集成电路设计概述.ppt
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1、第一章第一章 集成电路设计概述集成电路设计概述1.1 集成电路(集成电路(IC)的发展)的发展 芯片,现代社会的基石芯片,现代社会的基石 PDA:掌上电脑 内存条 手机计算机主板 数码相机集成电路集成电路 Integrated Circuit,缩写IC IC IC是通是通过一系列特定的加工工一系列特定的加工工艺,将晶体管、,将晶体管、二极管等有源器件和二极管等有源器件和电阻、阻、电容、容、电感等无源器感等无源器件,按照一定的件,按照一定的电路互路互连,“集成集成”在一在一块半半导体晶片(如硅或砷化体晶片(如硅或砷化镓)上,封装在一个外壳内,)上,封装在一个外壳内,执行特定行特定电路或系路或系统
2、功能的一种器件。功能的一种器件。集成电路芯片显微照片集成电路芯片键合各种封装好的集成各种封装好的集成电路路晶体管的发明晶体管的发明晶体管的发明晶体管的发明1946年年1月,月,Bell实验室正式成立半室正式成立半导体研究小体研究小组:W.Schokley,J.Bardeen、W.H.BrattainBardeen提出了表面提出了表面态理理论,Schokley给出了出了实现放大器的基本放大器的基本设想,想,Brattain设计了了实验;1947年年12月月23日,第一次日,第一次观测到了具有放大作用的到了具有放大作用的晶体管;晶体管;1947年年12月月23日第一个点接触式日第一个点接触式NPN
3、 Ge晶体管晶体管发明者:明者:W.Schokley J.Bardeen W.Brattain获得获得1956年年Nobel物理奖物理奖获得获得获得获得19561956年年年年NobelNobel物理奖物理奖物理奖物理奖集成电路的发明集成电路的发明集成电路的发明集成电路的发明1952年年5月,英国科学家月,英国科学家G.W.A.Dummer第一次提第一次提出了集成出了集成电路的路的设想。想。1958年以德克年以德克萨斯斯仪器公司(器公司(TI)的科学家基)的科学家基尔比比(Clair Kilby)为首的研究小首的研究小组研制出了世界上第一研制出了世界上第一块集成集成电路,并于路,并于1959年
4、公布了年公布了该结果。果。锗衬底上形成台面双极晶体管和底上形成台面双极晶体管和电阻,阻,总共共12个器个器件,用超声件,用超声焊接引接引线将器件将器件连起来。起来。获得获得获得获得20002000年年年年NobelNobel物理奖物理奖物理奖物理奖获得获得获得获得20002000年年年年NobelNobel物理奖物理奖物理奖物理奖集成电路的发明集成电路的发明集成电路的发明集成电路的发明平面工平面工艺的的发明明1959年年7月,月,美国美国Fairchild 公司的公司的Noyce发明第一明第一块单片集成片集成电路:路:利用二氧化硅膜制成平面晶体管,利用二氧化硅膜制成平面晶体管,用淀用淀积在二氧
5、化硅膜上和二氧化硅膜密接在一起的在二氧化硅膜上和二氧化硅膜密接在一起的导电膜作膜作为元器件元器件间的的电连接接(布布线)。这是是单片集成片集成电路的路的雏形,是与形,是与现在的硅集成在的硅集成电路路直接有关的直接有关的发明。将平面技明。将平面技术、照相腐、照相腐蚀和布和布线技技术组合起来,合起来,获得大量生得大量生产集成集成电路的可能性。路的可能性。第一块单片集成电路第一块单片集成电路第一块单片集成电路第一块单片集成电路集成电路中几个重要的参数集成电路中几个重要的参数集成电路中几个重要的参数集成电路中几个重要的参数特征尺寸:特征尺寸:集成集成电路器件中最路器件中最细线条的条的宽度,度,对MOS
6、MOS器件常指器件常指栅极所决定的沟极所决定的沟导几何几何长度,是一条工度,是一条工艺线中能加中能加工的最小尺寸。反映了集成工的最小尺寸。反映了集成电路版路版图图形的精形的精细程程度,特征尺寸的减少主要取决于光刻技度,特征尺寸的减少主要取决于光刻技术的改的改进(光刻最小特征尺寸与曝光所用波(光刻最小特征尺寸与曝光所用波长)。)。硅园片直径:硅园片直径:考考虑到集成到集成电路的流片成品率和生路的流片成品率和生产成本,每个成本,每个硅园片上的管芯数保持在硅园片上的管芯数保持在300300个左右。个左右。现代集成电路发展的特点:现代集成电路发展的特点:现代集成电路发展的特点:现代集成电路发展的特点:
7、特征尺寸越来越小(特征尺寸越来越小(45nm45nm)硅圆片尺寸越来越大(硅圆片尺寸越来越大(8inch12inch8inch12inch)芯片集成度越来越大(芯片集成度越来越大(2000K2000K)时钟速度越来越高(时钟速度越来越高(500MHz500MHz)电源电压电源电压/单位功耗越来越低(单位功耗越来越低(1.0V1.0V)布线层数布线层数/I/0/I/0引脚越来越多(引脚越来越多(9 9层层/1200/1200)集成电路的发展集成电路的发展集成电路的发展集成电路的发展 年份年份19891989年年19931993年年19971997年年20012001年年特征尺特征尺寸寸1.0m1
