北京大学微电子与电路基础微电子与电路基础(1)

1微电子与电路基础微电子与电路基础黄如黄如陈江陈江北京大学信息科学技术学院北京大学信息科学技术学院RuHuang,IME,PKU《微电子与电路基础》课程简介分立电路集成电路Æ课程目的Æ课程内容(课程提纲)Æ讲授方式Æ参考书Æ考核方法RuHuang,IME,PKU课程目的Æ电路方面初步掌握与电路相关的基础知识、数字电路、初步掌握与电路相关的基础知识、数字电路、模拟电路、数模混合电路等基础知识模拟电路、数模混合电路等基础知识ÆÆ微电子方面微电子方面了解什么是微电子学、历史、现状和未来；了解什么是微电子学、历史、现状和未来；初步掌握初步掌握¾¾半导体物理半导体物理¾¾半导体器件物理半导体器件物理¾¾集成电路工艺集成电路设计及设计自动化集成电路工艺集成电路设计及设计自动化(EDA)(EDA)技术技术¾¾微机电系统技术等微机电系统技术等对微电子学有一个比较全面的初步认识对微电子学有一个比较全面的初步认识RuHuang,IME,PKU课程内容••绪论绪论••半导体物理、半导体器件基础半导体物理、半导体器件基础半导体半导体,,晶体管晶体管,,简单集成电路简单集成电路••集成电路制造工艺集成电路制造工艺••集成电路设计及其设计自动化集成电路设计及其设计自动化••系统芯片和微机电系统系统芯片和微机电系统MEMSMEMS••微电子技术发展的规律和趋势微电子技术发展的规律和趋势••线性电路线性电路••模拟电路模拟电路••数字电路数字电路••数模混合电数模混合电路路RuHuang,IME,PKU课程进度ÆÆch1ch1绪论（绪论（11））ÆÆch2ch2半导体物理、半导体器件基础（半导体物理、半导体器件基础（33））ÆÆch3ch3线性电路（线性电路（22））无源元件：电阻、电容、电感、变压器无源元件：电阻、电容、电感、变压器有源元件：电源和信号源、受控源等有源元件：电源和信号源、受控源等基本分析方法基本分析方法ÆÆch4ch4模拟电路模拟电路(3)(3)基本概念基本概念运算放大器运算放大器收音机的原理框图收音机的原理框图RuHuang,IME,PKUÆÆch5ch5数字电路数字电路(3)(3)基本概念基本概念电子钟、计算器的原理框图电子钟、计算器的原理框图ÆÆch6ch6数模混合电路数模混合电路(1)(1)基本概念、手机的原理框图基本概念、手机的原理框图集成电路集成电路ÆÆch7ch7集成电路制造工艺（集成电路制造工艺（33））ÆÆch8ch8集成电路设计及其设计自动化系统（集成电路设计及其设计自动化系统（44））ÆÆch9ch9系统芯片和微机电系统系统芯片和微机电系统MEMSMEMS（（11））ÆÆch10ch10微电子技术发展的规律和趋势（微电子技术发展的规律和趋势（11））RuHuang,IME,PKU授课、学生成绩评定方法Æ课堂讲授为主Æ学生成绩评定方法：期末考试占70%，作业占30%。Æ授课教师黄如黄如：：理科理科22号楼号楼27172717室，室，Tel:[phone]Tel:[e-mail]@ime.pku.edu.cn陈江：陈江：[e-mail]@ele.pku.edu.cnRuHuang,IME,PKUÆ助教殷俊：[e-mail],62752546吴大可：[e-mail],62752546Æ课程主页《微电子学概论》，张兴/黄如/刘晓彦,北京大学出版社,2000年1月《电路基础》，陈江，讲义，网上下载9绪论RuHuang,IME,PKU绪论ÆÆ电子学、微电子学、集成电路的基本电子学、微电子学、集成电路的基本概念概念ÆÆ集成电路的分类集成电路的分类ÆÆ微电子学的基本特点微电子学的基本特点ÆÆ电子技术、微电子技术的战略地位电子技术、微电子技术的战略地位ÆÆ微电子技术的发展历史微电子技术的发展历史ÆÆ微电子技术的发展现状微电子技术的发展现状我国微电子发展概况我国微电子发展概况RuHuang,IME,PKUÆÆ电子学电子学(electronics)(electronics)：研究用电：研究用电子传输、存储、处理信息的学科子传输、存储、处理信息的学科核心是电路核心是电路ÆÆ分立电路：分立电路：将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件在电路板上连接起来，实现一定的电路功能RuHuang,IME,PKUÆ微电子学：Microelectronics微电子学——微型电子学RuHuang,IME,PKU电子学微电子学RuHuang,IME,PKUÆ微电子学核心——集成电路RuHuang,IME,PKUÆ集成电路：ÆIntegratedCircuit，缩写IC将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上通过一系列特定的加工工艺来集成封装在一个外壳内执行特定电路功能RuHuang,IME,PKU封装好的集成电路RuHuang,IME,PKUÆ微电子学研究在固体（主要是半导体）材料上构成的微小型化器件、电路及系统的电子学分支学科脱胎于电子学和固体物理学的边缘性的技术学科RuHuang,IME,PKU集成电路集成电路•集成电路的内部电路VddABOutRuHuang,IME,PKU硅单晶片与加工好的硅片硅片：wafer芯片：chip，dieRuHuang,IME,PKU集成电路芯片的显微照片RuHuang,IME,PKUVsspoly栅Vdd布线通道参考孔有源区N+P+集成电路的内部单元集成电路的内部单元RuHuang,IME,PKU沟道长度为沟道长度为0.150.15微米的晶体管微米的晶体管微电子学中的空间尺度通常是以微米和纳米为单位的微电子学中的空间尺度通常是以微米和纳米为单位的RuHuang,IME,PKU50µm100µm头发丝粗细30µm1µm×1µm(晶体管的大小)30~50µm(皮肤细胞的大小)90年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