电路基础选修论文

集成电路的现状与发展趋势

肖庭锐

（广东工业大学管理学院，广州，510520）

摘要: 目前,以集成电路为基础的电子信息产业已成为世界第一大产业。随着集成电路技术的发展,整机与元器件之间的明确界限被突破,集成电路不仅成为现代产业和科学技术的基础,而且正创造着代表信息时代的硅文化。

关键词:集成电路 晶体管 系统集成 数字技术 发展趋势 1

1引言

集成电路对一般人来说也许会有陌生感，但其实我们和它打交道的机会很多。计算机、电视机、手机、网站、取款机等等，数不胜数。除此之外在航空航天、星际飞行、医疗卫生、交通运输、武器装备等许多领域，几乎都离不开集成电路的应用，当今世界，说它无孔不入并不过分。在当今这信息化的社会中,集成电路已成为各行各业实现信息化、智能化的基础。无论是在军事还是民用上,它已起着不可替代的作用。

2 集成电路的定义、特点及分类

2.1集成电路的定义

集成电路（integrated circuit）是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”表示。集成电路发明者为杰克·基尔比（基于锗（Ge）的集成电路）和罗伯特·诺伊思（基于硅（Si）的集成电路）。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。

2.2集成电路的定义

集成电路或称微电路（microcircuit）、微芯片（microchip）、

芯片（chip）在电子学中是一种把电路（主要包括半导体装置，也包括被动元件等）小型化的方式，并通常制造在半导体晶圆表面上。前述将电路制造在半导体芯片表面上的集成电路又称薄膜（thin-film）集成电路。另有一种厚膜（thick-film）混成集成电路1 肖庭锐（1997-），男，广东汕头人，就读于广东工业大学管理学院，现为二年级学生

（hybrid integrated circuit）是由独立半导体设备和被动元件，集成到衬底或线路板所构成的小型化电路。集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛的应用。用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可大大提高。

2.3集成电路的分类

2.3.1按功能结构分类

集成电路，又称为IC，按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路三大系，而数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号（指在时间上和幅度上离散取值的信号。例如3G手机、数码相机、电脑CPU、数字电视的逻辑控制和重放的音频信号和视频信号）类。模拟集成电路又称线性电路,用来产生、放大和处理各种模拟信号（指幅度随时间变化的信号。例如半导体收音机的音频信号、录放机的信号等），其输出信号和输入信号成正比。

2.3.2按制作工艺分类

集成电路按集成工艺可分为半导体集成电路和膜集成电路。膜集成电路又分为厚膜集成电路和薄膜集成电路。

集成电路按半导体制造工艺可分为双极型工艺（Bipolar Technology）、CMOS工艺（能够在同一芯片上制作NMOS和PMOS器件的工艺）、BiCMOS工艺（能够在同一芯片上制作Bipolar和CMOS器件的工艺）、BCD工艺（能够在同一芯片上制作Bipolar、CMOS和DMOS器件的工艺）等。

2.3.3按集成度高低分类

所谓集成电路的集成度，就是指单块芯片上所容纳的元件数目。集成度越高，所容纳的元件越多。半导体集成电路按集成度高低的不同可分为小规模集成电路

(Small Scale Integrated circuits，SSI)、中规模集成电路

(Medium Scale Integrated circuits，MSI)、大规模集成电路

(Large Scale Integrated circuits，LSI)、超大规模集成电路

(Very Large Scale Integrated circuits，VLSI)、uLSI 特大规模集成电路

(ultra Large Scale Integrated circuits)、巨大规模集成电路也被称作极大规模集成电路或超特大规模集成电路(Giga Scale Integration，GSI)。

2.3.4按导电类型分类

集成电路按导电类型可分为双极型集成电路和单极型集成电路，他们都是数字集成电路。双极型集成电路的制作工艺复杂，功耗较大，代表集成电路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等类型。单极型集成电路的制作工艺简单，功耗也较低，易于制成大规模集成电路，代表集成电路有CMOS、NMOS、PMOS等类型。

