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半导体集成电路阅读:600

    半导体集成电路是将晶体管,二极管等等有源元件和电阻器电容器等无源元件,按照一定的电路互联,“集成”在一块半导体单晶片上,从而完成特定的电路或者系统功能。一般认为集成度在 100元件以下的称为小规模集成电路(SSI),主要在50年代末发展;集成度在100~1000个元件数的称为中规模集成电路 (MSI),主要在60年代发展;集成度在 1000~105个元件的称为大规模集成电路(LSI),主要在70年代发展。第三部分(第6~8章)为CMOS数字集成电路,分为CMOS基本逻辑电路、CMOS数字子系统和现代半导体存储器、第四部分(第9~13章)为CMOS模拟集成电路,包括基本模拟电路单元、运算放大器、开关电容电器、数据转换器和锁相环。

历史与发展/半导体集成电路

    集成电路是随着电子装备小型化和高可靠要求而发展起来的。它是现代科学技术的综合结晶,追溯起来,早在第二次世界大战期间,在陶瓷基片上制成的电阻阵列应是第一次集成化电路。晶体管发明后不久,就出现了一些锗集成电路。但是半导体集成电路的真正发展则是在发明了平面晶体管以后。第一个有重要意义的突破是在硅片上热生长具有优良电绝缘性能,又能掩蔽杂质扩散的二氧化硅层。50年代中期以后,又将在印刷照相业中早已广泛应用的光刻技术和制镜及透镜制造业中应用的薄膜蒸发技术引入到半导体工业中来,它们和扩散、外延等技术相结合,奠定了一整套集成电路制造工艺技术。到50年代后期,集成电路主要技术都已相继发展和基本形成了。1958年制成了第一只单片集成电路。与以往电子装配相比较,在缩小体积、降低成本、提高可靠性、降低功耗、提高速度等方面,集成电路都有着巨大的优越性和潜力。所以此后的发展速度是十分惊人的。每个半导体芯片上的元件数,即集成度,60年代到70年代初每年递增一倍,70年代末到目前,每两年递增一倍。人们往往用集成度来划分大、中、小规模集成电路。一般认为集成度在 100元件以下的称为小规模集成电路(SSI),主要在50年代末发展;集成度在100~1000个元件数的称为中规模集成电路 (MSI),主要在60年代发展;集成度在 1000~105个元件的称为大规模集成电路(LSI),主要在70年代发展。一个LSI往往是一个子系统。特别是在1971年微处理机问世以来,计算机设计和集成电路技术融合在一起,使整台计算机可以做在一个芯片上。集成度在 105元件以上的一般称为超大规模集成电路(VLSI),主要在80年代发展。采用更先进的制造工艺技术,发展了一系列如电子束、软X 射线曝光、离子刻蚀等精细加工技术,计算机工艺模拟和计算机辅助生产(CAP),以及计算机辅助测试(CAT)等技术。它的设计更多采用计算机辅助设计(CAD)。

    集成电路和微处理机的出现不仅深刻地改变了电子技术的面貌和原有的设计理论基础,而且成为现代科学技术的重要基础之一。

    集成电路向功能越来越大的方向发展,使整机、线路与元件、器件之间的明确界限被突破,器件问题和线路基至整机系统问题已经结合在一起,体现在一小块硅片上,这就形成了固体物理、器件工艺与电子学三者结合的一个新领域──微电子学。

制造与工艺/半导体集成电路

    集成电路在大约5mm×5mm大小的硅片上,已集成了一台微型计算机的核心部分,包含有一万多个元件。已在硅片上同时制造完成了一个N+PN晶体管,一个由 P型扩散区构成的电阻和一个由N+P结电容构成的电容器,并用金属铝条将它们连在一起。实际上,在一个常用的直径为75mm的硅片上(现在已发展到φ=125mm~150 mm)将有 3000000个这样的元件,组成几百个电路、子系统或系统。通过氧化、光刻、扩散或离子注入、化学气相淀积蒸发或溅射等一系列工艺,一层一层地将整个电路的全部元件、它们的隔离以及金属互连图形同时制造在一个单晶片上,形成一个三维网络。而一次又可以同时加工几十片甚至上百片这样的硅片,所以一批可以得到成千上万个这样的电路。这样高的效率,正是集成电路能迅速发展的技术和经济原因。

    这个三维网络可以有各种不同的电路功能和系统功能,视各层的拓扑图形和工艺规范而定。在一定的工艺规范条件下,主要由各层拓扑图形控制,而各层的拓扑图形又由各次光刻掩膜版所决定。所以光刻掩膜版的设计是制造集成电路的一个关键。它从系统或电路的功能要求出发,按实际可能的工艺参数进行设计,并由计算机辅助来完成设计和掩膜版的制造。

