《IC基本知识》课件2

集成电路基础知识集成电路是现代电子设备的核心组件它们将大量电子元件微缩IC在一个半导体芯片上，实现复杂的逻辑功能什么是集成电路IC微型电子电路复杂功能实现

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2.12集成电路是将多个电子元可以实现各种复杂的功IC件集成到一块半导体芯片能，例如信号处理、数据上，形成一个微型的电子存储、逻辑运算等电路小型化和高集成度低成本和高可靠性

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4.34体积小、重量轻、集成的生产成本低，可靠性IC IC度高，可以将大量的电子高，广泛应用于各种电子元件集成到一块芯片上设备中的发展历史IC1947年晶体管的发明标志着电子技术的新纪元，为集成电路的诞生奠定了基础1958年杰克·基尔比成功研制出世界上第一个集成电路，被誉为“集成电路之父”1960年罗伯特·诺伊斯也独立研制出了集成电路，他们共同推动了集成电路技术的快速发展1961年世界上第一台集成电路计算机问世，开启了计算机小型化的时代1971年英特尔公司推出了世界上第一款微处理器4004，标志着微电子技术的重大突破1980年代超大规模集成电路VLSI技术蓬勃发展，推动了计算机、通信等领域的快速进步1990年代集成电路的制造工艺不断进步，器件尺寸不断缩小，集成度不断提高，推动了电子产品的快速更新换代21世纪纳米级集成电路技术发展迅速，为人工智能、物联网等新兴领域提供了坚实的技术基础的基本结构IC硅片金属层封装引脚的核心是硅片，它是集成硅片表面覆盖一层薄薄的金封装是保护芯片并提供与外封装的引脚用于连接外部电IC电路制作的基础硅片上刻属层，用于连接各种电子器部电路连接的结构，通常采路，方便用户使用蚀了各种电子器件，例如晶件，形成电路用塑料或陶瓷材料体管、电阻器和电容器等集成电路的制造工艺设计1首先要设计出电路图和版图制造2通过光刻、蚀刻等工艺在硅片上制作出电路封装3将芯片封装成可以使用的集成电路测试4测试电路的功能和性能IC制造工艺非常复杂，需要经过多个步骤才能完成其中，光刻技术是最重要的工艺之一光刻使用光束将电路图案转移到硅片上，从而形成集成电路的结构金属氧化物半导体场效应管MOSFET结构由一个半导体材料（通常是硅）构成，包含源极、漏极、栅极三个端点MOSFET原理通过栅极施加电压，控制电流在源极和漏极之间的流动应用广泛应用于现代电子设备中，例如计算机、手机、电视等MOSFET管的工作原理MOS栅极电压1栅极电压控制着沟道的形成和电流的流动当栅极电压超过阈值电压时，沟道形成，允许电流从源极流向漏极源极和漏极2源极是电子流入管的区域，漏极是电子流出管的MOS MOS区域它们之间的电流受栅极电压控制衬底3衬底是管的主要材料，通常是硅或锗它提供了MOS MOS管的基底并影响其特性管的特性MOS导通特性截止特性线性区饱和区当栅极电压高于阈值电压当栅极电压低于阈值电压当栅极电压较高，漏极电当栅极电压较高，漏极电时，管导通，电流可时，管截止，电流几压较低时，管工作在压较高时，管工作在MOS MOS MOSMOS以从源极流向漏极乎无法流过线性区饱和区导通电阻取决于栅极电压截止状态下的电流称为漏线性区特性类似于一个可饱和区特性类似于一个电和沟道长度电流，通常很小变电阻流源逻辑门电路逻辑门电路是集成电路的基本单元，是构建复杂数字电路的基础常见的逻辑门电路包括与门、或门、非门、异或门、与非门、或非门等逻辑门电路根据输入信号的不同组合，输出不同的逻辑信号，实现不同的逻辑运算组合逻辑电路定义特点组合逻辑电路的输出仅取决组合逻辑电路没有存储单元于当前的输入，不依赖于电，输出变化直接跟随输入变路的过去状态化，没有延迟应用组合逻辑电路广泛应用于数字系统中，例如加法器、比较器、译码器、编码器等时序逻辑电路时序逻辑电路时序逻辑电路时序逻辑电路除了组合逻辑电路的逻辑运算功能外，还具时序逻辑电路通常由组合逻辑电路和存储器构成有记忆功能常见的时序逻辑电路包括触发器、计数器、移位寄存器等时序逻辑电路的输出不仅取决于当前的输入，还取决于电路以前的状态存储器存储器类型存储器容量包括、、、指存储器能够存储的总字节RAM ROMEEPROM等，用于存储数据和指数，通常以、或表示Flash KBMB GB令存储器速度存储器成本指存储器读写数据的速度，存储器容量、速度和类型都通常以纳秒或微秒表示会影响成本运算放大器高增益放大器广泛的应用集成电路运算放大器是一种高增益、低成本、运算放大器可用于各种应用，包括滤运算放大器通常被集成在单个芯片中易于使用的模拟电路元件波器、振荡器、比较器和放大器，这使得它们易于使用和制造和转换器A/D