较RuHuang,IME,PKURuHuang,IME,PKUÆ集成电路设计与制造的主要流程框架设计芯片检测单晶、外延材料掩膜版芯片制造过程封装测试系统需求设计业制造业封装测试业RuHuang,IME,PKU集成电路的设计过程：设计创意+仿真验证集成电路芯片设计过程框架是功能要求行为设计（VHDL）行为仿真综合、优化——网表时序仿真布局布线——版图后仿真否是否否是Signoff—设计业—电路知识系统知识RuHuang,IME,PKU—制造业—芯片制造过程AARuHuang,IME,PKURuHuang,IME,PKU—制造业—芯片制造过程AA由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层曝光刻蚀硅片测试和封装用掩膜版重复20-30次RuHuang,IME,PKUFab:cleanroomICPICP刻蚀机刻蚀机LPCVDLPCVD系统系统LPCVDLPCVD系统系统31803180溅射系统溅射系统RuHuang,IME,PKUICPICP刻蚀机刻蚀机RuHuang,IME,PKU—制造业—芯片制造过程AARuHuang,IME,PKU封装好的集成电路—封装与测试业—RuHuang,IME,PKU集成电路的分类RuHuang,IME,PKU按器件结构类型分类按有源器件结构和工艺技术分类Æ双极集成电路：双极晶体管构成Æ金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：MOS晶体管(单极晶体管)构成NMOSPMOSCMOS(互补MOS)Æ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，但制作工艺复杂RuHuang,IME,PKURuHuang,IME,PKU按集成电路规模分类Æ小规模集成电路(SmallScaleIC，SSI)Æ中规模集成电路(MediumScaleIC，MSI)Æ大规模集成电路(LargeScaleIC，LSI)Æ超大规模集成电路(VeryLargeScaleIC，VLSI)Æ特大规模集成电路(UltraLargeScaleIC，ULSI)Æ巨大规模集成电路(GiganticScaleIC，GSI）RuHuang,IME,PKU划分集成电路规模的标准数字集成电路类别MOSIC双极IC模拟集成电路SSI＜102＜100＜30MSI102～103100～50030～100LSI103～105500～2000100～300VLSI105～107＞2000＞300ULSI107～109GSI＞109RuHuang,IME,PKU按结构形式的分类Æ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Æ混合集成电路（二次集成IC）半导体芯片(集成电路、晶体管等)、片式无源元件(电阻、电容、电感、电位器等)集成在带有互连金属化层的绝缘基板(玻璃、陶瓷等)，构成更复杂的功能器件，封装在管壳中，作为整体使用厚膜集成电路：用丝网印刷方法涂敷浆料，形成电阻、互连线等薄膜集成电路：用蒸发、溅射方法RuHuang,IME,PKU按电路功能分类Æ数字集成电路(DigitalIC)处理数字信号的集成电路¾采用二进制方式进行信息处理Æ模拟集成电路(AnalogIC)处理模拟信号的集成电路¾信号连续变化Æ数模混合集成电路(Digital-AnalogIC)RuHuang,IME,PKU按电路应用范围分Æ通用集成电路CPU,存储器Æ专用集成电路针对特殊应用RuHuang,IME,PKUÆ集成电路芯片生产厂大致上可分为三类通用电路生产厂，典型——生产存储器和CPU，如韩国的厂家和INTEL集成器件制造商(IDM—IntegratedDeviceManufactoryCo.),产品主要用于自己的整机和系统，如MOTOROLA、NEC标准工艺加工厂或称代客加工厂，即Foundry¾Foundry名词来源于加工厂的铸造车间，无自己产品¾优良的加工技术及优质的服务为客户提供加工服务¾客户群初期多为没有生产线的设计公司，但是随着技术的发展，现在许多IDM公司也将相当多的业务交给Foundry加工¾Foundry做的最好是华人：TSMC、UMC、SMIC、CHARTERRuHuang,IME,PKU微电子学的特点RuHuang,IME,PKUÆÆ微电子学是一门综合性很强的边缘学科微电子学是一门综合性很强的边缘学科涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学物理学电子线路、信号处理电子线路、信号处理计算机辅助设计、图论计算机辅助设计、图论材料科学材料科学测试与加工测试与加工化学等多个学科化学等多个学科ÆÆ微电子学以实现电路和系统的集成为目微电子学以实现电路和系统的集成为目的，实用性强。的，实用性强。RuHuang,IME,PKU微电子学研究领域•半导体材料•半导体器件•集成电路工艺•集成电路设计:电路•集成电路测试•…RuHuang,IME,PKU微电子学发展的特点向高集成度、低功耗、高性能、高可靠电路方向发展与其它学科互相渗透，形成新的学科领域：光电集成、微机电系统(MEMS)、生物芯片系统芯片的发展纳电子学的发展47电子技术、微电子技术的战略地位RuHuang,IME,PKU(1)信息社会经济发展的基石(2)微电子技术对传统产业的渗透与带动作用(3)微电子技术对国家安全与国防建设的关键作用RuHuang,IME,PKUÆ社会信息化、网络化和数字化Æ实现社会信息化的网络及其关键部件，不管是各种计算机和/或通讯机，它们的基础都是电子技术（系统）和微电子技术（微型化）信息社会发展的基石RuHuang,IME,PKUÆ美国工程技术界评出的20世纪最伟大20项工程技术成就中第五项电子技术谈到，“从真空管到半导体、集成电路已成为当代各行各业智能工作的基石”Æ集成