《电子信息科学技术导论黄载禄二版电子教案第八章 微电子学与集成电路-2016》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子信息科学技术导论黄载禄二版电子教案第八章 微电子学与集成电路-2016（100页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第八章 微电子学与集成电路,“十二五” 普通高等教育本科国家级规划教材 电子信息科学与技术导论第二版,微电子学涉及固体物理学、量子力学、材料科学、化学、半导体器件物理、电子线路、计算机辅助设计、图论、集成电路设计、工艺和测试等多个领域。微电子学与集成电路关系到信息产业、电子工业、航天工业、机械工业、自动化、国防工业等国民经济各部门。一个国家集成电路的生产能力反映了这个国家的科学技术和基础工业水平，并成为一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。 微电子学归属“电子科学与技术”（一级学科），并涉及“物理电子学”、“微电子与固体电子学”、“电路与系统”和“电磁场与微波技术”等二级学科，也关系“微电子
2、科学与工程”、“集成电路设计与集成系统”等大学本科专业。 本章以集成电路为主线，着重介绍微电子学和集成电路的基础知识、主要概念及制造工艺，目的是使“信息类专业”的学生对该领域有一个基本了解。,前 言,第八章 微电子学与集成电路,8.1 微电子学发展历程 8.2 集成电路的分类 8.3 集成电路材料 8.4 集成电路元器件 8.5 集成电路基本制造工艺 8.6 集成电路封装与测试 8.7 集成电路设计 8.8 微电子技术的发展方向 8.9 微电子产业的战略地位,Integrated Circuit ，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、电感等无源器件，按照一
3、定的电路互连，“集成”在一块半导体晶片（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的一种器件。,集成电路芯片显微照片,集成电路是什么？,8.1 微电子学发展历程,各种封装好的集成电路,集成电路的出现，已使电子设备整机与电路元件器件之间的原有界限被打跛，器件问题、电路问题和整机系统问题已经结合在一小块硅片上，形成了固体物理、器件工艺与电子学三者交叉的新技术学科微电子学。,微电子学微型电子学 核心集成电路,集成电路的生产加工工艺涉及精密机械、光学、化学等领域，集成电路技术的广泛渗透和延拓，已使微电子学成为了一个由众多学科交叉的边缘性学科。集成电路的生产装备水平是一个国家科学技术水平
4、的综合体现；集成电路既是一个国家工业信息化大厦顶尖上的一颗宝石，又是这一大厦的基石。,1,3,一、微电子学发展历程,1. 晶体管的发明 1946年1月：Bell实验室正式成立半导体研究小组, W. Schokley（肖克莱）、J. Bardeen（巴丁）、W. H. Brattain（布拉顿）、Bardeen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（Ge晶体管，100倍放大）；1947-1948年：世界上第一只晶体三极管面世； 1950年：成功研制出结型晶体管；半导体晶体管的发明是微
5、电子技术发展中第一个里程碑，它使电子技术从真空转为固体，从而电子设备进入小型化、轻量化和省能源化迅速取代了电子管成为主流器件。 半导体晶体管的发明开创了世界电子科技的新时代。1956年分享了诺贝尔物理学奖。,1,3,1947年12月23日 第一个晶体管 NPN Ge晶体管W. Schokley J. Bardeen W. Brattain,1,3,一、微电子学发展历程,晶体管发明后不到5年，英国皇家雷达公司的达默(GWADummer)首先提出了集成电路的概念。 1952年5月，他提出在一块固体块上的无连线的电子设备即将诞生。这种固体块可以由绝缘体、导体和具有整在流和放大作用的半导体结构组成。
6、1958年:由美国得克萨斯仪器公司的工程师基尔比(CKilby)把达默的猜想变成了现实，用Ge制造出了世界上第一块固体电路块集成电路在基尔比发明的集成电路基础上（间隔数月），美国硅谷的仙童公司诺依斯(RNNoyce)工程师提出用平面处理技术来实现集成电路的大规模生产(Si制造)，随后创办了巨大的集成电路产业。1966年: 基尔比、诺依斯被富兰克林学会同时授予美国科技人员的最高奖：巴兰丁奖章。,2、从晶体管到集成电路,1,3,一、微电子学发展历程,1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片,1963年：F.M.Wanlass和C.T.Sah发明了CMOS技术，为集成电路
7、产业的发展奠定了坚实的基础。 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：Kahng、S. Sze（施敏）发明了非挥发存储器；为微型计算机的发明奠定了坚实的基础； 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。 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5MHz 8088微处理器，之后，IBM基于8088推出全球第一台PC。,1960年：世界上成功制造出第一块MOS集
8、成电路；,在新技术的推动下，集成电路自发明以来五十多年，集成电路芯片的集成度每3年提高4倍，而加工特征尺寸缩小 倍。这就是由Intel公司创始人之一Gordon E. Moore博士（1929年生，1954年加州理工物理化学博士，与罗伯特诺伊斯、安迪格鲁夫共创INTEL公司，INTELIGENCE)1965年总结的集成电路的发展规律，被称之为摩尔定律。,1，摩尔定律：,二、微电子技术发展规律,制程进化速度的最优值显然是会随着市场和技术条件而改变的，而摩尔在五十年前观察到的“每两年特征尺寸减半”的经验性最优值也并非物理定律不可能永远有效。换句话说，摩尔定律需要有人来不停地维护和修正。这个维护的人
