微電子與集成電路設(shè)計(jì)導(dǎo)論-第一章-概論

微電子與集成電路設(shè)計(jì)導(dǎo)論Introductiontomicroelectronicsandintegratedcircuitdesign第一章概論Whatisit？1.1微電子學(xué)的概念

微電子的概念：微電子不是指微小的電子，而是指微型電子電路。（a）電力線路（b）電子電路（c）微電子電路特征尺寸：米特征尺寸：毫米特征尺寸：微米微電子學(xué)的概念：微電子學(xué)（Microelectronics）是電子學(xué)的一門分支學(xué)科，是研究集成電路設(shè)計(jì)、制造、測試、封裝等全過程的一門學(xué)科?；蛘哒f，主要是研究電子或離子在固體材料中的運(yùn)動規(guī)律及其應(yīng)用，并利用它實(shí)現(xiàn)信號處理功能的學(xué)科。目的：實(shí)現(xiàn)電路和系統(tǒng)的集成。對應(yīng)的行業(yè)：半導(dǎo)體行業(yè)，以半導(dǎo)體材料為加工對象。核心產(chǎn)品：集成電路（IntegratedCircuit，縮寫為IC）。集成電路的概念：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(dǎo)體單晶片上，封裝在一個外殼內(nèi)，執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能。集成電路發(fā)展：1946年，人類第一臺通用電子計(jì)算機(jī)ENIAC在美國賓夕法尼亞大學(xué)問世，里面的電路器件是以真空管為單位，共含有17468只電子管。體積非常龐大，長24米，寬6米，高2.5米，重30噸，根本無法攜帶，也不能完成現(xiàn)在的復(fù)雜運(yùn)算的處理?，F(xiàn)在的計(jì)算機(jī)已經(jīng)發(fā)展到“掌上電腦”，更輕，更薄，尺寸已如一本書大小。微電子學(xué)的特點(diǎn)：基礎(chǔ)性集成性綜合性滲透性1.2微電子學(xué)的戰(zhàn)略地位

對國民經(jīng)濟(jì)的作用圖1.2.1國民經(jīng)濟(jì)的“食物鏈”關(guān)系示意圖市場銷售額（10億美元）市場銷售額（10億美元）手提數(shù)據(jù)通訊*630超薄顯示器*170個人電腦*470IC卡*165移動電話服務(wù)*380地面微波廣播*160CPU*300DNA生物芯片*160數(shù)據(jù)存儲產(chǎn)品*270多用途通訊設(shè)備*155磁存儲*250半導(dǎo)體設(shè)備*150電子商務(wù)*250電力交通工具*150網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)*230墻壁式超薄電視*145高密度磁存儲*230移動電話*140系統(tǒng)集成芯片*210直接引入工具140家庭醫(yī)療設(shè)備*210ITS設(shè)備140互聯(lián)網(wǎng)*200DNA加工食品135有線電視*200液晶顯示器*120智能傳輸系統(tǒng)190仿制品115代理軟件*180燃油汽車110表1.2.1信息社會各市場領(lǐng)域的銷售額（單位：10億美元）對國家安全與國防建設(shè)的作用進(jìn)入信息化社會后，微電子技術(shù)的主要產(chǎn)品集成電路成為武器的一個組成元，于是電子戰(zhàn)、智能武器應(yīng)運(yùn)而生。電子含量在各類武器裝備和國防建設(shè)上的比例對國家安全起著舉足輕重的作用。對信息社會的作用圖1.2.3信息社會各應(yīng)用產(chǎn)品市場領(lǐng)域的銷售額對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的帶動作用微電子對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的滲透與帶動作用。幾乎所有的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與微電子技術(shù)結(jié)合，用集成電路芯片進(jìn)行智能改造，都可以使傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)重新煥發(fā)青春。對風(fēng)機(jī)、水泵采用變頻調(diào)速等電子技術(shù)進(jìn)行改造，每年即可節(jié)電500億度以上.和機(jī)械學(xué)科的結(jié)合，導(dǎo)致很多傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品逐步電子化。和生物學(xué)結(jié)合，生物芯片的誕生得以實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞、蛋白質(zhì)、DNA以及其他生物組分的準(zhǔn)確、快速、大信息量的檢測?！?.3微電子學(xué)的發(fā)展歷史

