半導(dǎo)體集成電路-01緒論

2023/2/21半導(dǎo)體集成電路2023/2/22第0章：緒論集成電路的基本概念？？？？過(guò)去、現(xiàn)狀、發(fā)展國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀2023/2/23提綱集成電路的概念集成電路的過(guò)去，現(xiàn)在和未來(lái)我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀本課程主要內(nèi)容教材及主要參考資料課程要求及考核方法2023/2/24提綱--1集成電路的概念

1.什么是集成電路？

2.相關(guān)基本概念

3.集成電路的分類2023/2/25

什么是集成電路？電阻電容二極管三極管是不是集成電路？集成電路的概念2023/2/26將電子元器件按照一定的要求連接起來(lái),完成一定的功能集成電路的定義將所有元器件和連線做在同一個(gè)基板上,組成系統(tǒng)電路集成集成電路的概念2023/2/27

集成電路—微電子技術(shù)的核心IntegratedCircuit，縮寫

IC通過(guò)一系列特定的加工工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無(wú)源器件，按照一定的電路互連，“集成”在一塊半導(dǎo)體單晶片（如硅或砷化鎵）上，封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能集成電路的概念2023/2/28日常生活中的集成電路無(wú)處不在，徹底滲入并改變了人類生活集成電路的概念2023/2/29集成電路的概念

相關(guān)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)增大硅園片直徑來(lái)彌補(bǔ)。晶圓尺寸(WaferSize)芯片尺寸(DieSize)6英寸、8英寸、12英寸幾平方毫米到幾百平方毫米2023/2/210

集成度、規(guī)模：每塊芯片包含的晶體管數(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)晶體管集成電路的概念2023/2/211

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)）。2023/2/212按電路規(guī)模分類按導(dǎo)電載流子類型分類按電路處理信號(hào)方式分類按實(shí)現(xiàn)方法分類按電路功能分類按設(shè)計(jì)方法分類

集成電路的分類2023/2/213小規(guī)模集成電路

(SmallScaleIC，SSI)中規(guī)模集成電路(MediumScaleIC，MSI)大規(guī)模集成電路

(LargeScaleIC，LSI)超大規(guī)模集成電路

(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大規(guī)模集成電路

(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大規(guī)模集成電路

(GiganticScaleIC，GSI）集成電路的分類-1按電路規(guī)模分類2023/2/214劃分集成電路規(guī)模的標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)字集成電路

類

別

MOSIC

雙極IC

模擬集成電路

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集成電路的分類-2

按導(dǎo)電載流子類型分類（實(shí)現(xiàn)工藝）電流I參與導(dǎo)電的載流子既有空穴又有電子，稱為雙級(jí)型BJT型BipolarJunctionTransistor電流I參與導(dǎo)電的載流子只有空穴或電子，稱為單級(jí)型MOS型MOSTransistorBi-CMOS2023/2/216集成電路的分類-3

按電路處理信號(hào)方式分類輸入與輸出量均為二進(jìn)制的數(shù)字，不是高電平，既是低電平，在數(shù)字電路中表現(xiàn)為“0”，“1”。數(shù)字集成電路01模擬集成電路輸入與輸出量為連續(xù)變化的模擬量數(shù)模混合集成電路2023/2/217混合集成電路由半導(dǎo)體集成電路，膜集成電路和分離元件中至少兩種構(gòu)成的集成電路半導(dǎo)體集成電路半導(dǎo)體單晶為基片，將構(gòu)成電路的各元器件制作于同一基片上，布線連接構(gòu)成的集成電路薄膜集成電路由金屬和金屬合金薄膜以及半導(dǎo)體薄膜制成元器件，布線連接構(gòu)成的集成電路按實(shí)現(xiàn)方法分類集成電路的分類-42023/2/218按電路功能分類集成電路的分類-5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芯片等專用標(biāo)準(zhǔn)集成電路有些專用芯片又有許多系統(tǒng)銷售商在販賣ASSP例如：Modem

DVDdecoderVCDdecoder專用集成電路針對(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ASIC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2023/2/219ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuits)ASSP(Application-SpecificStandardProducts)2023/2/220集成電路的分類-6按設(shè)計(jì)方法分類全定制（FullCustom）IC:硅片沒(méi)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（Semi-Custom）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（Programmable）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2023/2/2212023/2/222中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)秘書長(zhǎng)徐小田

集成電路是當(dāng)今世界高科技電子產(chǎn)品的心臟和靈魂，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)信息化的重要支柱，也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)自主健康發(fā)展的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)和基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)不可能擁有現(xiàn)在的E生活