    在芯片制造完成后,经过检测,然后将硅片上的芯片一个个划下来,将性能满足要求的芯片封装在管壳上,即构成完整的集成电路。

    由于集成电路所用的半导体材料是杂质灵敏的,它的元件和连线只有和几个微米线度的大小,一个电路又集中了上万个这样的元件,所以极微细的尘埃颗粒和微量有害杂质沾污,都可以使局部连线和元件损坏,从而使整个电路失效。因此加工集成电路,要求有洁净的环境和纯净的材料。精细加工、洁净环境、纯净材料构成生产和研究集成电路的特点。

基本概念/半导体集成电路

    1 电路的关态-指电路的输出管处于截止工作状态时的电路状态,此时在输出端可得到 VO=VOH,电路输出高电平。

    2电路的开态-指电路的输出管处于饱和工作状态时的电路状态,此时在输出端可得到 VO=VOL,电路输出低电平。

    3 电路的电压传输特性-指电路的输出电压VO随输入电压Vi变化而变化的性质或关系(可用曲线表示,与晶体管电压传输特性相似)。

    4 输出高电平VOH-与非门电路输入端中至少一个接低电平时的输出电平。

    5 输出低电平VOL-与非门电路输入端全部接高电平时的输出电平。

    6 开门电平VIHmin-为保证输出为额定低电平时的最小输入高电平(VON)。

    7关门电平VILmax-为保证输出为额定高电平时的最大输入低电平(VOFF)。

    8 逻辑摆幅VL-输出电平的最大变化区间,VL=VOH-VOL。

    9 过渡区宽度VW-输出不确定区域(非静态区域)宽度,VW=VIHmin-VILmax。

    10 低电平噪声容限VNML-输入低电平时,所容许的最大噪声电压。其表达式为 VNML=VILmax-VILmin=VILmax- VOL(实用电路)。

    11高电平噪声容限VNMH-输入高电平时,所容许的最大噪声电压。其表达式为 VNMH=VIHmax-VIHmin=VOH- VIHmin(实用电路)。

    12 电路的带负载能力(电路的扇出系数)-指在保证电路的正常逻辑功能时,该电路最多可驱动的同类门个数。对门电路来讲,输出有两种稳定状态,即应同时考虑电路开态带负载能力和电路关态带负载能力。

    13 输入短路电流IIL-指电路被测输入端接地,而其它输入端开路时,流过接地输入端的电流。

    14输入漏电流(拉电流,高电平输入电流,输入交叉漏电流)IIH-指电路被测输入端接高电平,而其它输入端接地时,流过接高电平输入端的电流。

    15 静态功耗-指某稳定状态下消耗的功率,是电源电压与电源电流之乘积。电路有两个稳态,则有导通功耗和截止功耗,电路静态功耗取两者平均值,称为平均静态功耗。

    16 瞬态延迟时间td-从输入电压Vi上跳到输出电压Vo开始下降的时间间隔。Delay-延迟。

    17瞬态下降时间tf-输出电压Vo从高电平VOH下降到低电平VOL的时间间隔。Fall-下降。

    18 瞬态存储时间ts-从输入电压Vi下跳到输出电压Vo开始上升的时间间隔。Storage-存储。

    19 瞬态上升时间tr-输出电压Vo从低电平VOL上升到高电平VOH的时间间隔。Rise-上升。

    20瞬态导通延迟时间tPHL-(实用电路)从输入电压上升沿中点到输出电压下降沿中点所需要的时间。

    21 瞬态截止延迟时间tPLH-(实用电路)从输入电压下降沿中点到输出电压上升沿中点所需要的时间。

    22 平均传输延迟时间tpd-为瞬态导通延迟时间tPHL和瞬态截止延迟时间tPLH的平均值,是讨论电路瞬态的实用参数。

半导体集成电路/半导体集成电路

    是将晶体管,二极管等等有源元件和电阻器,电容器等无源元件,按照一定的电路互联,“集成”在一块半导体单晶片上,从而完成特定的电路或者系统功能。

    在一个半导体衬底上至少有一个电路块的半导体集成电路装置,在所述半导体衬底上有:设置在所述电路块边缘的多个焊盘和从所述电路块延伸至所述焊盘之间的多条布线;所述多个焊盘跟半导体集成电路装置的外部引线连接,且所述多条布线是在所述半导体衬底的主面上设有另一电路块时,用以跟来自该另一电路块的布线连接的布线,做成具有能够与来自该另一电路块的布线连接的形状。

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