晶體管的發(fā)展歷史：1833年英國物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)氧化銀的電阻率隨溫度升高而增加。1873年英國物理學(xué)家施密斯發(fā)現(xiàn)了晶體硒在光照射下電阻變小的光電導(dǎo)效應(yīng)。1877年英國物理學(xué)家亞當(dāng)斯發(fā)現(xiàn)的晶體硒與金屬接觸在光照射下產(chǎn)生電動勢的半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)。1906年美國物理學(xué)家皮爾遜等人發(fā)現(xiàn)金屬與硅晶體接觸產(chǎn)生整流作用的半導(dǎo)體整流效應(yīng)。1931年英國物理學(xué)家威爾遜提出了能帶理論。1939年肖特基提出并建立了解釋金屬-半導(dǎo)體接觸整流作用的理論，前蘇聯(lián)物理學(xué)家達(dá)維多夫也提出自己的金屬-半導(dǎo)體接觸整流作用的理論。1946年，世界上第一臺通用電子計(jì)算機(jī)ENIAC誕生，其中含有17468只電子管。（a）電子管（b）電子管存儲器圖1.3.1電子管照片圖1.3.2世上第一臺通用電子計(jì)算機(jī)照片1947年12月23日，由肖克萊，理論物理學(xué)家巴丁和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家布拉頓組成的固體物理研究小組在對半導(dǎo)體特性研究的過程中發(fā)明了世界上第一只點(diǎn)接觸三極管，標(biāo)志著電子技術(shù)從電子管時代進(jìn)入了晶體管時代。集成電路的發(fā)展歷史：1952年5月，英國皇家研究所的達(dá)默第一次提出了集成電路的設(shè)想。1958年以德克薩斯儀器公司的科學(xué)家基爾比為首的研究小組和諾伊斯各自獨(dú)立地研制了世界上最早的集成電路，當(dāng)時該電路是僅包含12個元件的混合集成電路。圖1.3.4世界上第一塊集成電路圖圖1.3.5第一個基于掩膜照相技術(shù)的平面工藝集成電路圖1.3.6收音機(jī)的發(fā)展歷程集成電路的出現(xiàn)使電子元器件和線路甚至整個系統(tǒng)向一體化的方向發(fā)展。圖1.3.7工藝?yán)锍瘫呻娐返难杆侔l(fā)展，除了物理原理之外還得益于許多新工藝的發(fā)明。圖1.3.8摩爾定律示意圖1965年英特爾公司主要創(chuàng)始人摩爾提出了著名的“摩爾（Moore）定律”（Thenumberoftransistorperintegratedcircuitwoulddoubleevery18month）。早期研制和生產(chǎn)的集成電路都是雙極型的。1930年，德國科學(xué)家Lilien-filed提出了關(guān)于MOS場效應(yīng)晶體管的概念、工作原理以及具體的實(shí)施方案。1960年Kang和Atalla研制出第一個利用硅半導(dǎo)體材料制成的MOS晶體管。1962年以后出現(xiàn)了由金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場效應(yīng)晶體管組成的MOS集成電路。1.4集成電路的分類