2023/2/223提綱--2二.集成電路的過(guò)去、現(xiàn)在與未來(lái)

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臺(tái)計(jì)算機(jī)大?。洪L(zhǎng)24m，寬6m，高2.5m速度：5000次/sec；重量：30噸；功率：25KW；平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間：7min這樣的計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)入辦公室、車間、連隊(duì)和家庭？當(dāng)時(shí)有的科學(xué)家認(rèn)為全世界只要4臺(tái)ENIAC目前，全世界計(jì)算機(jī)不包括微機(jī)在內(nèi)有幾百萬(wàn)臺(tái)，微機(jī)總量約6億臺(tái)，每年由計(jì)算機(jī)完成的工作量超過(guò)4000億人年工作量2023/2/2271946年1月，Bell實(shí)驗(yàn)室正式成立半導(dǎo)體研究小組,W.Schokley，J.Bardeen、W.H.BrattainBardeen提出了表面態(tài)理論，Schokley給出了實(shí)現(xiàn)放大器的基本設(shè)想，Brattain設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)1947年12月23日，第一次觀測(cè)到了具有放大作用的晶體管2023/2/228TheTransistorRevolution(1948)FirsttransistorBellLabs2023/2/229J.BardeenW.SchokleyW.H.Brattain1956年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)2023/2/230TheFirstIntegratedCircuits(1958)

J.S.Kilby杰克·基爾比2000年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)2023/2/231TheFirstBipolarlogic1960’s2023/2/232

Intel4004Microprocessorintroducedin1971108KHzclockrate10micron2300transistors2023/2/2331979年3月

16Bit29000晶體管

5到8MHz1.5um1985年10月

32Bit275000晶體管

16到32MHz1um8088Intel3862023/2/2341989年4月

32Bit1,200,000晶體管

25到50MHz1-0.8umIntel4861993年3月

32Bit3,100,000晶體管

60到166MHz0.8umPentium2023/2/235IntelPentium(IV)MicroprocessorP6(PentiumPro)in1996150to200MHzclockrate196mm**25.5Mtransistors(externalcache)0.35micron4layersmetal3.3voltVDD>20Wtypicalpowerdissipation387pins2023/2/236集成電路的作用小型化價(jià)格急劇下降功耗降低故障率降低2023/2/237集成電路發(fā)展的規(guī)律1965年英特爾公司主要?jiǎng)?chuàng)始人摩爾提出了“隨著芯片上電路的復(fù)雜度提高，元件數(shù)目必將增加，每個(gè)元件的成本將每年下降一半”，這個(gè)被稱為“摩爾定律”的預(yù)言成為了以后幾十年指導(dǎo)集成電路技術(shù)發(fā)展的最終法則。2023/2/238集成電路技術(shù)是近50年來(lái)發(fā)展最快的技術(shù)按此比率下降，小汽車價(jià)格不到1美分微電子技術(shù)的進(jìn)步2023/2/239微電子發(fā)展史上的幾個(gè)里程碑1962年Wanlass、C.T.Sah——CMOS技術(shù)現(xiàn)在集成電路產(chǎn)業(yè)中占95%以上1967年Kahng、S.Sze——非揮發(fā)存儲(chǔ)器1968年Dennard——單晶體管DRAM1971年Intel公司微處理器——計(jì)算機(jī)的心臟目前全世界微機(jī)總量約6億臺(tái)，在美國(guó)每年由計(jì)算機(jī)完成的工作量超過(guò)4000億人年工作量。美國(guó)歐特泰克公司認(rèn)為：微處理器、寬頻道連接和智能軟件將是21世紀(jì)改變?nèi)祟惿鐣?huì)和經(jīng)濟(jì)的三大技術(shù)創(chuàng)新2023/2/240摩爾定律開始受到挑戰(zhàn)、技術(shù)在未來(lái)10-15年仍可保持線性發(fā)展90nm技術(shù)、300mm硅片、銅互連工藝、SOC成為四大熱點(diǎn)2023/2/241提綱--3三.集成電路在我國(guó)的現(xiàn)狀

2023/2/242集成電路技術(shù)在我國(guó)的現(xiàn)狀中國(guó)集成電路生產(chǎn)量的推移歷史悠久1950～較長(zhǎng)的低迷期1950～1978緩慢增長(zhǎng)1978～1992急速增長(zhǎng)1992～2023/2/243中國(guó)和世界半導(dǎo)體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)民用比率34％！真正開始了生產(chǎn)!!!計(jì)算機(jī)用民用通訊設(shè)備工業(yè)生產(chǎn)2023/2/244中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀1。九十年代的狀況1990年代中期技術(shù)落后2～3代!!!

