集積回路基礎 第１章（１）

2008/10/7 広島大学 岩 田 穆 1

第1章 半導体集積回路とは

担当教授：岩 田 穆iwa@hiroshima-u.ac.jp

先端物質科学研究科（３０５Ａ）半導体集積科学専攻機能集積システム工学研究室http://www.dsl.hiroshima-u.ac.jp

集積回路基礎 第１章（１）

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担当教授：岩 田 穆iwa@hiroshima-u.ac.jp， 電話:7856

先端物質科学研究科（３０５Ａ）半導体集積科学専攻機能集積システム工学研究室

教材 講義図面（ｐｄｆ）機能集積システム工学研究室ホームページ

http://www.dsl.hiroshima-u.ac.jp 講義内容

TA：志田亮輔ryosuke@dsl.hiroshima-u.ac.jp

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集積回路の概略構造

抵抗トランジスタ

シリコン基板

シリコン酸化膜

トランジスタ

リード線銅はく ハンダ付け

コンデンサ

プリント板（ガラスエポキシ基板）

抵抗

シリコン窒化膜

アルミニウム配線層

集積回路の構造

個別部品による電子回路

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プレーナ技術の発明　ノイス1959

基板上にトランジスタを集積化

各素子間の配線は部品内部に作る

トランジスタの発明

　点接触トランジスタ　　 1948

　pn接合トランジスタ　　 1949

　電界効果トランジスタ　 1952

シリコン酸化膜を素子上に堆積

　これを絶縁層として素子間を配線

フォトリソグラフィ技術

　微細パターンを大量生産

集積回路の発明　キルビー1959

集積回路の基礎となった発明

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トランジスタ以前は

真空管だった

日本で最初に製品化されたゲルマニウムトランジスタ

(1954)

4cm10cm

5mm

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世界初のトランジスタ（１９４８）

世界初のトランジスターとその発明者3人左からバーディーン，ショックレー，ブラッテイン

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世界初の集積回路 （１９５９）

ジャック キルビー位相発振器

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世界初のマイクロプロセッサ (1970)intel 4004 語長４ビット,電卓用

チップ写真

集積素子数2300個 ｸﾛｯｸ 750KHz

4mm

3m

m 嶋 正 利

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多数のVLSIチップが作製されたウエファ

フォトリソグラフィで多数のチップが焼き付けられている．できるだけチップを小型化して多数を１ウエファに一挙に作る．ウエファの製造コストは同じなのでチップ当たりコストが下がる．

直径８インチ　(20cm)

メモリマイクロプロセッサ

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Quad Flat Package 　QFP

160pin 64pin

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Dual in Line Package

Package

Chip

Lead

Bonding Wire

Lead

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Plastic Ball Grid Array (PBGA)

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ASIC PGA and FPGA assembled on PCB

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機能によるLSIの分類

アナログ

LSI

メモリ

LSI

・DRAM (Dynamic RAM)

・SRAM (Static RAM)

・不揮発メモリ

論理

LSI

・ﾏｲｸﾛﾌﾟﾛｾｯｻ (MPU)

・ﾃﾞｼﾞﾀﾙｼｸﾞﾅﾙﾌﾟﾛｾｯｻ (DSP)

・画像処理LSI

・AD(Analog-to-Digital)変換器

・DA変換器　

・通信用LSI ・ｲﾒｰｼﾞｾﾝｻ

RAM: Random Access Memory

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入出力ユニット

内部バス

演算器

メモリ

命令コード

外部バス

制御ユニット

データ

アドレス

データ

マイクロプロセッサの基本構成

データ

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チップ搭載トランジスタ数

(106個 TR/chip)

最小寸法 (ミクロン=10-6m）

8038

6

8086

8028

6

Pen

8048

6

8080

4004

Z80

Pen P

ro Pen I

IPe

n III Pe

n IV

チップサイズ(mm2)

19901980 2000

4004

2010年199019801970 2000 2010 1970

1

0.1

10

100

1000

0.01

0.001

386

8086

286

Pent

486

8080 Z8

0

Pen P

ro Pen I

IPe

n III

基本ゲートの遅延時間(nsec=10-9s)

クロック周波数（MHｚ） Pen I

V

Core

2Duo

Core

2Duo

マイクロププロセッサ（ＭＰU)の進歩

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マイクロプロセッサのチップ

Pentium

Pentium IV

80084004

Core2 Duo

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メモリセル (ダイナミックランダムアクセスメモリ：DRAM)

