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半導(dǎo)體基礎(chǔ)之半導(dǎo)體器件分類

2023-12-06
來源:半導(dǎo)體芯片電子通信
關(guān)鍵詞: 半導(dǎo)體器件

半導(dǎo)體器件分為4大類:

1. 集成電路(Integrated Circuits)2. 分立器件(Discrete Semiconductors)

3. 傳感器件(Sensors)4. 光電器件(Optoelectronics)

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集成電路又可以分為模擬電路、微處理器、邏輯器件、存儲器件四類。

從半導(dǎo)體銷售份額看,集成電路作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中最大的消費領(lǐng)域,長期占半導(dǎo)體總銷售份額 80%以上。由于集成電路在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模占比極高,所以很多人對半導(dǎo)體器件和集成電路之間的概念并沒有分得這么清楚。其實半導(dǎo)體產(chǎn)品的分類方式有很多,我們可以從以下幾個方面進行分類。

【按照處理信號分類】

處理模擬信號的芯片叫做模擬芯片,處理數(shù)字信號的芯片叫做數(shù)字芯片。

信號是反映信息的物理量,如工業(yè)控制中的溫度、壓力、流量、自然界的聲音等,因而信號是信息的表現(xiàn)形式。由于電信號容易傳播、處理和控制,人們常將非電的物理量通過各種傳感器轉(zhuǎn)換成電信號,以達到提取、傳送、交換、存儲等目的。信號的形式是多種多樣的,例如:根據(jù)信號是否具有隨機性分為確定信號和隨機信號,根據(jù)信號是否具有周期性分為周期信號和非周期信號,根據(jù)對時間的取值分為連續(xù)時間信號和離散時間信號等等。

模擬信號在時間和數(shù)值上具有連續(xù)性,即對應(yīng)于任意時間t均有確定的函數(shù)值u或i與之對應(yīng),簡單地理解模擬信號就是連續(xù)信號,比如我們發(fā)出的聲音就是最典型的正弦波連續(xù)信號,如下圖所示:

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模擬信號

數(shù)字信號在時間和數(shù)值上均具有離散性,電壓或電流的變化在時間上不連續(xù),總是發(fā)生在離散的瞬間。離散的數(shù)字信號(如用 0 和 1 兩個邏輯電平來表示的二進制碼)進行算術(shù)和邏輯運算的集成電路,其基本組成單位為邏輯門電路。

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數(shù)字信號

大多數(shù)物理量轉(zhuǎn)換成的電信號均為模擬信號。外界非電物理量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)化為電信號后,在模擬芯片構(gòu)成的系統(tǒng)里進行進一步的放大、濾波等處理。處理后的模擬信號既可以通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸出到數(shù)字系統(tǒng)進行處理,也可以直接輸出到執(zhí)行器。芯片對信號的處理并不是單純處理模擬信號或數(shù)字信號。芯片里面有既能處理模擬信號的部分,也能處理數(shù)字信號的部分。分類的重要標(biāo)準(zhǔn)是元件對哪種信號占比更大,如果處理模擬信號的部分多一些,就叫做模擬芯片,反之叫做數(shù)字芯片。

模擬芯片產(chǎn)品種類多,常見的有集成運算放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、乘法器、集成穩(wěn)壓器、定時器、信號發(fā)生器、比較器等,每一類有很多個系列的產(chǎn)品。單一產(chǎn)品往往可以用在不同客戶、不同領(lǐng)域,模擬芯片生命周期很長,終端客戶需求穩(wěn)定,周期性很弱。

數(shù)字芯片是近年來應(yīng)用最廣、發(fā)展最快的IC品種,可分為通用數(shù)字IC和專用數(shù)字IC。通用IC是指那些用戶多、使用領(lǐng)域廣泛、標(biāo)準(zhǔn)型的電路,如存儲器(DRAM、Flash等)、微型元件(微處理器MPU、微控制器MCU、數(shù)字處理器DSP等)、邏輯電路(門陣列、顯示驅(qū)動器等)等,反映了數(shù)字IC的現(xiàn)狀和水平。專用IC(ASIC)是指為特定的用戶、某種專門或特別的用途而設(shè)計的電路。

