微電子學概論Chap01課件

1微電子學概論微電子學概論StationaryMagneticField磁鐵和電流周圍存在著磁場，磁現(xiàn)象的本質(zhì)就是電荷的運動,磁場的基本特性是對位于其中的運動電荷有力的作用.主要內(nèi)容1、磁感應強度的定義;2、畢奧-薩伐爾定律，安培環(huán)路定理;3、幾種電流產(chǎn)生的磁感應強度的計算;4、磁場對運動電荷、載流導線和線圈的作用。奧斯特實驗（1819年）NSI在載流導線附近的小磁針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)HansChristianOersted,1777～1851年丹麥物理學家1820年安培的發(fā)現(xiàn)SNFI放在磁體附近的載流導線或線圈會受到力的作用而發(fā)生運動.安培分子電流假說（1822年）一切磁現(xiàn)象的根源是電流!磁性物質(zhì)的分子中存在著“分子電流”，磁性取決于物質(zhì)中分子電流的磁效應之和.一、磁場（MagneticField）大量事實表明，不僅電流與磁鐵、電流與電流之間有相互作用，而且運動電荷與運動電荷、運動電荷與磁鐵之間也存在相互作用,這些相互作用是通過一種特殊物質(zhì)的形式——磁場來傳遞的.★磁鐵周圍存在磁場，運動電荷和載流導線周圍也存在磁場.★磁場對其中的運動電荷和載流導線有力的作用.★磁力也能作功，具有能量.9

10參考書《微電子學概論》張興/黃如/劉曉彥北京大學出版社11本課程的目的什么是微電子學和微電子學是研究什么的對微電子學的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和未來有一個比較清晰的認識初步掌握半導體物理、半導體器件物理、集成電路工藝、集成電路設計、集成電路CAD方法、MEMS技術等基本概念，對微電子學的整體有一個比較全面的認識授課、成績評定方法

課堂講授為主

成績評定方法

期末考試占60%

平時作業(yè)占40%

授課教師:xxx

學習方法注重理解，靈活掌握掌握每堂課的重要知識點加強分析問題、解決問題能力15第一章

緒

論

信息：客觀事物狀態(tài)和運動特征的一種普遍表現(xiàn)形式

電子學(electronics)：研究信息獲取、處理、傳輸、存儲、控制的學科

包括電子電路及系統(tǒng)如何實現(xiàn)電路的功能、性能；如何實現(xiàn)系統(tǒng)功能、性能

19電子學微電子學分立電路：將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源元件在電路板上連接起來，實現(xiàn)一定的電路功能不依靠外加電源可獨立表現(xiàn)其外特性的元件集成電路：IntegratedCircuit(IC)

將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源元件，按照一定的電路互連，“集成”在一塊半導體單晶片(如硅或砷化鎵)上

通過一系列特定的加工工藝來集成封裝在一個外殼內(nèi)執(zhí)行特定電路功能集成電路

與分立電路相比，集成電路的特點尺寸小集成度高批量生產(chǎn)、成本低

可靠性高…集成電路(集成電路塊)芯片：chip，die芯片的尺寸很小集成度：一定尺寸的芯片上集成的元器件數(shù)目（或者門的數(shù)目）內(nèi)部電路29集成電路的內(nèi)部單元3064MSDRAM（華虹NEC生產(chǎn)）芯片面積5.89×9.7=57mm2

，456pcs/w，1個IC中含有1.34億只晶體管31

50m100m頭發(fā)絲粗細

30m1m1m(晶體管的大小)30~50m(皮膚細胞的大小)90年代生產(chǎn)的集成電路中晶體管大小與人類頭發(fā)絲粗細、皮膚細胞大小的比較32封裝好的集成電路33集成電路集成電路的內(nèi)部電路VddABOut34集成電路設計與制造的主要流程框架設計芯片檢測單晶、外延材料掩膜版芯片制造過程封裝測試系統(tǒng)需求35

集成電路的設計過程：

設計創(chuàng)意

+

仿真驗證集成電路芯片設計過程框架From吉利久教授是功能要求行為設計（VHDL）行為仿真綜合、優(yōu)化——網(wǎng)表時序仿真布局布線——版圖后仿真否是否否是Singoff—設計業(yè)——制造業(yè)—芯片制造過程

