半導體集成電路-01緒論

2023/2/21半導體集成電路2023/2/22第0章：緒論集成電路的基本概念？？？？過去、現狀、發(fā)展國內相關產業(yè)發(fā)展現狀2023/2/23提綱集成電路的概念集成電路的過去，現在和未來我國集成電路產業(yè)現狀本課程主要內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,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—微電子技術的核心IntegratedCircuit，縮寫

IC通過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、電容等無源器件，按照一定的電路互連，“集成”在一塊半導體單晶片（如硅或砷化鎵）上，封裝在一個外殼內，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，可通過增大硅園片直徑來彌補。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目或等效邏輯門(2輸入的NAND)的數量1個2輸入的NAND=4個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線條的寬度，對MOS器件常指柵極所決定的溝道幾何長度，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程度，特征尺寸的減少主要取決于光刻技術的改進（光刻最小特征尺寸與曝光所用波長）。2023/2/212按電路規(guī)模分類按導電載流子類型分類按電路處理信號方式分類按實現方法分類按電路功能分類按設計方法分類

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)模的標準

數字集成電路

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

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

按電路處理信號方式分類輸入與輸出量均為二進制的數字，不是高電平，既是低電平，在數字電路中表現為“0”，“1”。數字集成電路01模擬集成電路輸入與輸出量為連續(xù)變化的模擬量數?；旌霞呻娐?023/2/217混合集成電路由半導體集成電路，膜集成電路和分離元件中至少兩種構成的集成電路半導體集成電路半導體單晶為基片，將構成電路的各元器件制作于同一基片上，布線連接構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體薄膜制成元器件，布線連接構成的集成電路按實現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芯片等專用標準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專用集成電路針對某一電路系統(tǒng)的要求而專門設計制造的;具有特定電路功能,通常市場上買不到的ASIC玩具狗芯片；?通信衛(wèi)星芯片?計算機工作站CPU中存儲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按設計方法分類全定制（FullCustom）IC:硅片沒有經過加工，其各掩膜層都要按特定電路的要求進行專門設計半定制（Semi-Custom）IC:全部邏輯單元是預先設計好的,可以從單元庫中調用所需單元來掩膜圖形（標準單元方法和門陣列），可使用相應的EDA軟件，自動布局布線?？删幊蹋≒rogrammable）IC:全部邏輯單元都已預先制成,不需要任何掩膜,利用開發(fā)工具對器件進行編程,以實現特定的邏輯功能.分為可編程邏輯器件和現場可編程邏輯器件2023/2/2212023/2/222中國半導體行業(yè)協(xié)會秘書長徐小田

集成電路是當今世界高科技電子產品的心臟和靈魂，是國民經濟信息化的重要支柱，也是國民經濟自主健康發(fā)展的戰(zhàn)略性產業(yè)和基礎性產業(yè)不可能擁有現在的E生活

2023/2/223提綱--2二.集成電路的過去、現在與未來

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臺計算機大?。洪L24m，寬6m，高2.5m速度：5000次/sec；重量：30噸；功率：25KW；平均無故障運行時間：7min這樣的計算機能夠進入辦公室、車間、連隊和家庭？當時有的科學家認為全世界只要4臺ENIAC目前，全世界計算機不包括微機在內有幾百萬臺，微機總量約6億臺，每年由計算機完成的工作量超過4000億人年工作量2023/2/2271946年1月，Bell實驗室正式成立半導體研究小組,W.Schokley，J.Bardeen、W.H.BrattainBardeen提出了表面態(tài)理論，Schokley給出了實現放大器的基本設想，Brattain設計了實驗1947年12月23日，第一次觀測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獎2023/2/230TheFirstIntegratedCircuits(1958)

J.S.Kilby杰克·基爾比2000年度的諾貝爾物理學獎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年英特爾公司主要創(chuàng)始人摩爾提出了“隨著芯片上電路的復雜度提高，元件數目必將增加，每個元件的成本將每年下降一半”，這個被稱為“摩爾定律”的預言成為了以后幾十年指導集成電路技術發(fā)展的最終法則。2023/2/238集成電路技術是近50年來發(fā)展最快的技術按此比率下降，小汽車價格不到1美分微電子技術的進步2023/2/239微電子發(fā)展史上的幾個里程碑1962年Wanlass、C.T.Sah——CMOS技術現在集成電路產業(yè)中占95%以上1967年Kahng、S.Sze——非揮發(fā)存儲器1968年Dennard——單晶體管DRAM1971年Intel公司微處理器——計算機的心臟目前全世界微機總量約6億臺，在美國每年由計算機完成的工作量超過4000億人年工作量。美國歐特泰克公司認為：微處理器、寬頻道連接和智能軟件將是21世紀改變人類社會和經濟的三大技術創(chuàng)新2023/2/240摩爾定律開始受到挑戰(zhàn)、技術在未來10-15年仍可保持線性發(fā)展90nm技術、300mm硅片、銅互連工藝、SOC成為四大熱點2023/2/241提綱--3三.集成電路在我國的現狀

2023/2/242集成電路技術在我國的現狀中國集成電路生產量的推移歷史悠久1950～較長的低迷期1950～1978緩慢增長1978～1992急速增長1992～2023/2/243中國和世界半導體產品結構民用比率34％！真正開始了生產!!!計算機用民用通訊設備工業(yè)生產2023/2/244中國半導體產業(yè)現狀1。九十年代的狀況1990年代中期技術落后2～3代!!!