8、.0m0.6m0.6m0.35m0.35m0.18m0.18m水平水平标标志志微米微米(M M)亚亚微米微米(SMSM)深深亚亚微米微米(DSMDSM)超深超深亚亚微米微米(VDSMVDSM)表表1 CMOS1 CMOS工艺特征尺寸发展进程工艺特征尺寸发展进程 集成电路的发展集成电路的发展集成电路的发展集成电路的发展小小规模集成(模集成(SSI)中中规模集成(模集成(MSI)大大规模模集成(集成(LSI)超大超大规模集成模集成电路路(VLSI)特大特大规模模集成集成电路路(ULSI)GSI SoC。ICIC在各个在各个发展展阶段的主要特征数据段的主要特征数据 发展阶段主要特征MSI(1966)
9、LSI(1971)VLSI(1980)ULSI(1990)元件数/芯片102-103103-105105-107107-108特征线宽(um)10-55-33-11速度功耗乘积(uj)102-1010-11-10-210-2栅氧化层厚度(nm)120-100100-4040-1515-10结深(um)2-1.21.2-0.50.5-.020.2-.01芯片面积(mm2)150摩尔定律(摩尔定律(摩尔定律(摩尔定律(Moores LawMoores Law)Min.transistor feature size decreases by 0.7X every three yearsTrue fo
10、r at least 30 years!(Intel公司前董事公司前董事长Gordon Moore首次于首次于1965提出提出)后人后人对摩摩尔定律加以定律加以扩展:展:集成集成电路的路的发展每三年展每三年工艺升级一代;工艺升级一代;集成度翻二番;集成度翻二番;特征线宽约缩小特征线宽约缩小30左右;左右;逻辑电路(以逻辑电路(以CPU为代表)的工作频率提高约为代表)的工作频率提高约30。IntelIntel公司公司公司公司CPUCPU发展发展发展发展IntelIntel公司公司公司公司CPUCPU发展发展发展发展 Year of introductionTransistors400419712
11、,250800819722,500808019745,0008086197829,0002861982120,0003861985275,000486DX 19891,180,000Pentium 19933,100,000Pentium II 19977,500,000Pentium III 199924,000,000Pentium 4 200042,000,000vvIntel Intel 公司第一代公司第一代CPU4004CPU4004电路规模:电路规模:2300个晶体管个晶体管生产工艺:生产工艺:10um最快速度:最快速度:108KHzvvIntel Intel 公司公司CPU386
12、TMCPU386TM电路规模:电路规模:275,000个晶体管个晶体管生产工艺:生产工艺:1.5um最快速度:最快速度:33MHzvvIntel Intel 公司最新一代公司最新一代CPUCPUPentium Pentium 4 4电路规模:电路规模:4千千2百万个晶体管百万个晶体管生产工艺:生产工艺:0.13um最快速度:最快速度:2.4GHz摩尔定律还能维持多久?摩尔定律还能维持多久?摩尔定律还能维持多久?摩尔定律还能维持多久?经过30多年,集成多年,集成电路路产业的的发展展证实了摩了摩尔定律的定律的正确性,但是摩正确性,但是摩尔定律定律还能有多能有多长时间的生命力?的生命力?集成集成电路
13、的特征尺寸:路的特征尺寸:130nm90nm60nm45nm30nm?量子效量子效应集成集成电路光刻路光刻费用急用急剧增加增加数十万甚至上数十万甚至上百万美元!百万美元!器件结构类型器件结构类型器件结构类型器件结构类型集成度集成度集成度集成度使用的基片材料使用的基片材料使用的基片材料使用的基片材料电路的功能电路的功能电路的功能电路的功能应用领域应用领域应用领域应用领域1.2 1.2 1.2 1.2 集成电路的分类集成电路的分类集成电路的分类集成电路的分类一、按器件结构类型分类一、按器件结构类型分类一、按器件结构类型分类一、按器件结构类型分类1 1、双极集成双极集成电路路通常由通常由NPNNPN
14、和和PNPPNP两种两种类型的双极性性晶体管型的双极性性晶体管组成,成,优点:速度快,点:速度快,驱动能力能力强缺点:功耗缺点:功耗较大,集成度低大,集成度低2 2、金属、金属-氧化物氧化物-半半导体体(MOS)(MOS)集成集成电路:路:主要由主要由MOSMOS晶体管构成晶体管构成 ,包含,包含NMOSNMOS和和PMOSPMOS中的一种或两种中的一种或两种类型型优点:点:输入阻抗高,功耗低,抗干入阻抗高,功耗低,抗干扰能力能力强且适合大且适合大规模集成模集成CMOSCMOS:包含互:包含互补的的NMOSNMOS和和PMOSPMOS两两类器件,静器件,静态功耗几乎功耗几乎为零,零,输出出逻辑