外資1997年３４家半導(dǎo)體公司產(chǎn)量超過(guò)1000萬(wàn)個(gè)的公司只有5家！90年代的芯片加工國(guó)有企業(yè)：華晶電子（無(wú)錫市）外資企業(yè)：

貝爾微電子（上海市）

首鋼日電電子（北京市）

上海菲利普（上海市）

上海華虹NEC（上海市）

集成度256K，線寬１～２微米6英寸硅片技術(shù)2023/2/245２．1995年～2001年中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀中共中央國(guó)務(wù)院《關(guān)于鼓勵(lì)軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干政策》

國(guó)發(fā)[2000]18號(hào)財(cái)政部、國(guó)家稅務(wù)總局關(guān)于部分國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)國(guó)外流片加工的集成電路產(chǎn)品進(jìn)口稅收政策通知

財(cái)稅[2002]140號(hào)2023/2/246中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

世界IT的不景氣與中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中國(guó)IC市場(chǎng)的変化２．1995年～2001年20001年，在全球IT不景氣的情況下，中國(guó)電子信息產(chǎn)品的市場(chǎng)規(guī)?？傤~比2000年增長(zhǎng)了30％！20001中國(guó)IC市場(chǎng)銷售額為104.6億美元，與2000年相比看起來(lái)只是5.5%的小幅增長(zhǎng)，但是，從中國(guó)以外的市場(chǎng)為負(fù)20％的增長(zhǎng)來(lái)看，可以說(shuō)中國(guó)維持了相對(duì)的高增長(zhǎng)！2023/2/247中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀３．2000年以後

2000-2005年中國(guó)集成電路生產(chǎn)銷售狀況2023/2/248３．2000年以後

2000-2005年中國(guó)集成電路出口情況

項(xiàng)目2000年2001年2002年2003年2004年2005年出口量（億個(gè)）40.433.0255.93110.98162.26216.09增長(zhǎng)率(%)-3.48-18.2769.3898.4346.2133.18出口金額(億美元)19.7216.8922.4659.67105.23137.54增長(zhǎng)率(%)4.36-14.3432.98165.6976.3630.71

2000-2005年中國(guó)集成電路進(jìn)口情況

項(xiàng)目2000年2001年2002年2003年2004年2005年進(jìn)口量（億個(gè)）205.47200.56261.09469.15628.17753.7增長(zhǎng)率(%)18.8-2.3930.1879.6933.920進(jìn)口金額(億美元)95.2103.84140.37401.61600.78810.24增長(zhǎng)率(%)26.359.0835.18186.149.5934.87中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀2023/2/249３．2000年以後2005年中國(guó)IC市場(chǎng)一躍為世界第一！中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀2023/2/250中國(guó)IC產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)到200５年年底將近770個(gè)公司設(shè)計(jì)５00多家其他110家IC制造約50家封裝測(cè)試110家2023/2/251中國(guó)IC產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)2000、2005中國(guó)IC設(shè)計(jì)、制造、封裝業(yè)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設(shè)計(jì)制造封裝測(cè)試2023/2/2522005中國(guó)IC設(shè)計(jì)、制造、封裝業(yè)比例2023/2/253XI’ANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY中國(guó)IC產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)IC設(shè)計(jì)IC制造IC封裝測(cè)試消費(fèi)類珠海炬力·杭州仕蘭微·北京希格瑪晶華微·深圳國(guó)微（VCD,MCU,AudioIC）其他類杭州有旺、紹興芯谷、無(wú)錫友達(dá)、無(wú)錫矽科動(dòng)力（電源IC、功率放大器）大陸南通富士通、（DIP/TSOP/QFP/SiP）、長(zhǎng)電科技（DIP/SO/QFP)天水華天（BGA/FC/MCM)上海紀(jì)元無(wú)錫華潤(rùn)矽科（數(shù)字音視頻IC、通訊IC）北京海爾設(shè)計(jì)（數(shù)字電視、衛(wèi)星接受IC）北京華虹設(shè)計(jì)（數(shù)字電視、數(shù)字投影議、手機(jī)IC）網(wǎng)通類深圳中興微（移動(dòng)通訊芯片）、晨訊（3G芯片）大唐微電子（智能卡、WLAN)IC卡類北京中電華大北京清華同方（二代身份證芯片）上海華虹、上海復(fù)旦（智能卡）電腦類北京中星微（手機(jī)芯片）、PC攝影類芯片）IDM廠無(wú)錫華潤(rùn)微、上海貝嶺、華越微電子代工廠中芯、上海華虹NEC、和艦、上海先進(jìn)、上海宏力、華潤(rùn)上華、上海新進(jìn)首鋼日電臺(tái)灣日月光、矽品外資Freescale、威訊聯(lián)合、ST、Intel、infineen、Reneses、Samsung、Amkor2023/2/254連云港

