关于集成电路的全面介绍_集成电路包括了什么

集成电路芯片,也称微电子电路、微芯片IC,是作为单个单元制造的电子元件组件,其中包括微型有源器件(如晶体管和二极管)和无源器件(如电容器和电阻器)它们的互连是建立在半导体材料(通常是硅)的薄衬底上的。由此产生的电路是一个小型单片“芯片”,它可以小到几平方厘米或只有几平方毫米。单个电路元件的尺寸通常很小。
集成电路起源于1947年美国电话电报公司贝尔实验室的威廉·肖克利和他的团队发明晶体管。肖克利的团队(包括约翰·巴丁和沃尔特·H·布拉顿)发现,在适当的情况下,电子会在某些晶体的表面形成一个屏障,他们学会了通过操纵这个屏障来控制通过晶体的电流。通过控制通过晶体的电子流,研究小组得以制造出一种可以执行某些电子操作的设备,如信号放大,而这些操作以前是由真空管完成的。他们把这种装置命名为晶体管,是由“传输”和“电阻”两个词组合而成的。研究用固体材料制造电子器件的方法被称为固态电子学。事实证明,固态设备比真空管更坚固、更容易操作、更可靠、更小、更便宜。使用同样的原理和材料,工程师们很快学会了制造其他电气元件,如电阻器和电容器。既然电气设备可以制造得如此之小,电路中最大的部分就是设备之间笨拙的接线。

1958年,德克萨斯仪器公司的杰克·基尔比(Jack Kilby)和飞兆半导体公司的罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)独立思考了进一步缩小电路尺寸的方法。他们将非常薄的金属路径(通常是铝或铜)直接铺设在与设备相同的材料上。这些小径充当电线。通过这种技术,整个电路可以“集成”在一块固体材料上,从而形成一个集成电路(IC)。集成电路可以在一块豌豆大小的材料上包含数十万个单独的晶体管。使用这么多的真空管将是不现实的尴尬和昂贵。集成电路的发明使信息时代的技术成为可能。ICs现在广泛应用于各行各业,从汽车到烤面包机再到游乐园游乐设施。
基本IC类型
模拟电路与数字电路
模拟或线性电路通常只使用少数元件,因此是一些最简单的IC类型。通常,模拟电路连接到从环境中收集信号或将信号发送回环境的设备。例如,麦克风将波动的人声转换为电压变化的电信号。然后,模拟电路以一些有用的方式修改信号,例如放大信号或过滤不需要的噪声。这样的信号可能会被反馈到扬声器,扬声器将再现最初由麦克风拾取的音调。模拟电路的另一个典型用途是控制某些设备,以响应环境的持续变化。例如,温度传感器向恒温器发送一个变化的信号,恒温器可编程为在信号达到一定值后打开和关闭空调、加热器或烤箱。

另一方面,数字电路被设计成只接受特定给定值的电压。仅使用两种状态的电路称为二进制电路。具有二进制量的电路设计,“开”和“关”表示1和0(即真和假),使用布尔代数逻辑。(算术也在采用布尔代数的二进制系统中执行。)这些基本元素在数字计算机和相关设备的IC设计中结合起来,以执行所需的功能。

微处理器电路
微处理器是最复杂的集成电路。它们由数十亿个晶体管组成,这些晶体管被配置成数千个独立的数字电路,每个电路都执行某些特定的逻辑功能。微处理器完全由这些相互同步的逻辑电路构成。微处理器通常包含计算机的中央处理器(CPU)。

就像行军乐队一样,电路只在乐队指挥的指导下执行其逻辑功能。可以说,微处理器中的带控器称为时钟。时钟是一种在两种逻辑状态之间快速交替的信号。每当时钟改变状态时,微处理器中的每个逻辑电路都会做一些事情。根据微处理器的速度(时钟频率),可以非常快速地进行计算。

微处理器包含一些存储信息的电路,称为寄存器。寄存器是预先确定的内存位置。每个处理器都有许多不同类型的寄存器。永久寄存器用于存储各种操作(如加法和乘法)所需的预编程指令。临时寄存器存储要操作的编号以及结果。寄存器的其他示例包括程序计数器(也称为指令指针),其中包含下一条指令的内存地址;堆栈指针(也称为堆栈寄存器),其中包含放入称为堆栈的内存区域的最后一条指令的地址;以及存储器地址寄存器,其包含要处理的数据所在的地址或已处理的数据将被存储的地址。

