礎(chǔ)2.PN結(jié)1.半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體是構(gòu)成二極管和晶體管的基礎(chǔ)，而二極管和晶體管又是整個(gè)微電子學(xué)的心臟。（1）什么是半導(dǎo)體

半導(dǎo)體指其導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一種材料，它的電學(xué)性能對(duì)溫度、所含雜質(zhì)、光照等十分敏感。劃分導(dǎo)體，半導(dǎo)體，絕緣體的依據(jù)：電阻率（或電導(dǎo)率）從電阻率上分，固體分為三大類。在室溫下：金屬：ρ<10Ω·cm半導(dǎo)體：ρ=10Ω·cm~10E4Ω·cm絕緣體：ρ>10E4Ω·cm（2）半導(dǎo)體的特性溫度對(duì)半導(dǎo)體性能的影響一般金屬的導(dǎo)電能力隨溫度上升而下降，且變化不明顯。但硅的導(dǎo)電能力隨溫度上升而增加，且變化非常明顯。舉個(gè)例子：Cu：30C－>100C增加不到一半（正溫度系數(shù)）Si：20C－>30C減小了一半（負(fù)溫度系數(shù)）雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體性能的影響

一般材料純度在99.9％已認(rèn)為很高了，有0.1％的雜質(zhì)不會(huì)影響物質(zhì)的性質(zhì)。而半導(dǎo)體材料不同，純凈的硅在室溫下：＝21400Ω·cm如果在硅中摻入雜質(zhì)磷原子，使硅的純度仍保持為99.9999％。則其電阻率變?yōu)椋海?.2Ω·cm。因此，可利用這一性質(zhì)通過(guò)摻雜質(zhì)的多少來(lái)控制硅的導(dǎo)電能力。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨光照而發(fā)生顯著變化半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨外加電場(chǎng)、磁場(chǎng)的作用而發(fā)生變化（3）能級(jí)與能帶半滿帶禁帶價(jià)帶價(jià)帶禁帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體絕對(duì)零度時(shí)，導(dǎo)帶中不存在電子；當(dāng)外界條件改變時(shí)，價(jià)帶中電子將躍遷到導(dǎo)帶中，導(dǎo)帶中的電子在外電場(chǎng)作用下參與導(dǎo)電，對(duì)于半導(dǎo)體，價(jià)帶中的空穴也參與導(dǎo)電；金屬中，由于組成金屬的原子中的價(jià)電子占據(jù)的能帶是部分占滿的，所以金屬是良導(dǎo)體。絕緣體與半導(dǎo)體的區(qū)別？（4）P型和N型半導(dǎo)體（以硅為例）半導(dǎo)體中的兩種載流子：帶負(fù)電荷的電子和帶正電荷的空穴。

ni－－本征半導(dǎo)體電子濃度

pi－－本征半導(dǎo)體空穴濃度純凈硅為本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體中載流子的濃度在室溫下（T＝300K）：

ni=pi≈1.25×1010/cm3且乘積恒定：nipi=ni2

當(dāng)硅中摻入Ⅴ族元素，如磷、砷、銻時(shí)，硅中多數(shù)載流子為電子，這種半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。當(dāng)硅中摻入Ⅲ族元素，如硼、鋁、鎵、銦時(shí)，硅中多數(shù)載流子為空穴，這種半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子為電子，少數(shù)載流子為空穴。P型半導(dǎo)體則相反。

摻雜量雖然很少，但相對(duì)于本征載流子卻多得多，如硅的中等摻雜濃度為：1017/cm3非本征半導(dǎo)體中，熱平衡條件下