Lianyungang

上海

Shanghai以上海為中心的長(zhǎng)江三角洲北京

Beijing香港

HongKong北京、天津環(huán)渤海地區(qū)広州

Guang

Zhou以廣州為中心的珠江三角洲烏魯木齊

Urumchi成都

Chengdu重慶

Chongqing西安

Xi’an中國(guó)西部西部地區(qū)2023/2/2552023/2/256現(xiàn)有IC生產(chǎn)線2000200120022003200420052006中芯宏力和艦華虹NEC上海先進(jìn)華潤(rùn)上海350nm250nm180nm130nm90nm250nm180nm350nm130nm180nm130nm250nm350nm180nm250nm350nm250nm350nm1500/1000/700nm350nm350nm/６“400～600nm/６“國(guó)內(nèi)現(xiàn)有8英寸生產(chǎn)線10條6英寸生產(chǎn)線12條12英寸芯片生產(chǎn)線2條5英寸生產(chǎn)線9條4英寸生產(chǎn)線14條共計(jì)47條2023/2/257中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展特征產(chǎn)業(yè)規(guī)模增大設(shè)計(jì)和芯片制造的比列增大電路設(shè)計(jì)業(yè)發(fā)展迅猛產(chǎn)業(yè)發(fā)展特征海外留學(xué)生歸國(guó)創(chuàng)業(yè)

產(chǎn)業(yè)的“群聚”效果明顯2023/2/258中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)存在的問(wèn)題產(chǎn)業(yè)規(guī)模依然偏小、市場(chǎng)份額偏低依然存在巨大的需求與供給能力失配自主創(chuàng)新能力不足集成電路的支撐產(chǎn)業(yè)滯后，如：設(shè)備、材料等人才缺乏2023/2/2592023/2/2602003年6月科技部七個(gè)國(guó)家集積回路産業(yè)化基地を設(shè)置北京、上海、杭州、無(wú)錫、西安、成都、深圳2023/2/2612023/2/2622003年10月，教育部、科技部聯(lián)合批準(zhǔn)了9所高校為首批國(guó)家集成電路人才培養(yǎng)的建設(shè)單位清華大學(xué)、北京大學(xué)、浙江大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、東南大學(xué)、電子科技大學(xué)、華中科技大學(xué)2023/2/263集成電路人才在我國(guó)的現(xiàn)狀集成電路人才缺口巨大如果集成電路設(shè)計(jì)業(yè)市場(chǎng)每年以平均60％以上的速度增長(zhǎng)，到2010年將達(dá)到約1000億元人民幣產(chǎn)值，屆時(shí)將需要集成電路設(shè)計(jì)師5－10萬(wàn)人，而目前我國(guó)僅有集成電路設(shè)計(jì)人員約10000人，人才嚴(yán)重不足成為我國(guó)集成電路設(shè)計(jì)業(yè)的最大瓶頸。集成電路制造業(yè)人才缺乏同樣十分緊迫。2023/2/264集成電路人才在我國(guó)的現(xiàn)狀

我國(guó)集成電路設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)規(guī)模嚴(yán)重不足據(jù)統(tǒng)計(jì)，2004年我國(guó)本科微電子學(xué)專業(yè)有31個(gè)專業(yè)點(diǎn)，2003年畢業(yè)本科生459人，招生1431人，在校生3899人；全國(guó)有4000多名集成電路工學(xué)/理學(xué)碩士在校生?？偣灿屑呻娐吩O(shè)計(jì)和微電子專業(yè)在校生7900多人，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足發(fā)展的需求。培養(yǎng)高級(jí)集成電路人才已是我國(guó)高等教育界的當(dāng)務(wù)之急。

但是，如果把與微電子相關(guān)的專業(yè)計(jì)算在內(nèi)：如電子信息科學(xué)與技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程、光信息科學(xué)與技術(shù)、固體物理與半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信息安全、通訊工程、電氣工