半導(dǎo)體集成電路是將晶體管,二極管等等有源元件和電阻器,電容器等無源元件,按照一定的電路互聯(lián),“集成”在一塊半導(dǎo)體單晶片上,從而完成特定的電路或者系統(tǒng)功能。一般認(rèn)為集成度在 100元件以下的稱為小規(guī)模集成電路(SSI),主要在50年代末發(fā)展;集成度在100~1000個元件數(shù)的稱為中規(guī)模集成電路 (MSI),主要在60年代發(fā)展;集成度在 1000~105個元件的稱為大規(guī)模集成電路(LSI),主要在70年代發(fā)展。第三部分(第6~8章)為CMOS數(shù)字集成電路,分為CMOS基本邏輯電路、CMOS數(shù)字子系統(tǒng)和現(xiàn)代半導(dǎo)體存儲器、第四部分(第9~13章)為CMOS模擬集成電路,包括基本模擬電路單元、運算放大器、開關(guān)電容電器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和鎖相環(huán)。
1、電路的關(guān)態(tài)-指電路的輸出管處于截止工作狀態(tài)時的電路狀態(tài),此時在輸出端可得到 VO=VOH,電路輸出高電平。
2、電路的開態(tài)-指電路的輸出管處于飽和工作狀態(tài)時的電路狀態(tài),此時在輸出端可得到 VO=VOL,電路輸出低電平。
3、電路的電壓傳輸特性-指電路的輸出電壓VO隨輸入電壓Vi變化而變化的性質(zhì)或關(guān)系(可用曲線表示,與晶體管電壓傳輸特性相似)。
4、輸出高電平VOH-與非門電路輸入端中至少一個接低電平時的輸出電平。
5、輸出低電平VOL-與非門電路輸入端全部接高電平時的輸出電平。
6、開門電平VIHmin-為保證輸出為額定低電平時的最小輸入高電平(VON)。
7、關(guān)門電平VILmax-為保證輸出為額定高電平時的輸入低電平(VOFF)。
8、邏輯擺幅VL-輸出電平的變化區(qū)間,VL=VOH-VOL。
9、過渡區(qū)寬度VW-輸出不確定區(qū)域(非靜態(tài)區(qū)域)寬度,VW=VIHmin-VILmax。
10、低電平噪聲容限VNML-輸入低電平時,所容許的噪聲電壓。其表達(dá)式為 VNML=VILmax-VILmin=VILmax- VOL(實用電路)。
11、高電平噪聲容限VNMH-輸入高電平時,所容許的噪聲電壓。其表達(dá)式為 VNMH=VIHmax-VIHmin=VOH- VIHmin(實用電路)。
12、電路的帶負(fù)載能力(電路的扇出系數(shù))-指在保證電路的正常邏輯功能時,該電路最多可驅(qū)動的同類門個數(shù)。對門電路來講,輸出有兩種穩(wěn)定狀態(tài),即應(yīng)同時考慮電路開態(tài)帶負(fù)載能力和電路關(guān)態(tài)帶負(fù)載能力。
13、輸入短路電流IIL-指電路被測輸入端接地,而其它輸入端開路時,流過接地輸入端的電流。
14輸入漏電流(拉電流,高電平輸入電流,輸入交叉漏電流)IIH-指電路被測輸入端接高電平,而其它輸入端接地時,流過接高電平輸入端的電流。
15、靜態(tài)功耗-指某穩(wěn)定狀態(tài)下消耗的功率,是電源電壓與電源電流之乘積。電路有兩個穩(wěn)態(tài),則有導(dǎo)通功耗和截止功耗,電路靜態(tài)功耗取兩者平均值,稱為平均靜態(tài)功耗。
16、瞬態(tài)延遲時間td-從輸入電壓Vi上跳到輸出電壓Vo開始下降的時間間隔。Delay-延遲。
17、瞬態(tài)下降時間tf-輸出電壓Vo從高電平VOH下降到低電平VOL的時間間隔。Fall-下降。
18、瞬態(tài)存儲時間ts-從輸入電壓Vi下跳到輸出電壓Vo開始上升的時間間隔。Storage-存儲。
19、瞬態(tài)上升時間tr-輸出電壓Vo從低電平VOL上升到高電平VOH的時間間隔。Rise-上升。
20、瞬態(tài)導(dǎo)通延遲時間tPHL-(實用電路)從輸入電壓上升沿中點到輸出電壓下降沿中點所需要的時間。
21、瞬態(tài)截止延遲時間tPLH-(實用電路)從輸入電壓下降沿中點到輸出電壓上升沿中點所需要的時間。
22、平均傳輸延遲時間tpd-為瞬態(tài)導(dǎo)通延遲時間tPHL和瞬態(tài)截止延遲時間tPLH的平均值,是討論電路瞬態(tài)的實用參數(shù)。
集成電路在大約5mm×5mm大小的硅片上,已集成了一臺微型計算機(jī)的核心部分,包含有一萬多個元件。一個由P型擴(kuò)散區(qū)構(gòu)成的電阻和一個由N+P結(jié)電容構(gòu)成的電容器,并用金屬鋁條將它們連在一起。實際上,在一個常用的直徑為75mm的硅片上(現(xiàn)在已發(fā)展到φ=125mm~150mm)將有3000000個這樣的元件,組成幾百個電路、子系統(tǒng)或系統(tǒng)。通過氧化、光刻、擴(kuò)散或離子注入、化學(xué)氣相淀積蒸發(fā)或濺射等一系列工藝,一層一層地將整個電路的全部元件、它們的隔離以及金屬互連圖形同時制造在一個單晶片上,形成一個三維網(wǎng)絡(luò)。而一次又可以同時加工幾十片甚至上百片這樣的硅片,所以一批可以得到成千上萬個這樣的電路。這樣高的效率,正是集成電路能迅速發(fā)展的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)原因。