AA75mm,100mm,50mmPast300mm(12’’)(3’’,4’’,2’’)NowPast—制造業(yè)—芯片制造過程

AA由氧化、淀積、離子注入或蒸發(fā)形成新的薄膜或膜層曝

光刻

蝕硅片測試和封裝用掩膜版重復20-30次InthefutureMaybenopersonisnecessary!41—制造業(yè)—芯片制造過程

由氧化、淀積、離子注入或蒸發(fā)形成新的薄膜或膜層曝

光刻

蝕硅片測試和封裝用掩膜版重復20-30次AA42封裝好的集成電路—封裝與測試業(yè)—43微電子科學技術的戰(zhàn)略地位44自然界和人類社會的一切活動都在產(chǎn)生信息。信息是客觀事物狀態(tài)和運動特征的一種普遍形式，是人類社會、經(jīng)濟活動的重要資源。社會的各個部分通過網(wǎng)絡系統(tǒng)連接成一個整體，由高速大容量光線和通訊衛(wèi)星群以光速和寬頻帶地傳送信息，從而使社會信息化、網(wǎng)絡化和數(shù)字化。微電子：信息社會發(fā)展的基石45實現(xiàn)社會信息化的網(wǎng)絡及其關鍵部件不管是各種計算機和/或通訊機，它們的基礎都是微電子1946年第一臺計算機：ENIAC46第一臺通用電子計算機：ENIAC

ElectronicNumericalIntegratorandCalculator1946年2月14日MooreSchool，Univ.ofPennsylvania18,000個電子管組成大?。洪L24m，寬6m，高2.5m速度：5000次/sec；重量：30噸；功率：140KW；平均無故障運行時間：7min47實現(xiàn)社會信息化的網(wǎng)絡及其關鍵部件不管是各種計算機和/或通訊機，它們的基礎都是微電子1946年第一臺計算機：ENIAC這樣的計算機能夠進入辦公室、車間和家庭？當時有的科學家認為全世界只要4臺ENIAC目前，全世界計算機不包括微機在內(nèi)有幾百萬臺，微機總量約6億臺，每年由計算機完成的工作量超過4000億人年工作量48

49集成電路的作用小型化價格急劇下降功耗降低故障率降低50信息技術的領域信息安全信息管理基礎：

軟件、

微（納）電子與光電子關鍵技術：微（納）電子與光電子、軟件、計算機和通信信息獲取信息處理信息傳輸、交換信息存儲信息的隨動執(zhí)行和應用核心和基礎：微電子51在信息經(jīng)濟時代，產(chǎn)品，以其信息含量的多少及處理信息能力的強弱，決定著附加值的高低決定著在國際經(jīng)濟分工中的地位52如果我們不發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)IT行業(yè)停留在裝配業(yè)水平上，掙的“辛苦錢”。在國際分工中我們將只能處于低附加值的低端上。所以有人戲稱說：“你們說中關村是硅谷，但是一個無“芯”的硅谷，產(chǎn)品不可能有競爭力?！痹跊]有自己集成電路產(chǎn)業(yè)的情況下，我們的高新技術的發(fā)展命脈掌握在他人手中。當前，微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)模和科學技術水平已成為衡量一個國家綜合實力的重要標志。53電子裝備更新?lián)Q代都基于微電子技術的進步，其靈巧（Smart）的程度都依賴于集成電路芯片的“智慧”程度和使用程度

數(shù)控機床普通機床數(shù)字化技術改造價格相差10倍集成電路整機系統(tǒng)高附加值在成長期進入市場，增強市場競爭力微電子對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的滲透與帶動作用54微電子對國家安全與國防建設的作用武器裝備水平與社會生產(chǎn)力、經(jīng)濟基礎有密切關系在農(nóng)業(yè)社會：大刀長矛等冷兵器；在工業(yè)化社會：槍、炮等熱兵器信息化社會：IC成為武器的一個組成元，電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)55微電子對信息社會的重要性INTERNET基礎設施各種各樣的網(wǎng)絡：電纜、光纖(光電子)、無線

...…路由和交換技術：路由器、交換機、防火墻、網(wǎng)關

...…終端設備：PC、NetPC、WebTV...…網(wǎng)絡基礎軟件：TCP/IP、DNS、LDAP、DCE...…INTERNET服務信息服務:

極其大量的各種信息交易服務:

高可靠、高保密

...…計算服務:“網(wǎng)絡就是計算機!”,“計算機成了網(wǎng)絡的外部設備!”562020年世界最大的30個市場領域：其中與微電子相關的22個市場：5萬億美元（NikkeiBusiness1999）微電子產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略重要性57微電子科學技術的