按器件結(jié)構(gòu)類型分類:雙極集成電路金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）集成電路雙極-MOS（BiMOS）集成電路雙極集成電路有源器件：雙極晶體管工作機(jī)理:依賴于電子和空穴兩種類型的載流子工作分類：NPN和PNP型雙極集成電路優(yōu)點(diǎn)：速度高、驅(qū)動能力強(qiáng)等金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）集成電路有源器件：MOS晶體管工作機(jī)理:主要靠半導(dǎo)體表面電場感應(yīng)產(chǎn)生的導(dǎo)電溝道工作分類：NMOS、PMOS和CMOS（互補(bǔ)MOS）集成電路優(yōu)點(diǎn)：輸入阻抗高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗?。s為雙極集成電路的1/10～1/100）、集成度高（適合于大規(guī)模集成）雙極-MOS（BiMOS）集成電路有源器件：同時包括雙極和MOS晶體管特點(diǎn)：綜合了雙極和MOS器件兩者的優(yōu)點(diǎn)，但制作工藝復(fù)雜按集成電路規(guī)模分類:小規(guī)模集成電路（SmallScaleIC，簡稱SSI）中規(guī)模集成電路（MediumScaleIC，簡稱MSI）大規(guī)模集成電路（LargeScaleIC，簡稱LSI）超大規(guī)模集成電路（VeryLargeScaleIC，簡稱VLSI）特大規(guī)模集成電路（UltraLargeScaleIC，簡稱ULSI）巨大規(guī)模集成電路（GiganticScaleIC，簡稱GSI）類別數(shù)字集成電路模擬集成電路MOSIC雙極ICSSI<102<100<30MSI102～103100～50030～100LSI103～105500～2000100～300VLSI105～107>2000>300ULSI107～109

GSI>109

按結(jié)構(gòu)形式的分類:單片集成電路：指電路中所有的元器件都制作在同一塊半導(dǎo)體基片上的集成電路。不需外接元器件的集成電路?；旌霞呻娐罚褐笇⒍鄠€半導(dǎo)體集成電路芯片或半導(dǎo)體集成電路芯片與各種分立元器件通過一定的工藝進(jìn)行二次集成，構(gòu)成一個完整的、更復(fù)雜的功能器件，作為一個整體使用。按電路功能分類:數(shù)字集成電路（DigitalID）：指處理數(shù)字信號的集成電路，即采用二進(jìn)制方式進(jìn)行數(shù)字計(jì)算和邏輯函數(shù)運(yùn)算的一類集成電路。模擬集成電路（AnalogIC）：指處理模擬信號（連續(xù)變化的信號）的集成電路。數(shù)?；旌霞呻娐罚―igital-AnalogIC）：是既包含數(shù)字電路，又包含模擬電路的新型電路。按電路制作工藝不同分類:半導(dǎo)體集成電路：是采用半導(dǎo)體工藝技術(shù)，在硅基片上制作包括電阻、電容、三極管、二極管等元器件，并具有某種電路功能的集成電路。膜集成電路：是在玻璃或陶瓷片等絕緣物體上，以膜的形式制作電阻、電容等無源器件，并加以封裝而成?；旌霞呻娐罚涸趯?shí)際應(yīng)用中，多半是在無源膜電路上外加半導(dǎo)體集成電路或分立元件的二極管、三極管等有源器件，使之構(gòu)成一個整體，這便是混合集成電路。圖1.4.1集成電路的分類1.5微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