這個三維網(wǎng)絡(luò)可以有各種不同的電路功能和系統(tǒng)功能,視各層的拓?fù)鋱D形和工藝規(guī)范而定。在一定的工藝規(guī)范條件下,主要由各層拓?fù)鋱D形控制,而各層的拓?fù)鋱D形又由各次光刻掩膜版所決定。所以光刻掩膜版的設(shè)計是制造集成電路的一個關(guān)鍵。它從系統(tǒng)或電路的功能要求出發(fā),按實際可能的工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)計,并由計算機(jī)輔助來完成設(shè)計和掩膜版的制造。
在芯片制造完成后,經(jīng)過檢測,然后將硅片上的芯片一個個劃下來,將性能滿足要求的芯片封裝在管殼上,即構(gòu)成完整的集成電路。
由于集成電路所用的半導(dǎo)體材料是雜質(zhì)靈敏的,它的元件和連線只有和幾個微米線度的大小,一個電路又集中了上萬個這樣的元件,所以極微細(xì)的塵埃顆粒和微量有害雜質(zhì)沾污,都可以使局部連線和元件損壞,從而使整個電路失效。因此加工集成電路,要求有潔凈的環(huán)境和純凈的材料。精細(xì)加工、潔凈環(huán)境、純凈材料構(gòu)成生產(chǎn)和研究集成電路的特點。
集成電路是隨著電子裝備小型化和高可靠要求而發(fā)展起來的。它是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的綜合結(jié)晶,追溯起來,早在第二次世界大戰(zhàn)期間,在陶瓷基片上制成的電阻陣列應(yīng)是次集成化電路。晶體管發(fā)明后不久,就出現(xiàn)了一些鍺集成電路。但是半導(dǎo)體集成電路的真正發(fā)展則是在發(fā)明了平面晶體管以后。個有重要意義的突破是在硅片上熱生長具有優(yōu)良電絕緣性能,又能掩蔽雜質(zhì)擴(kuò)散的二氧化硅層。50年代中期以后,又將在印刷照相業(yè)中早已廣泛應(yīng)用的光刻技術(shù)和制鏡及透鏡制造業(yè)中應(yīng)用的薄膜蒸發(fā)技術(shù)引入到半導(dǎo)體工業(yè)中來,它們和擴(kuò)散、外延等技術(shù)相結(jié)合,奠定了一整套集成電路制造工藝技術(shù)。到50年代后期,集成電路主要技術(shù)都已相繼發(fā)展和基本形成了。1958年制成了只單片集成電路。與以往電子裝配相比較,在縮小體積、降低成本、提高可靠性、降低功耗、提高速度等方面,集成電路都有著巨大的優(yōu)越性和潛力。所以此后的發(fā)展速度是十分驚人的。每個半導(dǎo)體芯片上的元件數(shù),即集成度,60年代到70年代初每年遞增一倍,70年代末到目前,每兩年遞增一倍。人們往往用集成度來劃分大、中、小規(guī)模集成電路。一般認(rèn)為集成度在100元件以下的稱為小規(guī)模集成電路(SSI),主要在50年代末發(fā)展;集成度在100~1000個元件數(shù)的稱為中規(guī)模集成電路(MSI),主要在60年代發(fā)展;集成度在1000~105個元件的稱為大規(guī)模集成電路(LSI),主要在70年代發(fā)展。一個LSI往往是一個子系統(tǒng)。特別是在1971年微處理機(jī)問世以來,計算機(jī)設(shè)計和集成電路技術(shù)融合在一起,使整臺計算機(jī)可以做在一個芯片上。集成度在105元件以上的一般稱為超大規(guī)模集成電路(VLSI),主要在80年代發(fā)展。采用更先進(jìn)的制造工藝技術(shù),發(fā)展了一系列如電子束、軟X射線曝光、離子刻蝕等精細(xì)加工技術(shù),計算機(jī)工藝模擬和計算機(jī)輔助生產(chǎn)(CAP),以及計算機(jī)輔助測試(CAT)等技術(shù)。它的設(shè)計更多采用計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)。
集成電路和微處理機(jī)的出現(xiàn)不僅深刻地改變了電子技術(shù)的面貌和原有的設(shè)計理論基礎(chǔ),而且成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要基礎(chǔ)之一。
集成電路向功能越來越大的方向發(fā)展,使整機(jī)、線路與元件、器件之間的明確界限被突破,器件問題和線路基至整機(jī)系統(tǒng)問題已經(jīng)結(jié)合在一起,體現(xiàn)在一小塊硅片上,這就形成了固體物理、器件工藝與電子學(xué)三者結(jié)合的一個新領(lǐng)域──微電子學(xué)。
維庫電子通,電子知識,一查百通!
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