微处理器每秒可以对数据执行数十亿次操作。除了计算机,微处理器在视频游戏系统、电视、照相机和汽车中也很常见。
存储器电路
微处理器通常必须存储比几个寄存器中所能存储的数据更多的数据。此附加信息被重新定位到特殊的存储器电路。内存由密集的并行电路阵列组成,这些并行电路利用它们的电压状态来存储信息。内存还存储微处理器的临时指令序列或程序。

制造商不断努力减小存储器电路的尺寸,以在不增加空间的情况下增加容量。此外,较小的组件通常使用更少的功率,运行效率更高,制造成本更低。
数字信号处理器
信号是一种模拟波形,环境中的任何东西都可以通过电子方式捕获。数字信号是一种模拟波形,它已被转换为一系列二进制数字以进行快速操作。顾名思义,数字信号处理器(DSP)以1和0的模式对信号进行数字处理。例如,使用模数转换器(通常称为A-D或A/D转换器),可以将某人的语音记录转换为数字1和0。然后,DSP可以使用复杂的数学公式修改语音的数字表示。例如,电路中的DSP算法可被配置为将口语词之间的间隙识别为背景噪声,并从波形中数字地去除环境噪声。最后,处理后的信号可以(通过D/a转换器)转换回模拟信号进行监听。数字处理可以快速滤除背景噪声,因此没有明显的延迟,信号似乎是“实时”听到的。例如,这种处理使“现场”电视广播能够聚焦于美国橄榄球比赛中四分卫的信号。

数字信号处理器也被用于在电视直播中产生数字效果。例如,足球比赛中显示的黄色标记线实际上并不在球场上;数字信号处理器在摄像机拍摄图像后,但在图像播放之前添加线条。类似地,在电视转播的体育赛事中,在体育场围栏和广告牌上看到的一些广告并不存在。
专用集成电路
专用集成电路(ASIC)可以是数字电路或模拟电路。顾名思义,ASIC是不可重构的;它们只执行一个特定的功能。例如,遥控车的速度控制器IC是硬连线的,只能完成一项工作,永远无法成为微处理器。ASIC不包含任何遵循备用指令的能力。
射频集成电路
射频集成电路(rfic)广泛应用于手机和无线设备中。射频集成电路是一种模拟电路,通常在3千赫至2.4千兆赫(3000赫兹至24亿赫兹)的频率范围内运行,工作频率约为1太赫兹(1万亿赫兹)的电路正在开发中。它们通常被认为是ASIC,即使有些可以配置为几个类似的应用程序。

大多数工作频率超过500兆赫(5亿赫兹)的半导体电路会导致电子元件及其连接路径以不寻常的方式相互干扰。工程师必须使用特殊的设计技术来处理高频微电子相互作用的物理问题。
单片微波集成电路
一种特殊类型的射频集成电路称为单片微波集成电路(MMIC;也称为微波单片集成电路)。这些电路通常在2-100GHz范围内或微波频率下运行,用于雷达系统、卫星通信和蜂窝电话的功率放大器。

正如声音在水中的传播速度比在空气中的传播速度快一样,电子在每种半导体材料中的传播速度也不同。硅为微波频率电路提供了太多的电阻,因此复合砷化镓(GaAs)通常用于MMIC。不幸的是,砷化镓的机械性能比硅差得多。它很容易断裂,所以砷化镓晶片通常比硅晶片要昂贵得多。
基本半导体设计
任何材料都可以分为三类:导体、绝缘体或半导体。导体(如铜或盐水)很容易导电,因为它有大量的自由电子。绝缘体(如陶瓷或干燥空气)导电性非常差,因为它几乎没有自由电子。半导体(如硅或砷化镓)位于导体和绝缘体之间。它能传导一些电,但不多。
掺杂硅
大多数集成电路是由硅制成的,硅在普通沙滩上含量丰富。与其他半导体材料一样,纯晶体硅在正常室温下具有很高的电流电阻。然而,通过添加某些杂质(称为掺杂剂),硅可以传导可用电流。特别地,掺杂硅可以用作开关,根据需要关闭和打开电流。