15、电平可平可为高低高低电源源电压、上升和下降、上升和下降时间处于同数量于同数量级(广泛(广泛应用,成用,成为当前集成当前集成电路的主流之一)路的主流之一)3 3、双双极极-MOS(BiMOSMOS(BiMOS)集成集成电路:路:是同是同时包括双极和包括双极和MOSMOS晶体管的集成晶体管的集成电路。路。综合了双极合了双极和和MOSMOS器器件两者的件两者的优点,但制作工点,但制作工艺复复杂。管芯中大部分采用管芯中大部分采用CMOSCMOS,外外围接口采用双极型接口采用双极型BipolarBipolar,做到功耗低、密度大,做到功耗低、密度大,电路路输出出驱动电流大流大集成度:每块集成电路芯片中包
16、含的元器件数目集成度:每块集成电路芯片中包含的元器件数目类类 别别数字集成数字集成电电路路模模拟拟集成集成电电路路MOS ICMOS IC双极双极ICICSSISSI10102 21001003020002000300300ULSIULSI10107 710109 9GSIGSI10109 9按晶体管数目划分的集成电路规模 二、二、按集成度分类按集成度分类单片集成电路单片集成电路 是指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。在半导体集成电路中最常用的半导体材料是硅,除此之外还有GaAs等。混合集成电路混合集成电路 厚膜集成电路用丝网漏印、高温烧结成膜、等离子喷涂等厚膜技术将组成
17、电路的电子元器件以膜的形式制作在绝缘基片上所构成的集成电路薄膜集成电路用真空蒸发、溅射、光刻为基本工艺的薄膜技术三、按使用的基片材料分类三、按使用的基片材料分类混合集成电路:从半导体集成电路、厚膜集成电路、薄膜集成电路、分立元器件中任取两种或两种以上电路封装在一个模块中完成一定的电路功能数字集成电路数字集成电路(Digital IC)(Digital IC):是指处理数字信号的集成电路,即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。模拟集成电路模拟集成电路(Analog IC)(Analog IC):是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路,通常又可分为线性集成电路和非线性集成
18、电路:线性集成电路:又叫放大集成电路,如运算放大器、电压比较器、跟随器等。非线性集成电路:如振荡器、定时器等电路。数模混合集成电路数模混合集成电路(Digital-Analog IC)(Digital-Analog IC):例如 数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等。四、按电路的功能分类四、按电路的功能分类v标准通用集成电路标准通用集成电路 通用集成电路是指不同厂家都在同时生产的用量极大的标准系列产品。这类产品往往集成度不高,然而社会需求量大,通用性强。74 74 系列,40004000系列,MemoryMemory芯片,CPU CPU 芯片等v专用集成电路专用集成电路 根据某种电子设
19、备中特定的技术要求而专门设计的集成电路简称ASIC,其特点是集成度较高功能较多,功耗较小,封装形式多样。玩具狗芯片;通信卫星芯片;计算机工作站CPUCPU中存储器与微处理器间的接口芯片五、按应用领域分类五、按应用领域分类第一章第一章 集成电路设计概述集成电路设计概述1.3 无生产线集成电路设计技术无生产线集成电路设计技术Fabless IC Design TechniqueIDMIDM与与与与FablessFabless集成电路实现集成电路实现集成电路实现集成电路实现集成集成电路路发展的前三十年中,展的前三十年中,设计、制造和封装都、制造和封装都是集中在半是集中在半导体生体生产厂家内厂家内进行
20、的,称之行的,称之为一体化一体化制造制造(IDM,Integrated Device Manufacture)的集的集成成电路路实现模式。模式。近近十十年年以以来来,电路路设计、工工艺制制造造和和封封装装开开始始分分立立运运行行,这为发展展无无生生产线(Fabless)集集成成电路路设计提提供供了了条条件件,为微微电子子领域域发展展知知识经济提提供供了了条条件。件。1.3 无生产线集成电路设计技术LayoutChipDesignkitsInternetFoundryFabless设计单位代工单位Relation of F&F(Relation of F&F(无生产线与代工的关系无生产线与代工的
21、关系无生产线与代工的关系无生产线与代工的关系)国内主要国内主要国内主要国内主要Foundry(Foundry(代客户加工代客户加工代客户加工代客户加工)厂家厂家厂家厂家1.4 代工工艺国内新建国内新建国内新建国内新建Foundry(Foundry(代客户加工代客户加工代客户加工代客户加工)厂家厂家厂家厂家上海上海中芯国中芯国际:8 8”,0.25,0.25 m,2001.10m,2001.10宏宏 力:力:8 8”,0.25,0.25 m,2002.10m,2002.10华虹虹 -II-II:8 8”,0.25,0.25 m,m,筹建筹建台台积电TSMCTSMC在松江建厂在松江建厂北京北京首首
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