D/A模拟信号数字信号12模拟信号是连续变化的，数字信号是离散的，例如例如音频信号计算机数据转换器转换器A/D D/A34将模拟信号转换为数字信将数字信号转换为模拟信号号微处理器的结构和工作原理微处理器是计算机系统的核心，它负责执行指令并控制数据流微处理器通常包含多个功能单元，例如算术逻辑单元（）、控制单元（ALU）、寄存器组等CU微处理器通过读取存储器中的指令，并根据指令的内容对数据进行处理用于执行算术和逻辑运算，负责控制各个功能单元的执行顺ALU CU序和操作方式，寄存器组用于存储临时数据和程序状态信息和内存的工作原理CPU指令1从内存中读取指令CPU数据2从内存中读取数据CPU运算3执行指令，对数据进行运算CPU结果4将运算结果写入内存CPU从内存中获取指令和数据，执行指令并进行运算，将运算结果写入内存内存用于存储数据和指令，供访问CPU CPU常见的封装形式IC双列直插式封装表面贴装封装DIP SMD双列直插式封装是早期常用的封装形式表面贴装封装是一种将器件直接贴装在印它具有引脚排列规则、易于插拔等优点刷电路板表面的封装形式它具有尺寸小、重量轻、引脚间距小等优点球栅阵列封装四方扁平封装BGA QFP球栅阵列封装是一种多引脚封装形式，它四方扁平封装是一种小型封装形式，它具具有高引脚密度、高可靠性等优点有引脚排列规则、易于安装等优点的工作环境要求IC温度湿度电磁干扰工作环境温度过高会导致芯片性能下高湿度环境会导致芯片腐蚀和短路，工作环境中可能存在电磁干扰，会影IC IC降，寿命缩短合适的温度范围通常影响可靠性控制湿度通常需要采取响芯片的正常工作需要采用抗干扰为至，具体取决于芯片类型干燥措施，如使用干燥剂措施，如屏蔽和滤波-40°C+85°C的可靠性和寿命IC可靠性寿命可靠性是指在规定的条件下，在的寿命是指能够正常工作的最长IC IC IC IC规定的时间内正常工作的概率可时间的寿命通常受到温度、湿度IC IC靠性受到设计、制造、封装、使用环、电压、电流、振动等因素的影响境等多种因素的影响功耗和散热问题功耗散热12功耗过高会降低效率并过热会造成性能下降甚IC IC缩短寿命至损坏散热措施低功耗设计34合理设计散热器，选择合优化电路设计，降低内IC适的封装部功耗常见的测试方法IC功能测试测试是否符合设计规范，验证其基本功能IC参数测试测量的各种参数，如电压、电流、频率等IC可靠性测试模拟实际应用环境，评估在高温、低温、振动、冲击等条件下的可靠性IC质量控制措施IC严格的原材料控制工艺参数监控确保原材料质量，例如硅片、金属材料和化学试剂等对关键工艺步骤进行严格的监控，例如光刻、刻蚀和薄膜沉积等在线测试和检测最终产品测试在生产过程中进行在线测试和检测，确保IC符合设计规范和性对完成的IC进行全面测试，包括功能测试、性能测试和可靠性能要求测试等的典型应用领域IC消费电子计算机与通信IC在智能手机、平板电脑、电视和相机等消费电子产品中发挥着重要IC是计算机、服务器、网络设备和通信系统等的核心组件，为数据处作用，推动了设备功能的提升和体积的缩小理、传输和存储提供基础模拟和数字的区别IC IC模拟数字IC IC处理连续的模拟信号，例如电压、电流等处理离散的数字信号，例如和01模拟常用于音频、视频、传感器等领域数字常用于计算机、通信、控制等领域ICIC模拟电路与数字电路的区别信号类型信号表示模拟电路处理连续的模拟信号，而数字电路处理离散的数字信模拟信号以电压或电流的连续变化表示，数字信号以二进制代号码表示电路设计应用领域模拟电路设计侧重于信号放大和滤波，数字电路设计侧重于逻模拟电路广泛应用于音频处理、视频处理和传感器等领域，数辑运算和数据处理字电路广泛应用于计算机、通信和控制系统等领域设计的流程IC产品定义1确定IC的功能和性能指标电路设计2利用EDA工具完成电路设计版图设计3将电路设计转化为可制造的版图工艺仿真4验证版图的工艺可行性芯片制造5利用半导体制造工艺生产芯片IC设计流程是一个复杂的过程，需要多个专业团队协作，才能完成一颗合格的芯片设计集成电路的未来发展趋势更高的集成度更高的性能

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2.12摩尔定律的延续，集成电更快的运算速度、更高的路不断缩小尺寸，提高集数据吞吐量，满足不断增成度长的计算需求更低的功耗更强的可靠性

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4.34随着移动设备和物联网的提高集成电路的可靠性，普及，低功耗成为重要考延长使用寿命，降低故障量率本课程的总结与展望技术发展应用场景人才培养集成电路技术持续进步，芯片性能不人工智能、物联网、云计算等新兴领培养更多高素质的集成电路人才，推断提升，应用领域不断拓展域对集成电路的需求不断增长动行业发展。