外資1997年３４家半導體公司產量超過1000萬個的公司只有5家！90年代的芯片加工國有企業(yè)：華晶電子（無錫市）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2023/2/245２．1995年～2001年中國半導體產業(yè)現狀中共中央國務院《關于鼓勵軟件產業(yè)和集成電路產業(yè)發(fā)展的若干政策》

國發(fā)[2000]18號財政部、國家稅務總局關于部分國內設計國外流片加工的集成電路產品進口稅收政策通知

財稅[2002]140號2023/2/246中國半導體產業(yè)現狀

世界IT的不景氣與中國半導體產業(yè)中國IC市場的変化２．1995年～2001年20001年，在全球IT不景氣的情況下，中國電子信息產品的市場規(guī)?？傤~比2000年增長了30％！20001中國IC市場銷售額為104.6億美元，與2000年相比看起來只是5.5%的小幅增長，但是，從中國以外的市場為負20％的增長來看，可以說中國維持了相對的高增長！2023/2/247中國半導體產業(yè)現狀３．2000年以後

2000-2005年中國集成電路生產銷售狀況2023/2/248３．2000年以後

2000-2005年中國集成電路出口情況

項目2000年2001年2002年2003年2004年2005年出口量（億個）40.433.0255.93110.98162.26216.09增長率(%)-3.48-18.2769.3898.4346.2133.18出口金額(億美元)19.7216.8922.4659.67105.23137.54增長率(%)4.36-14.3432.98165.6976.3630.71

2000-2005年中國集成電路進口情況

項目2000年2001年2002年2003年2004年2005年進口量（億個）205.47200.56261.09469.15628.17753.7增長率(%)18.8-2.3930.1879.6933.920進口金額(億美元)95.2103.84140.37401.61600.78810.24增長率(%)26.359.0835.18186.149.5934.87中國半導體產業(yè)現狀2023/2/249３．2000年以後2005年中國IC市場一躍為世界第一！中國半導體產業(yè)現狀2023/2/250中國IC產業(yè)結構到200５年年底將近770個公司設計５00多家其他110家IC制造約50家封裝測試110家2023/2/251中國IC產業(yè)結構2000、2005中國IC設計、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設計制造封裝測試2023/2/2522005中國IC設計、制造、封裝業(yè)比例2023/2/253XI’ANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY中國IC產業(yè)結構IC設計IC制造IC封裝測試消費類珠海炬力·杭州仕蘭微·北京希格瑪晶華微·深圳國微（VCD,MCU,AudioIC）其他類杭州有旺、紹興芯谷、無錫友達、無錫矽科動力（電源IC、功率放大器）大陸南通富士通、（DIP/TSOP/QFP/SiP）、長電科技（DIP/SO/QFP)天水華天（BGA/FC/MCM)上海紀元無錫華潤矽科（數字音視頻IC、通訊IC）北京海爾設計（數字電視、衛(wèi)星接受IC）北京華虹設計（數字電視、數字投影議、手機IC）網通類深圳中興微（移動通訊芯片）、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、上海復旦（智能卡）電腦類北京中星微（手機芯片）、PC攝影類芯片）IDM廠無錫華潤微、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、上海宏力、華潤上華、上海新進首鋼日電臺灣日月光、矽品外資Freescale、威訊聯合、ST、Intel、infineen、Reneses、Samsung、Amkor2023/2/254連云港

Lianyungang

上海

Shanghai以上海為中心的長江三角洲北京

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中國西部西部地區(qū)2023/2/2552023/2/256現有IC生產線2000200120022003200420052006中芯宏力和艦華虹NEC上海先進華潤上海350nm250nm180nm130nm90nm250nm180nm350nm130nm180nm130nm250nm350nm180nm250nm350nm250nm350nm1500/1000/700nm350nm350nm/６“400～600nm/６“國內現有8英寸生產線10條6英寸生產線12條12英寸芯片生產線2條5英寸生產線9條4英寸生產線14條共計47條2023/2/257中國集成電路產業(yè)發(fā)展特征產業(yè)規(guī)模增大設計和芯片制造的比列增大電路設計業(yè)發(fā)展迅猛產業(yè)發(fā)展特征海外留學生歸國創(chuàng)業(yè)

產業(yè)的“群聚”效果明顯2023/2/258中國集成電路產業(yè)存在的問題產業(yè)規(guī)模依然偏小、市場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業(yè)滯后，如：設備、材料等人才缺乏2023/2/2592023/2/2602003年6月科技部七個國家集積回路産業(yè)化基地を設置北京、上海、杭州、無錫、西安、成都、深圳2023/2/2612023/2/2622003年10月，教育部、科技部聯合批準了9所高校為首批國家集成電路人才培養(yǎng)的建設單位清華大學、北京大學、浙江大學、復旦大學、西安電子科技大學、上海交通大學、東南大學、電子科技大學、華中科技大學2023/2/263集成電路人才在我國的現狀集成電路人才缺口巨大如果集成電路設計業(yè)市場每年以平均60％以上的速度增長，到2010年將達到約1000億元人民幣產值，屆時將需要集成電路設計師5－10萬人，而目前我國僅有集成電路設計人員約10000人，人才嚴重不足成為我國集成電路設計業(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的現狀

我國集成電路設計人才培養(yǎng)規(guī)模嚴重不足據統(tǒng)計，2004年我國本科微電子學專業(yè)有31個專業(yè)點，2003年畢業(yè)本科生459人，招生1431人，在校生3899人；全國有4000多名集成電路工學/理學碩士在校生。總共有集成電路設計和微電子專業(yè)在校生7900多人，遠遠不能滿足發(fā)展的需求。培養(yǎng)高級集成電路人才已是我國高等教育界的當務之急。

但是，如果把與微電子相關的專業(yè)計算在內：如電子信息科學與技術、電子科學與技術、電子信息工程、光信息科學與技術、固體物理與半導體技術、計算機科學與技術、信息安全、通訊工程、電氣工