9、就是ITRS,全称International Templar Research Society中文是国际圣殿骑士研究协会，各大半导体制造厂商（比如Intel，TSMC，Samsung等）发展的规划是经由ITRS讨论后决定的。 在摩尔定律提出至今，制程进化的速度已经被修正了两次。最早摩尔1965年在Electronics Magazine上提出的速度是每年晶体管数量翻倍，到了1975年摩尔本人在IEDM（国际电子器件大会）上修正为每两年晶体管数量翻倍。之后每两年翻倍的发展速度维持到大约2013年，之后ITRS将未来蓝图修正为每三年晶体管数量翻倍。,（1）特征尺寸越来越小；（2）芯片尺寸越来越大；
10、（3）单片上的晶 体管数越来越多；（4）时钟速度越来越快；（5）电源电压越来越低； （6）布线层数越来越多；（7）输入/输出(I/O)引脚越来越多。,2，集成电路的发展特点：,注：2011年，英特尔已经为其22nm的Haswell微架构处理器采用FinFET技术进行量产; 2014年Intel 宣布以14nm制程的代号“Broadwell”的第五代Core i处理器问世； 2015年7月15日,IBM展示7nm工艺处理器震惊了科技圈，把工艺做到7nm，2017完成研发。,CPU 80286及Pentium Pro(TM)芯片的显微照片,Intel 0.09um工艺256MB SRAM芯片显微照
11、片,1, 双极集成电路：主要由双极晶体管构成 NPN型双极集成电路 PNP型双极集成电路,一、按器件结构类型分类,8.2 集成电路的分类,NPN型双极晶体管,PNP型双极晶体管,N、P指半导体类型：N型半导体中自由电子和“正离子”（失去一个电子）多，P型半导体中空穴和“负离子”（获得一个电子）多。这是半导体物理学中要学习的原理。,2, MOS集成电路：主要由MOS晶体管构成 NMOS PMOS CMOS(互补MOS),MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) 金属-氧化物-半导体结构的晶体管简称MOS晶体管，有P型MOS管和N型MOS管之分。由 MOS管构成的集成电路称为
12、MOS集成电路，而由PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为 CMOS-IC（ Complementary MOS Integrated Circuit）。目前使用最最广泛的集成电路是CMOS IC，CMOS IC功耗低、抗干扰能力强。,3，双极-MOS(BiMOS)集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点。,由双极型门电路和互补金属-氧化物-半导体（CMOS）门电路构成的集成电路。特点是将双极（Bipolar）工艺和CMOS工艺兼容，在同一芯片上以一定的电路形式将双极型电路和CMOS电路集成在一起 ，兼有高密度 、低
13、功耗和高速大驱动能力等特点 。高性能BiCMOS电路于20世纪80年代初提出并实现，主要应用在高速静态存储器、高速门阵列以及其他高速数字电路中，还可以制造出性能优良的模数混合电路，用于系统集成。有人预言，BiCMOS集成电路是继CMOS集成电路形式之后的下一代高速集成电路形式。,二、按集成度分类,注：SSI-小规模；MSI-中规模；LSI-大规模；VLSI-超大规模；ULSI-特大规模；GSI-吉规模。,按晶体管数目划分的集成电路规模,1，单片集成电路：电路中所有的元器件都制作在同一块半导体基片上的集成电路。 2，混合集成电路：用薄膜技术在玻璃、微晶玻璃、镀釉或抛光氧化铝陶瓷基片上制备无源元件
14、和电路元件间的互连线，再将有源器件的芯片和不便用薄膜工艺制作的元件采用厚膜技术组装成一块完整电路。厚膜集成电路：膜层厚度一般为740微米。薄膜集成电路：膜厚度小于1微米。,三、按使用的基片材料分类,四、按电路的功能分类,1，数字集成电路(Digital IC)：如RAM存储器（USB中的存储器等） 2，模拟集成电路(Analog IC)：如放大器。 3，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。,1，全定制集成电路(Full Custom Design Approach)全定制集成电路是指按照用户要求，开发设计的专用集成电路
15、。通常可达到性能价格比最优。 2，半定制集成电路(Semi-Custom Design Approach) 半定制集成电路包括门阵列、门海等。对半定制集成电路，设计者在厂家提供的半成品基础上继续完成最终的设计，一般是在成熟的通用母片基础上追加某些互连线或某些专用电路的互连线掩膜，因此设计周期短。,五、按应用和实现方法分类,3，定制集成电路(Custom Design Approach) 1）标准单元法：将电路设计中可能经常用到的基本逻辑单元的版图按照最佳设计原则， 遵照一定外形尺寸要求，设计好并存入单元库中，需要时调用、拼接、布线。这类集成电路的优点是具有较高的芯片利用率，适用于中批量或者小批
16、量但是性能要求较高的芯片设计。2）积木块法：它以成熟的产品为单元，将整个芯片划分为若干功能模块，规定好各模块之间的接口，分别设计各模块，然后将它们“拼接”起来。该方法的优点是有较大的设计自由度，可以在版图和性能上得到最佳的优化。,4，可编程逻辑器件 可编程逻辑器件（PLDProgrammable Logic Device）：器件的功能不是固定不变的，而是可根据用户的需要而进行改变，即由编程的方法来确定器件的逻辑功能。PLD芯片内的硬件资源和连线资源是由制造厂生产好的，设计者不用到半导体加工厂，可以借助功能强大的设计自动化软件和编程器，自行在实验室、研究室，甚至车间等生产现场进行设计和编程，完成集成电路的设计，十分方便，而且可多次修改自己的设计，且不需更换器件和硬件。,器件为什么能够编程？了解大规模可编程逻辑器件的结构及工作原理； 怎样对器件编程？ 熟悉一种EDA软件的使用方法（工具） 掌握一种硬件描述语言（方法），以设计软件的方式来设计硬件（重点）,8.3 集成电路材料,一、集成电路材料按导电能力可以分为导体、半导体和绝缘体三类 。集成电路要应用到所有三类材料 。,