【按照制造工藝分類】

這種分類可能是我們最為常見的,比如時常聽到的14nm芯片、7nm芯片等就是按照制造工藝來劃分芯片的。此處的7nm、14nm 是指芯片內(nèi)部晶體管柵極的最小線寬(柵寬),下圖展示國際上芯片制造工藝的進展。

工藝制程反映半導(dǎo)體制造技術(shù)先進性,從當(dāng)前的制程工藝發(fā)展情況來看,一般是以28nm為分水嶺,來區(qū)分先進制程和傳統(tǒng)制程。小于28nm的制程被稱為先進制程。5nm、3nm等制程目前還沒有進入量產(chǎn)階段,能進入這幾個制程節(jié)點的企業(yè)不多,臺積電和三星是目前僅有量產(chǎn)實力的企業(yè)。

一般情況下,工藝制程越先進,芯片的性能越高,但制程先進的芯片制造成本也高。市場調(diào)研機構(gòu)指出,通常情況下,一款 28nm芯片的設(shè)計研發(fā)投入約 1-2 億元,14nm 芯片約 2-3 億元,研發(fā)周期約 1-2 年。現(xiàn)在工藝制程的發(fā)展已經(jīng)逼近極限,從平衡成本和性能上來考慮,工藝制程并非越先進越好,而是選擇合適的更好。不同種類的芯片在制程最優(yōu)選擇上會有差異,比如數(shù)字芯片對先進制程要求高,但是模擬芯片則不一定。

【按照使用功能分類】

此種分類方式應(yīng)該是半導(dǎo)體元件分類中最復(fù)雜,但也是最常用的方式。

計算功能

這類芯片主要用來計算分析的,和人體大腦類似,分為主控芯片和輔助芯片。主控芯片中有CPU/SoC/FPGA/MCU,輔助芯片有主管圖形圖像處理的GPU和人工智能計算的AI芯片。

數(shù)據(jù)存儲功能

DRAM,SDRAM,ROM,NAND,NOR Flash等,主要是用于數(shù)據(jù)存儲。

感知功能

主要為傳感器,如MEMS,指紋芯片,CIS,CMOS等,主要通過望聞問切來感知外部世界。

傳輸功能

藍牙、WI-FI,NB-IOT,寬帶,USB接口,以太網(wǎng)接口,HDMI接口,驅(qū)動控制等,用于數(shù)據(jù)傳輸。

電源供電功能

電源芯片,DC-AC,AC-DC,DC-DC,LDO,PMU等,用于電源供給。

【按照設(shè)計方式分類】

以設(shè)計方式分類,當(dāng)今的半導(dǎo)體設(shè)計有兩大陣營:FPGA 和 ASIC。其中FPGA發(fā)展在先,目前仍是主流應(yīng)用。

簡單來說FPGA是通用可編程邏輯芯片,可以DIY編程實現(xiàn)各種各樣的數(shù)字電路;ASIC是上文所說的專用數(shù)字芯片,設(shè)計好數(shù)字電路后,流片生成出來的是不可以更改的芯片。前者的特點在于可重構(gòu)定義芯片功能,靈活性強;后者的專用性強,一般是針對某一特定應(yīng)用定制開發(fā)。

兩種芯片都是隨著半導(dǎo)體工藝發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求而來,從幾十納米到現(xiàn)在的7納米制程,性能都在不斷提升。應(yīng)用方向差異卻逐漸明顯:FPGA在上市速度、一次性測試成本、配置性上表現(xiàn)突出;而ASIC在運算性能、量產(chǎn)成本上遠勝于FPGA。不過,因為ASIC 是固定的電路,如果設(shè)計更新,新一代芯片就要重新設(shè)計,定模,加工。雙方算是各有所長。

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