引入杂质的过程称为掺杂或注入。根据掺杂剂的原子结构,注入的结果将是n型(负)或p型(正)半导体。n型半导体是注入杂质原子的结果,杂质原子的外层(键合)电子比硅多。由此产生的半导体晶体含有多余的或自由的电子,这些电子可用于传导电流。p型半导体是通过注入掺杂原子而产生的,掺杂原子的外层电子比硅少。由此产生的晶体在其键合结构中包含“空穴”,电子通常位于该结构中。本质上,这样的空穴可以穿过带正电荷的晶体。

p-n结
p型或n型半导体本身不是很有用。然而,将这些相反的材料连接起来就形成了所谓的p-n结。p-n结形成了材料之间传导的屏障。尽管n型材料中的电子被吸引到p型材料中的空穴,但电子通常能量不足,无法克服中间的势垒。然而,如果向n型材料中的电子提供额外的能量,它们将能够穿过势垒进入p型材料,电流将流动。可通过向p型材料施加正电压来提供额外能量。然后,带负电的电子将被结上的正电压高度吸引。

当能量被添加到n材料时导电的p-n结被称为正向偏置,因为电子向前移动到空穴中。如果以相反方向施加电压——连接到接头n侧的正电压,则不会有电流流动。n材料中的电子仍将被吸引到正电压,但电压现在将与电子位于势垒的同一侧。在这种状态下,称结为反向偏置。由于p-n结只在一个方向上导电,因此它们是一种二极管。二极管是半导体开关的基本组成部分。
场效应管
在靠近N型材料长条的中心带负电压将排斥材料中的附近电子,从而形成孔,即将中间的一些条带转变为P型材料。这种利用电场改变极性的现象使场效应晶体管得名。当施加电压时,沿条带将存在两个p-n结,从n到p,然后从p回到n。两个结中的一个总是反向偏置的。由于反向偏置结不能传导,电流就不能流过带。

集成电路包括了什么

场效应可以用来创建开关(晶体管)来关闭和打开电流,只需在附近施加和移除一个小电压,以创建或破坏材料中的反向偏置二极管。利用场效应产生的晶体管称为场效应晶体管(FET)。施加电压的位置称为栅极。栅极通过一层薄薄的绝缘层与晶体管带隔开,以防止通过半导体的电子流从输入(源)电极短路到输出(漏)电极。
类似地,可以通过在p型材料条附近放置正栅极电压来制作开关。正电压吸引电子,从而在一条p内形成一个n区域。这将再次创建两个p-n结或二极管。和以前一样,其中一个二极管总是反向偏置,并阻止电流流动。
场效应晶体管很适合构建逻辑电路,因为它们在开关过程中只需要很小的电流。将晶体管保持在接通或断开状态不需要电流;电压将维持该状态。这种类型的开关有助于延长电池寿命。FET被称为单极性(从“单极性”)是因为主要的传导方法是空穴或电子,而不是两者。
增强型场效应晶体管
场效应晶体管有两种基本类型。前面描述的类型是耗尽型FET,因为一个区域耗尽了其自然电荷。场效应还可用于通过增强区域使其看起来与其周围区域相似来创建所谓的增强模式FET。
n型增强型FET由n型材料的两个区域组成,两个区域之间由一个小的p区域隔开。由于该场效应管自然包含两个p-n结和两个二极管,因此通常关闭。然而,当在栅极上放置正电压时,电压吸引电子并在中间区域中产生n型材料,填充先前p型材料的间隙。因此,栅极电压在整个条带上形成一个连续的n区域,允许电流从一侧流向另一侧。这会打开晶体管。类似地,p型增强模式FET可以由两个p型材料区域制成,这两个区域由一个小的n区域隔开。打开此晶体管所需的栅极电压为负。增强型场效应晶体管比耗尽型场效应晶体管的开关速度更快,因为它们只需要在栅极下表面附近发生变化,而不是在整个材料中发生变化。

