《浙大微電子》課件

浙大微電子浙江大學(xué)微電子學(xué)院，是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的微電子人才培養(yǎng)基地，擁有優(yōu)秀的師資力量和先進(jìn)的科研平臺(tái)。課程概述浙大微電子學(xué)科本課程是浙江大學(xué)微電子專業(yè)的重要組成部分，介紹了微電子學(xué)的基本理論、發(fā)展歷史、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域。涵蓋內(nèi)容豐富從集成電路的誕生到先進(jìn)的納米技術(shù)，從芯片制造工藝到微系統(tǒng)集成技術(shù)，課程內(nèi)容全面而深入。培養(yǎng)目標(biāo)明確旨在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)微電子技術(shù)的理解和應(yīng)用能力，為未來(lái)從事相關(guān)領(lǐng)域的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。微電子簡(jiǎn)史早期電子器件真空管問(wèn)世于1907年，它開(kāi)啟了電子技術(shù)發(fā)展之路。真空管體積龐大，耗能高，但為電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。晶體管時(shí)代1947年，晶體管的發(fā)明，標(biāo)志著電子技術(shù)發(fā)展進(jìn)入新的時(shí)代。晶體管體積更小，效率更高，為集成電路的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。集成電路誕生1958年，世界上第一個(gè)集成電路誕生。它將多個(gè)晶體管集成在一片硅片上，標(biāo)志著微電子技術(shù)的飛躍發(fā)展。摩爾定律時(shí)代1965年，摩爾提出著名的“摩爾定律”，預(yù)言集成電路芯片上可容納的晶體管數(shù)量每18個(gè)月翻一番。摩爾定律成為微電子技術(shù)發(fā)展的引擎，推動(dòng)了芯片集成度和性能的不斷提升。集成電路的誕生11958年杰克·基爾比（JackKilby）在德州儀器公司（TI）成功研制了世界上第一個(gè)集成電路21959年羅伯特·諾伊斯（RobertNoyce）領(lǐng)導(dǎo)的仙童半導(dǎo)體公司（FairchildSemiconductor）也獨(dú)立研制出另一種集成電路31961年TI公司推出了世界上第一款集成電路商業(yè)產(chǎn)品集成電路的誕生是電子技術(shù)發(fā)展史上的重大里程碑，標(biāo)志著半導(dǎo)體技術(shù)的巨大進(jìn)步，為現(xiàn)代信息社會(huì)的到來(lái)奠定了基礎(chǔ)。晶體管的發(fā)明1貝爾實(shí)驗(yàn)室晶體管的發(fā)明，標(biāo)志著電子學(xué)領(lǐng)域的重大突破。1947年，威廉·肖克利、約翰·巴丁和沃爾特·布拉頓在貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制出第一個(gè)晶體管。2點(diǎn)接觸型晶體管最初的晶體管是一種點(diǎn)接觸型晶體管，利用鍺材料制成，它能夠放大信號(hào)，是真空管的替代品。3影響深遠(yuǎn)晶體管的發(fā)明徹底改變了電子設(shè)備，推動(dòng)了計(jì)算機(jī)、無(wú)線電、電視等技術(shù)的飛速發(fā)展，為現(xiàn)代信息社會(huì)的誕生奠定了基礎(chǔ)。集成電路工藝的發(fā)展1納米級(jí)制造先進(jìn)的光刻技術(shù)和原子層沉積2深紫外光刻制造更小的晶體管3超大規(guī)模集成電路大量晶體管集成在單一芯片上4平面工藝基于硅基材料的集成電路制造集成電路工藝不斷發(fā)展，從最初的平面工藝發(fā)展到深紫外光刻，再到如今的納米級(jí)制造。這些技術(shù)進(jìn)步促使芯片集成度不斷提高，使我們能夠在更小的芯片上集成更多晶體管，從而實(shí)現(xiàn)更高性能、更低功耗的電子設(shè)備。摩爾定律與芯片集成度摩爾定律指出，集成電路上的晶體管數(shù)量每?jī)赡攴环?。這一規(guī)律驅(qū)動(dòng)著芯片集成度的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，使芯片性能不斷提升，成本不斷降低。1K1970年第一塊微處理器誕生，包含2,300個(gè)晶體管1M1980年微處理器集成度突破百萬(wàn)晶體管1B2000年集成度達(dá)到十億晶體管時(shí)代10B2020年現(xiàn)代芯片集成度已突破百億晶體管芯片制造工藝流程1晶圓制備首先，將高純度的硅材料制成圓形的硅片，稱為晶圓。2光刻使用紫外光將芯片設(shè)計(jì)圖案轉(zhuǎn)移到晶圓表面。3刻蝕使用化學(xué)或物理方法將晶圓表面上不需要的部分蝕刻掉，形成芯片結(jié)構(gòu)。4薄膜沉積在晶圓表面沉積各種材料，例如金屬，絕緣體或半導(dǎo)體，形成芯片功能結(jié)構(gòu)。5摻雜在晶圓中注入雜質(zhì)，以改變其導(dǎo)電特性。6測(cè)試與封裝最后，對(duì)芯片進(jìn)行測(cè)試，將合格的芯片封裝成可以使用的芯片。半導(dǎo)體材料11.硅硅是制作集成電路的主要材料。硅晶圓是一種薄的、圓形的硅片，用于制造芯片。22.鍺鍺是另一種重要的半導(dǎo)體材料，它具有更高的遷移率，但價(jià)格更貴。33.