ビッ

ト線

電荷蓄積容量

ワード線

容量に電荷が蓄積されているかどうかで1bit の情報を記憶する

スイッチの役割のＭＯＳトランジスタ

スイッチの役割のＭＯＳのオンオフを制御

情報

の書

き込

み読

み出

し

512ＭビットＤＲAMではチップ上に5億1200万個のセルを集積

集積回路基礎 第１章（１）

2008/10/7 広島大学 岩 田 穆 201970 1980 1990 2000

1K4K

16K

1M4M

16M64M

1K

1M

1G

最小

パタ

ーン

寸法

(μm

)10

0.1

1

64K

256K

記憶

容量

(bit)

（3秒発声）

カセット(音声60分)

A4版1枚(1000)

新聞1頁(16000)

国語辞典(400～1200万文字)

文庫本1冊(25万)

256M

(音声1分)留守番電話

半導体メモリ(DRAM)進歩(量産レベル)

2010年

写真１00枚

512M 1G

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MOS: Metal Oxide Semiconductor

デバイスによるLSIの分類

MOS-LSI

ﾊﾞｲﾎﾟｰﾗLSI

CMOS (Complementary MOS)

BiCMOS (Bipolar-CMOS)

n-MOS (n-channel MOS)

ECL (Emitter Coupled Logic)

TTL (Transister Transister Logic)

MMIC( Microwave Monolithic IC)

ｼﾘｺﾝ(Si)

ｶﾞﾘｳﾑ砒素

GaAs-IC

ｼﾘｺﾝ(Si)

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LSIの

システムへのインパクト

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高速動作 小型・高密度・低コスト

携帯機器 デジタル家電無線情報機器

ロボット、自動車、医療機器

高機能ハイエンドコンピュータクロック周波数超高精細動画処理

腕時計携帯電話

モバイルコンピュータ

デジタルＴＶスーパーコンピュータ

LSIのシステム応用

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システムと集積回路技術

コンピュータ

通信・ﾈｯﾄﾜｰｸ

ﾃﾞｼﾞﾀﾙ通信

光通信

大型ｺﾝﾋﾟｭｰﾀ ﾜｰｸｽﾃｰｼｮﾝ

ﾓﾊﾞｲﾙPC

ﾎﾟｰﾀﾌﾞﾙ・ﾏﾙﾁﾒﾃﾞｨｱｼｽﾃﾑ

ｲﾝﾀﾈｯﾄ高速ﾈｯﾄﾜｰｸ

ﾊﾟｿｺﾝ

スパコン

携帯電話, PHS

ﾗｼﾞｵ/TV　　　　　　

ゲームマシン

ｵｰﾃﾞｨｵ･ﾋﾞﾃﾞｵ

B-ISDN, ATM

電話

ﾉｰﾄPC

DVD,ﾃﾞｼﾞﾀﾙTV

集積回路技術

知能的情報処理 制御, ロボット知能処理ｼｽﾃﾑ脳型ｺﾝﾋﾟｭｰﾀ

ﾈｯﾄﾜｰｸｺﾝﾋﾟｭｰﾀ

LSI VLSITr IC 次世代LSIULSI

1945 1970 1980 1990 2000

知能ﾛﾎﾞｯﾄ

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マイクロプロセッサ

(MPU)

メモリ（主記憶）ビ

デオ

メモ

リボ

ード機能拡張ボードスロット(PCI)

PCI: Peripheral Component Interconnect:：プロセッサと周辺機器との間の通信

PCメインボード

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2.4GHZデジタル携帯電話器

携帯電話１９９５年

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携帯電話２０００年

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携帯電話機の小型・軽量・低コスト化

10000

1000

100

重さ

(g), 容

積(c

c)

1

10

100

価格

（万

円）

1998199019821974

年

重さ

価格容積

最初の携帯電話

モトローラの携帯

自動車電話

デジタル携帯PHS

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集積回路の効果（インパクト）

10

10

10

10

10

0

2

4

6

8

10 10

10-2

10 -4

1900 1950 1980 1990 200019701960

IC LSI VLSI ULSI

真空管

密度 (個／cm3)

価格

(円／

素子

)

電力 (μW／素子)

~1千 ~5万 ~百万 >百万個集積素子数 1個

トランジスタ 集積回路

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集積回路基礎 第１章（１）

2008/10/7

集積回路基礎レポート ２００４．１０．１４提出

集積回路の基礎となった以下の発明について調べよ

・トランジスタ・集積回路の概念

誰が、何年に発明したか？技術の概要は何か？技術的意義は何か？

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