互补金属氧化物半导体
回想一下,在n型增强型FET的栅极上施加正电压将打开开关。在p型增强型FET的栅极上施加相同的电压将关闭开关。同样,在栅极处施加负电压将关闭n型,打开p型。这些场效应晶体管总是以相反或互补的方式响应给定的栅极电压。因此,如果n型和p型FET的栅极连接,施加到公共栅极的任何电压都将操作互补对,打开一个,关闭另一个。以这种方式配对n型和p型晶体管的半导体称为互补金属氧化物半导体(CMOS)。由于互补晶体管对可以在两种逻辑状态之间快速切换,CMOS在逻辑电路中非常有用。特别是,由于在任何时候只有一个电路处于开启状态,CMOS需要的电源更少,并且通常用于电池供电的设备,如数码相机,以及用于保存个人计算机中的日期、时间和系统参数的特殊内存。
双极晶体管
双极晶体管同时利用空穴和电子导电,因此得名(源于“两极”)。与FET一样,双极晶体管包含配置在输入、中间和输出区域的p型和n型材料。然而,在双极晶体管中,这些区域被称为发射极、基极和集电极。双极晶体管不像FET那样依赖二次电压源来改变栅极下的极性(场效应),而是使用二次电压源来提供足够的能量,使电子穿过反向偏置的基极-集电极结。当电子被激发时,它们跳入收集器并完成电路。注意,即使是高能电子,p型材料的中间部分也必须非常薄,这样电子才能通过两个结。
可以制作比任何CMOS晶体管栅极小得多的双极基极区。这种更小的尺寸使得双极晶体管比CMOS晶体管工作得更快。双极晶体管通常用于速度非常重要的应用中,例如在射频IC中。另一方面,尽管双极晶体管速度更快,但FET使用的电流更少。设计师选择的开关类型取决于哪些优点对应用程序更重要:速度还是节能。这是工程师在设计电路时做出的许多权衡决定之一。
设计集成电路
所有IC都使用相同的电压(V)、电流(I)和电阻(R)基本原理。特别是,基于欧姆定律的方程式V=IR决定了许多电路设计选择。设计工程师还必须熟悉不同应用所需的各种电子元件的特性。

模拟设计
如前所述,模拟电路接受无限可变的真实世界电压或电流,并以某种有用的方式对其进行修改。信号可能被放大,与另一个信号相比较,与其他信号混合,与其他信号分离,检查值,或以其他方式操作。对于这类电路的设计,每个单独元件、尺寸、布局和连接的选择至关重要。独特的决定比比皆是,例如,一个连接是否应该比另一个连接稍宽,一个电阻器是否应该平行或垂直于另一个电阻器,或者一条导线是否可以位于另一条导线的顶部。每个小细节都会影响最终产品的最终性能。
当集成电路更简单时,元件值可以手工计算。例如,放大器的特定放大值(增益)通常可以通过两个特定电阻器的比率来计算。然后,可以使用放大器增益所需的电阻值和使用的电源电压来确定电路中的电流。随着设计变得越来越复杂,实验室测量被用来表征设备。工程师绘制了几个变量的设备特性图,然后参考这些图,因为他们需要用于计算的信息。当科学家们改进了他们对每个设备的复杂物理特性的描述时,他们开发了复杂的方程式,其中考虑了从粗略的实验室测量中不明显的细微影响。例如,晶体管在不同的频率、大小、方向和位置下工作非常不同。特别是,科学家们发现了寄生元件(不必要的影响,通常是电阻和电容),它们是设备制造过程中固有的。当电路变得更复杂、更小,并且在更高的频率下运行时,寄生问题变得更严重。
虽然电路中的寄生元件现在可以用复杂的方程来解释,但手工计算非常耗时。为了完成这项工作,计算机已变得不可或缺。特别是,在1970年代在加利福尼亚大学伯克利开发的一个公共领域电路分析程序,SPICE(集成电路强调的仿真程序)和设计用于它的各种专有模型在工程课程和工业中广泛用于模拟电路设计。SPICE有晶体管、电容器、电阻器和其他元件的方程式,以及导线长度和导线匝数的方程式,它可以将电路相互作用的计算从以前手工计算所需的几个月减少到几个小时。
数字化设计
由于数字电路涉及的元件数量是模拟电路的数百万倍,因此大部分设计工作都是通过复制和重用相同的电路功能来完成的,特别是通过使用包含预结构电路元件库的数字设计软件。此类库中可用的组件具有相似的高度,在预定义的位置包含接触点,并且具有其他刚性一致性,因此无论计算机如何配置布局,它们都可以装配在一起。虽然SPICE非常适合分析模拟电路,其方程描述了各个组件,但数字电路的复杂性需要一种不太详细的方法。因此,数字分析软件忽略了整个预配置电路块(或逻辑功能)数学模型的单个组件。
使用模拟电路还是数字电路取决于电路的功能。模拟电路的设计和布局对团队合作、时间、创新和经验的要求越来越高,尤其是在电路频率越来越高的情况下,尽管熟练的数字设计师和布局工程师在监督自动化过程中也会大有裨益。数字设计强调与模拟设计不同的技能。