化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體，如砷化鎵(GaAs)，具有更高的電子遷移率和更快的速度，用于制造高速電子器件和光電子器件。44.新興材料近年來(lái)，研究人員一直在探索使用其他材料，如碳納米管和石墨烯，來(lái)制造更高性能的電子器件。超大規(guī)模集成電路定義超大規(guī)模集成電路（VLSI）是指在一個(gè)芯片上集成了數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億個(gè)晶體管的集成電路。它極大地提高了芯片的性能和功能。應(yīng)用VLSI廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子設(shè)備中，如智能手機(jī)、電腦、汽車、航空航天等領(lǐng)域。制造工藝VLSI的制造需要極其精密的工藝，包括光刻、蝕刻、薄膜沉積等步驟，其技術(shù)難度很高。未來(lái)發(fā)展VLSI技術(shù)仍在不斷發(fā)展，研究方向包括納米電子學(xué)、量子計(jì)算等，以進(jìn)一步提升芯片性能和功能。芯片封裝技術(shù)保護(hù)芯片封裝可以保護(hù)芯片不受外界環(huán)境影響，提高芯片的可靠性。連接芯片封裝通過(guò)引腳將芯片連接到電路板，實(shí)現(xiàn)電路功能。散熱設(shè)計(jì)芯片運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生熱量，封裝需要考慮散熱設(shè)計(jì)，防止過(guò)熱。多種封裝封裝形式多樣，例如DIP、QFP、BGA等，滿足不同應(yīng)用需求。微系統(tǒng)集成技術(shù)定義與特點(diǎn)微系統(tǒng)集成技術(shù)將不同功能的微型器件、傳感器、執(zhí)行器等集成在一個(gè)微型芯片上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的miniaturization。它具有尺寸小、重量輕、功耗低、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。主要應(yīng)用微系統(tǒng)集成技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、無(wú)線通信、消費(fèi)電子等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。例如，微型傳感器可以用于人體健康監(jiān)測(cè)、環(huán)境污染檢測(cè)，微型執(zhí)行器可以用于精密控制、微型機(jī)器人。微機(jī)電系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)結(jié)合了微電子學(xué)和機(jī)械工程。它使用微型傳感器和執(zhí)行器來(lái)感知和控制微觀世界。MEMS設(shè)備體積小、重量輕、成本低，擁有高靈敏度和高精度。它們被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括醫(yī)療保健、汽車、航空航天和消費(fèi)電子產(chǎn)品。功率電子器件功率晶體管功率晶體管是功率電子技術(shù)的基礎(chǔ)，用于控制和放大電流。IGBTIGBT是集結(jié)了雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管優(yōu)點(diǎn)的功率半導(dǎo)體器件。功率MOSFET功率MOSFET是高頻、低功耗的功率開(kāi)關(guān)器件，廣泛應(yīng)用于電源管理。二極管二極管是一種單向?qū)щ娖骷?，用于整流、保護(hù)和檢測(cè)電路。微納制造工藝微納尺度加工微納制造工藝涉及在微米和納米尺度上對(duì)材料進(jìn)行加工和操控，以制造尺寸極小的器件和結(jié)構(gòu)。先進(jìn)材料應(yīng)用微納制造工藝通常使用先進(jìn)的材料，例如硅、金屬、陶瓷和聚合物，這些材料具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，適用于微納器件的制造。精密加工技術(shù)微納制造工藝需要使用高度精密的加工技術(shù)，例如光刻、蝕刻、沉積和薄膜技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高精度和高分辨率的加工。量子效應(yīng)與納米技術(shù)1量子效應(yīng)量子力學(xué)在微觀尺度上支配著電子行為，導(dǎo)致量子效應(yīng)，例如量子隧穿和量子干涉。2納米材料納米材料具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，如高表面積和量子尺寸效應(yīng)，使其在微電子領(lǐng)域具有巨大潛力。3納米器件納米技術(shù)允許制造具有新功能和性能的器件，例如納米晶體管和納米傳感器。4應(yīng)用領(lǐng)域量子效應(yīng)和納米技術(shù)在微電子學(xué)、材料科學(xué)、生物技術(shù)和能源領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。先進(jìn)晶體管結(jié)構(gòu)FinFETFinFET是一種三維晶體管結(jié)構(gòu)，具有更低的漏電流和更高的性能。GAAFETGAAFET是一種新型晶體管結(jié)構(gòu)，具有更高的電流密度和更低的功耗。TFETTFET是一種低功耗晶體管結(jié)構(gòu)，具有更低的漏電流和更高的性能。