發(fā)展歷史581947年12月23日第一個晶體管NPNGe晶體管W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain獲得1956年Nobel物理獎591958年第一塊集成電路：TI公司的Kilby，Ge晶片獲得2000年Nobel物理獎1959年7月第一塊平面單片集成電路：Fairchild公司的Noyce在Si襯底制備了平面集成電路：氧化物隔離，Al互聯(lián)RobertN.Noyce61微電子發(fā)展史上的幾個里程碑1962年Wanlass——CMOS技術現(xiàn)在集成電路產(chǎn)業(yè)中占95%以上1967年Kahng、S.Sze——非揮發(fā)存儲器1968年Dennard——單晶體管DRAM1971年Intel公司微處理器——計算機的心臟目前全世界微機總量超過6億臺美國每年由計算機完成的工作量超過4000億人年工作量美國歐特泰克公司認為：微處理器、寬頻道連接和智能軟件是21世紀改變?nèi)祟惿鐣徒?jīng)濟的三大技術創(chuàng)新62第一個CPU：400463不斷提高產(chǎn)品的性能價格比是微電子技術發(fā)展的動力集成電路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸縮小

倍，這就是摩爾定律微電子發(fā)展的規(guī)律6465

基于市場競爭，不斷提高產(chǎn)品的性能價格比是微電子技術發(fā)展的動力。在新技術的推動下，集成電路自發(fā)明以來四十年，集成電路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸縮小

倍。這就是由Intel公司創(chuàng)始人之一GordonE.Moore博士1965年總結(jié)的規(guī)律，被稱為摩爾定律。微電子技術發(fā)展的ROADMAP6620032001Productionready0.13μmGatewidthSource:IntelMoore’sLaw

…ContinuestoPowertheNet200565nm200932nm200745nm70nm30nm20nm15nmRaisedSource/Drain<30nm

SiliconOxideGateHigh-kGateDielectricTerahertzTransistorStructureFullyDepleted

Channel90nm0.35μm0.25μm0.18μm199919971995.13mm50nm.20mm.35mm676869集成電路技術是近50年來發(fā)展最快的技術微電子技術的進步按此比率下降，小汽車價格不到1美分FromS.M.SZE70集成電路分類71集成電路分類集成電路的分類器件結(jié)構類型集成電路規(guī)模使用的基片材料電路形式應用領域72按器件結(jié)構類型分類雙極集成電路：主要由雙極晶體管構成NPN型雙極集成電路PNP型雙極集成電路金屬-氧化物-半導體(MOS)集成電路：主要由MOS晶體管(單極晶體管)構成NMOSPMOSCMOS(互補MOS)雙極-MOS(BiMOS)集成電路：同時包括雙極和MOS晶體管的集成電路為BiMOS集成電路，綜合了雙極和MOS器件兩者的優(yōu)點，但制作工藝復雜優(yōu)點是速度高、驅(qū)動能力強，缺點是功耗較大、集成度較低功耗低、集成度高，隨著特征尺寸的縮小，速度也可以很高7374按集成電路規(guī)模分類集成度：每塊集成電路芯片中包含的元器件數(shù)目小規(guī)模集成電路(SmallScaleIC，SSI)中規(guī)模集成電路(MediumScaleIC，MSI)大規(guī)模集成電路(LargeScaleIC，LSI)超大規(guī)模集成電路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大規(guī)模集成電路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大規(guī)模集成電路(GiganticScaleIC，GSI）7576

基于市場競爭，不斷提高產(chǎn)品的性能價格比是微電子技術發(fā)展的動力。在新技術的推動下，集成電路自發(fā)明以來四十年，集成電路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸縮小

倍。這就是由Intel公司創(chuàng)始人之一GordonE.Moore博士1965年總結(jié)的規(guī)律，被稱為摩爾定律。微電子技術發(fā)展的ROADMAP77按結(jié)構形式的分類單片集成電路：它是指電路中所有的元器件都制作在同一塊半導體基片上的集成電路在半導體集成電路中最常用的半導體材料是硅，除此之外還有GaAs等混合集成電路：厚膜集成電路薄膜集成電路78按電路功能分類數(shù)字集成電路(DigitalIC)：它是指處理數(shù)字信號的集成電路，即采用二進制方式進行數(shù)字計算和邏輯函數(shù)運算的一類集成電路模擬集成電路(AnalogIC)：它是指處理模擬信號(連續(xù)變化的信號)的集成電路線性集成電路：又叫做放大集成電路，如運算放大器、電壓比較器、跟隨器等非線性集成電路：如振蕩器、定時器等電路數(shù)模混合集成電路(Digital-AnalogIC)：例如數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器和模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器等79集成電路的分類80微電子的特點微電子學：電子學的一門分支學科微電子學以實現(xiàn)電路和系統(tǒng)的集成為目的，故實用性極強。微電子學中的空間尺度通常是以微米(m,1m＝10－6m)和納米(nm,1nm=10-9m)為單位的。

微電子學是信息領域的重要基礎學科81微電子的特點微電子學是一門綜合性很強的邊緣學科涉及了固體物理學、量子力學、熱力學與統(tǒng)