集成电路(integrated circuit,IC)就是利用特定技术把一定数量的电子元件(如电阻、电容等无源元件和二极管、晶体管等有源元件)以及这些元件之间的连线,通过制造工艺,集成在一块半导体单晶圆上,形成的具有特定功能的电路。简单来说,集成电路就是将许多电子元件“压缩”到一个微小的空间内,以实现复杂的功能。集成电路具有小尺寸、性能提升、高集成度、可批量生产、高可靠性等特点。
集成电路的概念可以从组成、功能和制造工艺这3个方面来理解。
(1)组成:指集成电路由哪些基本元件构成。集成电路中最基本的元件是晶体管,同时还包括电阻、电容等。对这些基本元件进行设计、组合和连接,使集成电路达到多种电路功能。
(2)功能:指集成电路可以完成的任务。不同类型的集成电路具有不同的功能,例如存储器、微处理器、放大器等。
(3)制造工艺:指制造集成电路的工艺流程,包括光刻、刻蚀、扩散、沉积、平坦化和清洗等。其中光刻技术能够将电路功能图案转移到半导体表面,是形成集成电路的关键步骤。
按照电路属性,我们可以把集成电路分为数字集成电路、模拟集成电路和混合信号集成电路。
(1)数字集成电路:常见为微处理器(CPU、GPU等)、数字信号处理器(digital signal processor,DSP)和微控制器(microcontroller unit,MCU)等,处理的是数字信号,使用最为广泛。
(2)模拟集成电路:较多用于传感器、电源芯片、运放等,主要用于模拟信号的放大、滤波、解调、混频等功能。
(3)混合信号集成电路:模拟和数字电路集成在一个芯片上,模数转换(analog to digital converter,ADC)和数模转换(digital to analog converter,DAC)芯片就属于这类。
按照制作工艺分类,可分为半导体集成电路和膜集成电路。
按规模分类,可分为小型集成电路、中型集成电路和大规模集成电路等,如表1-1所示。
表1-1 集成电路按规模分类
芯片(chip)是内含集成电路的微小薄片,是电子设备的核心部件,“芯片”一词是半导体元件产品的统称。芯片的概念比较笼统,常见的一种定义为“包含了一个或多个集成电路、能够实现某种特定功能的通用半导体元件产品”。
为什么叫作“芯”呢,是因为对于电子设备来说,芯片是藏在内部的重要器件,好比人类的心脏、汽车的发动机;那又为什么叫作“片”呢,因为芯片的形态是一片片的。所以合起来称之为“芯片”。经过一系列流程,如设计、制造、封装和测试后形成的芯片,具有运算、存储或控制等功能。人们提到芯片时,通常会根据其实际的用途,在芯片前面加上特定的名称,限定这是哪一类芯片,例如车规级芯片、基带芯片、存储芯片等。
芯片是一个比较大的范畴,我们可以从不同角度对其进行分类。
(1)按世界半导体贸易统计组织(World Semiconductor Trade Statistic,WSTS)的权威分类:可分为模拟、微型、逻辑和存储芯片4类。
(2)按等级分类:可分为宇航级、军工级、车规级、工业级和消费级芯片等。
(3)按设计理念分类:可分为通用、半通用和专用芯片。
(4)按半导体材料分类:可分为第一代、第二代和第三代半导体,如表1-2所示。
(5)按功能分类:可分为计算芯片、存储芯片、通信芯片、感知芯片、能源芯片和接口芯片,如表1-3所示。
表1-2 芯片按半导体材料分类
表1-3 芯片按功能分类
狭义上讲,芯片是基于半导体材料制造的集成电路产品。传统意义上的集成电路,基本上是指半导体集成电路。而半导体、芯片、集成电路这3个词,在日常使用中经常被混用。
半导体传统意义是指常温下导电性能介于导体和绝缘体之间的材料,可用于制造各种电子器件。在半导体材料的表面或内层引入掺杂物质,可以形成P型或N型半导体,而两者交接处会出现PN结(PN junction)。基于这些特性,半导体可以用来制造各种电子器件,例如二极管、场效应晶体管等。
当前半导体包括的范围比较广,通常由集成电路、光电子器件(optoelectronic device)、传感器(sensor)和分立器件(discrete device)组成。其中光电子器件、传感器和分立器件可合并简称为O-S-D。
集成电路与O-S-D的主要区别在于集成度,集成电路的晶体管数量远远大于光电子器件、传感器和分立器件,同时就市场规模而言,光电子器件、传感器和分立器件加在一起的市场份额,也仅约为全部半导体市场的10%。