2.3.5按用途分类

集成电路按用途可分为电视机用集成电路、音响用集成电路、影碟机用集成电路、录像机用集成电路、电脑（微机）用集成电路、电子琴用集成电路、通信用集成电路、照相机用集成电路、遥控集成电路、语言集成电路、报警器用集成电路及各种专用集成电路。

2.3.5.1电视机用集成电路包括行、场扫描集成电路、中放集成电路、伴音集成电路、彩色解码集成电路、AV/TV转换集成电路、开关电源集成电路、遥控集成电路、丽音解码集成电路、画中画处理集成电路、微处理器（CPU）集成电路、存储器集成电路等。

2.3.5.2音响用集成电路包括AM/FM高中频电路、立体声解码电路、音频前置放大电路、音频运算放大集成电路、音频功率放大集成电路、环绕声处理集成电路、电平驱动集成电路，电子音量控制集成电路、延时混响集成电路、电子开关集成电路等。

2.3.5.3影碟机用集成电路有系统控制集成电路、视频编码集成电路、MPEG解码集成电路、音频信号处理集成电路、音响效果集成电路、RF信号处理集成电路、数字信号处理集成电路、伺服集成电路、电动机驱动集成电路等。

2.3.5.4录像机用集成电路有系统控制集成电路、伺服集成电路、驱动集成电路、音频处理集成电路、视频处理集成电路。

2.3.6按应用领域分类：

集成电路按应用领域可分为标准通用集成电路和专用集成电路。

2.3.7按外形分类：

集成电路按外形可分为圆形（金属外壳晶体管封装型，一般适合用于大功率）、扁平型（稳定性好，体积小）和双列直插型。

3集成电路产业现状

3.1世界集成电路产业现状

目前，以集成电路为核心的电子信息产业超过了以汽车、石油、钢铁为代表的传统工业成为第一大产业，成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。1999年全球集成电路的销售额为1250亿美元，而以集成电路为核心的电子信息产业的世界贸易总额约占世界GNP的3%，现代经济发展的数据表明，每l~2元的集成电路产值，带动了10元左右电子工业产值的形成，进而带动了100元GDP的增长。目前，发达国家国民经济总产值

增长部分的65%与集成电路相关；美国国防预算中的电子含量已占据了半壁江山（2001年为43.6%）。预计未来10年内，世界集成电路销售额将以年平均15%的速度增长，2010年将达到6000~8000亿美元。作为当今世界经济竞争的焦点，拥有自主版权的集成电路已日益成为经济发展的命脉、社会进步的基础、国际竞争的筹码和国家安全的保障。

3.2我国集成电路产业现状

我国集成电路产业起步于20世纪60年代，2001年全国集成电路产量为64亿块，销售额200亿元人民币。2002年6月，共有半导体企事业单位（不含材料、设备）651家，其中芯片制造厂46家，封装、测试厂108家，设计公司367家，分立期间厂商130家，从业人员11.5万人。设计能力0.18~0.25微米、700万门，制造工艺为8英寸、0.18~0.25微米，主流产品为0.35~0.8微米。

与国外的主要差距：一是规模小，2000年，国内生产的芯片销售额仅占世界市场总额的1.5%，占国内市场的20%;二是档次低，主流产品加工技术比国外落后两代；三是创新开发能力弱，设计、工艺、设备、材料、应用、市场的开发能力均不十分理想，其结果是今天受制于人，明天后劲乏力；四是人才欠缺。

总之，我国绝大多数电子产品仍处于流通过程中的下端，多数组装型企业扮演着为国外集成电路厂商打工的角色，这种脆弱的规模经济模式，因其附加值极低，致使诸多产量世界第一的产品并未给企业和国家带来可观的收益，反而使掌握关键技术的竞争者通过集成电路打入中国市场，攫取了绝大部分的利润。