混合信号设计
对于同时包含模拟和数字电路(混合信号芯片)的设计,标准模拟和数字模拟器是不够的。取而代之的是,使用特殊的行为模拟器,采用数字模拟器背后相同的简化思想来模拟整个电路,而不是单个晶体管。行为模拟器主要用于加速混合信号芯片模拟端的模拟。
行为仿真的难点在于确保模拟电路功能的模型是准确的。由于每个模拟电路都是独特的,似乎必须设计两次系统,一次设计电路,一次设计模拟器模型。
制造集成电路
制作基片
在其上构建IC的衬底材料或基片是半导体,例如硅或砷化镓。为了获得一致的性能,半导体必须是非常纯净的单晶。1916年,波兰化学家简·切克拉斯基(Jan Czochralski)发现了制造大单晶的基本技术,现在称为切克拉斯基法。为了使用提拉法制造硅单晶,在熔融石英坩埚中将电子级硅(精炼至1000亿分之一杂质以下)加热至约1500°C(2700°F)。要么给电子元素如磷或砷(对于p型半导体),要么接受电子元素如硼(对于n型半导体),以十亿分之几的浓度混合。将直径约为0.5厘米(0.2英寸)、长度约为10厘米(4英寸)的小“种子”晶体连接到棒的末端,并将其降低,直到其刚好穿透硅的熔融表面。然后将棒和坩埚反向旋转,同时以每秒几毫米的速度缓慢取出棒。如果同步得当,这些过程会导致单晶生长缓慢。
许多天后,单晶的长度可以超过1米(3.3英尺),直径可以达到300毫米(11.8英寸)。然后将大的晶锭像一块面包一样切成薄片,在薄片上同时制造出许多集成电路。IC在制造后被切割和分离。
建筑层
各种器件,如二极管、晶体管、电容器和电阻器,都可以用p型和n型半导体制造。可以方便地从相同的几个基本制造步骤制造所有这些不同的电子元件。
IC由厚度约为0.000005至0.1mm的层构成,这些层一次一层构建在半导体衬底上,最终芯片中可能有30层或更多层。在一个芯片上创建不同的电子元件是一个精确勾勒出n型和p型区域在每一层上的位置的问题。每一层都是蚀刻的,在材料沉积的确切位置使用线条和几何形状。
晶圆可以通过以下三种基本方式之一进行改变:沉积(即添加一层)、蚀刻或移除一层,或注入(改变一层的组成)。这些过程描述如下。(有关蚀刻的更多详细信息,请参见光刻一节。)
沉积
在一种称为薄膜沉积的工艺中,通过化学或物理反应将某种物质的薄膜沉积到晶圆上。
化学方法
在一种称为化学气相沉积的常用方法中,将基板置于低压室中,在低压室中混合某些气体并加热至650–850°C(1200–1550°F),以形成所需的固体薄膜物质。固体从混合气体中冷凝,均匀地“降雨”在晶圆表面。这种技术的一种特殊变体称为外延,它在晶片上缓慢沉积硅(或砷化镓)以产生晶体的外延生长。此类薄膜可以相对较厚(0.1 mm),通常用于在绝缘体衬底上生产硅,从而降低功率要求并加快CMOS的开关能力(在补充金属氧化物半导体一节中描述)。另一种变化称为等离子体增强(或等离子体辅助)化学气相沉积,使用低压和高压来创建等离子体环境。等离子体使气体在300至350°C(600至650°F)的低得多的温度下以更快的速度反应和沉淀,但这种方法往往会牺牲沉积的均匀性。