微電子產(chǎn)業(yè)具有“高投入、高產(chǎn)出”的特點(diǎn)。集成電路產(chǎn)業(yè)自誕生以來，產(chǎn)業(yè)鏈便一直處于不斷的裂變之中，與此同時，合作緊密的價值鏈逐漸形成。圖1.5.22014年全球IC前20強(qiáng)各個國家和地區(qū)中，北美地區(qū)產(chǎn)業(yè)具備雄厚基礎(chǔ)，綜合實(shí)力全球領(lǐng)先。歐洲地區(qū)整體依托大型企業(yè)，中小企業(yè)發(fā)展相對滯后。日本的競爭實(shí)力有所下降，企業(yè)在積極整合力求尋找突破。整個亞太地區(qū)，增速仍為全球之最，產(chǎn)業(yè)地位日漸重要。圖1.5.3我國IC設(shè)計(jì)企業(yè)的產(chǎn)品類型中國是全球最大的電子產(chǎn)品制造基地。但是與此巨大反差的是，中國自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)的集成電路產(chǎn)品市場占有率很小。圖1.5.4國內(nèi)集成電路的供求關(guān)系圖1.5.5集成電路的進(jìn)口量目前中國的集成電路產(chǎn)業(yè)還十分弱小，國內(nèi)的集成電路產(chǎn)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了國內(nèi)的集成電路需求。集成電路已連續(xù)多年成為最大宗的進(jìn)口商品，與石油一起位列最大宗進(jìn)口商品。巨大的市場缺口，既是壓力也是動力。我國的微電子技術(shù)的發(fā)展大致可以分為兩個階段：第一個階段：在2000年之前，1956年，北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、東北人民大學(xué)、廈門大學(xué)、南京大學(xué)在北大聯(lián)合創(chuàng)建半導(dǎo)體專業(yè)。1977年在北京大學(xué)誕生了第一塊大規(guī)模集成電路。而在1980年以后，初步形成了制造業(yè)、設(shè)計(jì)業(yè)、封裝業(yè)分離的狀態(tài)。第二個階段：在2000年之后，國家發(fā)布了一系列的政策文件大力推進(jìn)我國集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。圖1.5.6我國IC設(shè)計(jì)業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域2014年中國集成電路市場規(guī)模首次突破萬億級大關(guān)，約占全球市場份額的50%。產(chǎn)業(yè)規(guī)模方面，2001-2014年年均增長率達(dá)到23.8%。系統(tǒng)級芯片設(shè)計(jì)能力與國際先進(jìn)水平的差距逐步縮小。集成電路封裝技術(shù)接近國際先進(jìn)水平。部分關(guān)鍵裝備和材料實(shí)現(xiàn)從無到有，被國內(nèi)外生產(chǎn)線采用。我國集成電路的重要事件有：我國第一款商品化通用高性能CPU（中央處理器）芯片——“龍芯”系列CPU芯片，采用0.18微米工藝，包含近400萬個晶體管，主頻最高可達(dá)266MHz。鄧中翰在中關(guān)村注冊成立了“中星微電子有限公司”，研發(fā)“星光”系列芯片，并成功占領(lǐng)計(jì)算機(jī)圖像輸入芯片市場60%以上份額。復(fù)旦大學(xué)張衛(wèi)團(tuán)隊(duì)2013年8月在美國《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文，提出一種新的晶體管結(jié)構(gòu)，可以大幅度改善集成電路的性能。清華大學(xué)薛其坤院士團(tuán)隊(duì)2013年3月在美國《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文，發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)，在零磁場中就可以實(shí)現(xiàn)量子霍爾態(tài)。雖然國家在發(fā)布一系列的政策文件大力推進(jìn)我國集成電路產(chǎn)業(yè)，但微電子人才仍然是當(dāng)今我國最緊缺的專業(yè)人才之一。由于起步較晚，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)不夠雄厚，整體上中國在制造環(huán)節(jié)有優(yōu)勢，但在產(chǎn)業(yè)鏈上游的高端領(lǐng)域?qū)嵙Ρ容^弱。集成電路專業(yè)人才薪酬節(jié)節(jié)攀升，國內(nèi)電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展對集成電路產(chǎn)品需求成倍增長，國家大基金帶動下產(chǎn)業(yè)生態(tài)在不斷完善。1.6微電子技術(shù)的發(fā)展

器件尺寸縮小到一定程度，一些偏離大尺寸器件的特性和寄生因素開始占主導(dǎo)地位，因此器件性能日益接近物理極限。圖1.6.2芯片制造費(fèi)用示意圖為了解決這些問題都會使得工藝復(fù)雜性迅速增加，器件尺寸縮小、集成度增加都使得制造費(fèi)用飛速上漲。產(chǎn)品的成品率問題也日益突出。圖1.6.3產(chǎn)品的成品率系統(tǒng)集成隨著工