4集成电路的发展趋势

集成电路已进人超深亚微米时代，体硅CMOS的批量生产已采用90 nm工艺、300 mm晶圆；65m工艺也即将量产化；集成电路的发展仍以继续追求高频、高速、高集成度、多功能、低功耗为目标。

从纵向看，在新技术的推动下，集成电路自发明以来四十年间，集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小√2倍。这就是由Intel公司创始人之一的

Gordon E．Moore博士1965年总结的规律，被称为摩尔定律。基于市场竞争，不断提高产品的性能／价格比是IC技术发展的动力，缩小特征尺寸，从而提高集成度，是提高产品性能／价格比最有效的手段之一。据国际半导体技术发展路线图(ITRS，2002年修订)[21，预计到2016年，将生产出特征尺寸为22nm的CMOS电路，实际栅长为9 nm的MPU和RAM。集成电路正在接近其物理极限，同时，受工艺加工极限和经济承受力的制约，到底什么尺度是其极限呢?目前仍无定论，其微细化的方向仍有很大发展空间，集成电路技术仍然遵从摩

尔定律快速发展。

从横向看，集成电路与其它学科和技术相结合，形成新的方向，新的学科或专业，不断改变着传统专业分工的格局。这种技术结合融合的趋势，对集成电路来说，就是越来越复杂的片上系统(SOC，Sys—tem on Chip)。SOC的概念在不断发展。ITRS2002年修订版表明：2000年以前已经实现了逻辑电路、SRAM、FLASH、E-DRAM、CMOS RF的SOC；2001年，实现了FPGA与FeRAM(铁电存储器)的SOC；接着实现了MEMS、化学传感器和集成光电器件的SoC；预计到2006年，将实现集成生物电子器件的SOC。SOC的发展在国内外引起高度重视，正在开展建立针对各种应用的SOC技术平台的研究，努力推进sOc的发展和应用。如面向通讯的综合信息处理SOC平台，第三代移动通讯sOc平台；高速的信息安全SOc平台，高清晰度电视SOC平台及家庭网络SOC平台等[2]。这一广阔的发展方向有着十分重要的意义和应用前景。

集成电路以Si／CMoS为主流高速发展的同时，新材料、新结构、新器件不断涌现。如绝缘体上硅(SOI)，Ge／Si异质结和应变Si器件及FeRAM等。由于SOI具有无闩锁、高速、低耗、抗辐射的优良性能，不但在军事上，而且在民用方面也很有前景，已成为研发高性能电路(如CPU)的重要技术，并被认为会成为0．1肚m CMOS的主要技术。Ge／Si异质结器件由于其高速特性，已成为在射频领域及在Si和GaAs之间性／价比最合适的应用。Fe一图LM上(2002年修订版)．2003．RAM因其快速、低功耗、非挥发、长寿命、耐辐射等优势而发展迅速。宽禁带的SiC、GaN和AlN等，由于其宽禁带、高击穿电压、抗辐射性能好等特点，其异质结器件在高频、高温、大功率方面具有很好的应用前景，已引起广泛重视，成为研究热点，尽管形成产业尚待时日，但仍是值得注意的发展方向。

5总结

不断提高性价比是集成电路产品迅速发展的动力。在今后几年,集成电路的特征尺寸将继续缩小,摩尔定律仍然在起作用。同时,集成电路与其它学科、技术结合,形成新的方向、新的学科或专业,不断改变着传统专业分工的格局。集成电路与系统之间的明确界限已被突破,集成电路不仅成为现代产业和科学技术的基础,也成为当代各行各业智能工作的基石。

参考文献

1张兴，黄如，刘晓彦．微电子学概论[M]．北京：北京大学出版社，2000．

2 中国半导体工业协会编译．国际半导体技术发展路线图[M] ．上(2002年修订版)．2003．

3中国集成电路设计分会年会论文集[M]．中国，西安，2005．