另外两种化学沉积方法是电沉积(或电镀)和热氧化。在前者中,基板被赋予导电涂层,并置于含有金属离子(如金、铜或镍)的液体溶液(电解液)中。可以制作各种膜厚。在热氧化过程中,将基板加热至900–1100°C(1650–2000°F),从而导致表面氧化。该工艺通常用于形成一层薄的(0.0001-mm)二氧化硅绝缘层。
物理方法
一般来说,薄膜沉积的物理方法不如化学方法均匀;然而,物理方法可以在较低的温度下进行,因此对基板的损坏风险较小。一种常见的物理方法是溅射。在溅射中,将晶片和金属源置于真空室中,并在低压下引入惰性气体,如氩。然后,气体被射频电源电离,离子被电场加速,朝向金属表面。当这些高能离子撞击时,它们将一些金属原子从表面击落,形成蒸汽。该蒸汽在腔室内的表面(包括基板)上冷凝,形成所需的薄膜。
在蒸发沉积中,金属源在真空室中通过使电流通过钨容器或将电子束聚焦在金属表面来加热。当金属原子蒸发时,它们形成蒸汽,在晶圆较冷的表面冷凝形成一层。
最后,在浇铸过程中,将一种物质溶解在溶剂中并喷涂在晶圆上。溶剂蒸发后,留下一层极薄的物质薄膜(可能是一层分子)。浇铸通常用于添加光敏聚合物涂层,称为光刻胶层。
蚀刻
一层可以全部或部分地去除,可以通过用强化学物质蚀刻掉材料,也可以通过反应离子蚀刻(RIE)去除。RIE类似于氩气室中的溅射,但极性相反,使用不同的气体混合物。晶圆表面的原子飞走了,留下了裸露的部分。
植入
另一种修改晶圆的方法是用额外的原子轰击其表面。这叫做植入。足够多的原子深入表面,改变其特性,形成n型和p型材料区域。过分狂热的原子撕裂组织良好的晶格,破坏了晶圆的结构。植入后,对晶圆进行退火(加热)以修复该损伤。作为退火的副作用,注入的原子通常会移动一点,扩散到周围的材料中。因此,退火后包含注入原子的总面积称为扩散层。
最后的钝化层被添加到晶圆的顶部,以将其与水和其他污染物隔离。在该层的特定位置蚀刻孔,以与集成电路进行电气接触。
光刻
为了改变晶圆上的特定位置,首先应用光致抗蚀剂层(如沉积部分中所述)。光致抗蚀剂,或仅仅是抗蚀剂,通常在暴露于光(包括紫外线辐射或X射线)后溶解在高pH溶液中,这个过程称为显影,通过使用掩模来控制。面具是在玻璃板上涂上一层厚厚的特定图案的铬。铬在大部分晶圆上形成阴影,使“光”仅在所需位置照射。这使得能够根据所使用的光的波长来创建非常小的区域,这些区域不受硬抗蚀剂的保护。
冲洗掉显影的抗蚀剂后,可通过上述沉积、蚀刻或注入工艺对未保护区域进行修改,而不会影响晶圆的其余部分。一旦完成此类修改,剩余的抗蚀剂将被特殊溶剂溶解。在不同的层(30左右)使用不同的掩模重复该过程,以对晶圆进行更改。
为每一层设计遮罩的人称为布局工程师或遮罩设计师。电路设计人员将电路组件和连接的选择权交给了遮罩设计人员,但遮罩设计人员在决定如何创建最终产品、将使用哪些层来构建组件、如何设计连接、外观如何、大小以及性能如何方面有很大的自由度。成功的集成电路开发是电路和掩模设计师之间的团队合作。
最终方案
在完成对晶圆的所有更改后,数千个单独的IC单元被分割开来。这叫做切割晶圆。每个IC单元现在称为模具。模具类似于城市的卫星图像,其中的电路看起来像道路。
每个通过测试的模具都放入硬塑料包装中。这些被称为芯片的塑料包装是人们在观察计算机电路板时观察到的。塑料封装具有金属连接引脚,通过钝化层中的孔将外部世界(如计算机板)连接到模具上的适当接触点。

 

 

 

 

 

 

 

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创建时间:2021-11-29 16:39