高性能信號(hào)處理電路快速數(shù)據(jù)處理高性能信號(hào)處理電路能夠快速高效地處理大量的信號(hào)數(shù)據(jù)，例如音頻、視頻、雷達(dá)等。實(shí)時(shí)響應(yīng)實(shí)時(shí)性是高性能信號(hào)處理電路的關(guān)鍵指標(biāo)，能夠滿足對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理的需求，例如自動(dòng)駕駛、人機(jī)交互等。高精度計(jì)算高性能信號(hào)處理電路采用先進(jìn)的算法和硬件設(shè)計(jì)，確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。應(yīng)用場(chǎng)景高性能信號(hào)處理電路廣泛應(yīng)用于通信、導(dǎo)航、醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。低功耗芯片設(shè)計(jì)低功耗設(shè)計(jì)的重要性移動(dòng)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域?qū)π酒囊笤絹?lái)越高，低功耗芯片設(shè)計(jì)至關(guān)重要。低功耗設(shè)計(jì)可以延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間、降低設(shè)備發(fā)熱量，提高性能。低功耗設(shè)計(jì)方法低功耗芯片設(shè)計(jì)方法主要包括電源管理、電路優(yōu)化和工藝優(yōu)化。例如，采用低壓電源、優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，以及使用低功耗工藝等。柔性電子與可穿戴設(shè)備柔性電子柔性電子是新興領(lǐng)域，其材料可以彎曲、折疊或拉伸，不會(huì)影響功能?？纱┐髟O(shè)備可穿戴設(shè)備是指可以穿戴在身體上的電子設(shè)備，包括智能手表、健身追蹤器、智能眼鏡等。應(yīng)用領(lǐng)域柔性電子和可穿戴設(shè)備在醫(yī)療保健、運(yùn)動(dòng)、娛樂(lè)、安全等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。光電子集成電路集成光學(xué)與電子學(xué)將光學(xué)功能和電子功能集成在一個(gè)芯片上。高速數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的生成、調(diào)制、傳輸和檢測(cè)。高性能計(jì)算與傳感應(yīng)用于光計(jì)算、光互連和光傳感領(lǐng)域。神經(jīng)形態(tài)計(jì)算芯片仿生設(shè)計(jì)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算芯片借鑒了人腦的結(jié)構(gòu)和工作原理，例如神經(jīng)元和突觸，以實(shí)現(xiàn)更高效的計(jì)算方式。低功耗由于其仿生結(jié)構(gòu)，神經(jīng)形態(tài)芯片能夠在低功耗的情況下完成復(fù)雜的任務(wù)，例如圖像識(shí)別和自然語(yǔ)言處理。并行處理神經(jīng)形態(tài)芯片可以同時(shí)處理大量信息，類似于人腦，這使其在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)具有優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用前景神經(jīng)形態(tài)計(jì)算芯片在人工智能、機(jī)器人、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。太赫茲電子學(xué)太赫茲波段頻率范圍為0.1至10太赫茲應(yīng)用領(lǐng)域高速無(wú)線通信高分辨率成像生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)挑戰(zhàn)器件和電路設(shè)計(jì)信號(hào)產(chǎn)生和檢測(cè)系統(tǒng)集成前沿微電子技術(shù)量子計(jì)算芯片利用量子力學(xué)原理進(jìn)行計(jì)算。具有超高并行性，可解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題。神經(jīng)形態(tài)計(jì)算芯片模仿人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)高效的模式識(shí)別和學(xué)習(xí)能力，應(yīng)用于人工智能領(lǐng)域。光電子集成電路利用光子進(jìn)行信息傳輸和處理，具有高速、低損耗的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于高速通信和光學(xué)計(jì)算。柔性電子器件可彎曲、折疊，應(yīng)用于可穿戴設(shè)備、傳感器、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，拓展了電子技術(shù)的應(yīng)用范圍。微電子技術(shù)應(yīng)用前景通信與網(wǎng)絡(luò)5G技術(shù)的應(yīng)用需要更高性能的微電子器件，推動(dòng)芯片設(shè)計(jì)與制造的革新。人工智能深度學(xué)習(xí)算法需要強(qiáng)大的計(jì)算能力，微電子技術(shù)在人工智能領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用