微电子学概论课件
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电子行业微电子学概论课件
电子行业微电子学概论课件1. 引言微电子学是研究和制造微小尺寸电子元器件的学科。
微电子学的发展和应用已经深入到各个领域，包括通信、计算机、医疗、能源等等。
本课程将介绍微电子学的基本概念、原理及其在电子行业中的应用。
2. 微电子学的基本概念2.1 微电子学的定义微电子学是研究和制造微小尺寸电子器件的学科，它将电子器件的尺寸缩小到微米级甚至纳米级。
2.2 微电子学的发展历程•1947年，第一只晶体管的发明，标志着微电子学的诞生。
•1959年，第一只集成电路问世，开创了微电子学领域的新时代。
•1971年，Intel推出了世界上第一款商用微处理器，开启了个人计算机时代。
2.3 微电子学的基本原理微电子学的基本原理包括： - 半导体材料的电子结构和载流子的行为 - PN结和二极管特性 - MOSFET的原理及其工作模式 - CMOS电路的基本结构和工作原理3. 微电子学主要器件3.1 晶体管晶体管是一种最基本的微电子学元件，它能够控制电流流动。
晶体管有三种基本类型：NPN型、PNP型和MOS型。
3.2 集成电路集成电路是将多个晶体管、电容、电阻等元件集成在一块半导体芯片上的芯片。
集成电路的种类包括模拟集成电路、数字集成电路和混合集成电路等。
3.3 传感器传感器是一种能够将各种物理量转换成电信号的器件，用于测量和控制。
常见的传感器包括温度传感器、压力传感器、光敏传感器等。
4. 微电子学在电子行业中的应用4.1 通信领域微电子学在通信领域的应用非常广泛，如手机、无线通信、卫星通信等。
基于微电子学的芯片和传感器使得通信设备越来越小、智能化。
4.2 计算机领域微电子学的发展推动了计算机的快速发展。
微型计算机、个人计算机、服务器等计算机设备的核心是由微电子学器件构成的芯片。
4.3 医疗领域微电子学在医疗设备中的应用越来越重要。
例如，医疗传感器可以用于监测血压、心率等生理参数；医疗成像设备如X光机、核磁共振等也依赖于微电子学技术。
微电子学概论 ppt课件
研究的热点
自1968年开始，硅技术为代表的信息技术领域的学术 论文超过了以钢铁技术为代表的机械领域的学术论文
PPT课件
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11个国家集成电路人才 培养基地
一. 微电子技术与半导体集成电路
微电子学- 信息科学的基础 研究在固体（半导体）材料上构成的微小型化电路、子系统及系统 的电子学分支，研究芯片级微电路系统的科学。研究电子或离子在 固体材料中的运动规律及其应用，并实现信号处理。
PPT课件
课程内容及学时安排 2学分 32学时
第一章 概论 （多媒体）
3 学时
第二章 集成器件物理基础（部分多媒体）
12学时
第三章 集成电路制造工艺 （多媒体）
7 学时
第四章 集成电路设计（多媒体）
4 学时
第五章 微电子系统设计 （多媒体）
2 学时
第六章 集成电路C A D技术（计算机辅助设计) 4 学时
PPT课件
除了自身对国民经济的巨大贡献之外
PPT课件
采用交流传动改造后，电力机车可节电20%-30% 内燃机车可节油12%-14%
全国一半以上中等城市的自来水公司，在管网自动 检测和生产调度中使用计算机控制，可使自来水流 失率降低50%
PPT课件
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PPT课件
人类社会的材料(主要) 宽禁带半导体材料(GaAs)
微电子学概论
PPT课件
教学目的
了解微电子学发展历史及在科学技术、国民经济、国家安全
的重要战略作用。
对微电子技术发展过程中的一些基本规律、发展前景的展望
和进行预测；对充分反映微电子技术领域的最新成果、体现前 沿性和时代性等进行了解。
在半导体物理基础上，对半导体器件基础、大规模集成电路
自1968年开始，硅技术为代表的信息技术领域的学术 论文超过了以钢铁技术为代表的机械领域的学术论文
PPT课件
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11个国家集成电路人才 培养基地
一. 微电子技术与半导体集成电路
微电子学- 信息科学的基础 研究在固体（半导体）材料上构成的微小型化电路、子系统及系统 的电子学分支，研究芯片级微电路系统的科学。研究电子或离子在 固体材料中的运动规律及其应用，并实现信号处理。
PPT课件
课程内容及学时安排 2学分 32学时
第一章 概论 （多媒体）
3 学时
第二章 集成器件物理基础（部分多媒体）
12学时
第三章 集成电路制造工艺 （多媒体）
7 学时
第四章 集成电路设计（多媒体）
4 学时
第五章 微电子系统设计 （多媒体）
2 学时
第六章 集成电路C A D技术（计算机辅助设计) 4 学时
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除了自身对国民经济的巨大贡献之外
PPT课件
采用交流传动改造后，电力机车可节电20%-30% 内燃机车可节油12%-14%
全国一半以上中等城市的自来水公司，在管网自动 检测和生产调度中使用计算机控制，可使自来水流 失率降低50%
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人类社会的材料(主要) 宽禁带半导体材料(GaAs)
微电子学概论
PPT课件
教学目的
了解微电子学发展历史及在科学技术、国民经济、国家安全
的重要战略作用。
对微电子技术发展过程中的一些基本规律、发展前景的展望
和进行预测；对充分反映微电子技术领域的最新成果、体现前 沿性和时代性等进行了解。
在半导体物理基础上，对半导体器件基础、大规模集成电路
微电子学概论课件
集成电路的作用
§小型化 §价格急剧下降 §功耗降低 §故障率降低
微电子学概论课件
§其次，统计数据表明，发达国家在发 展过程中都有一条规律
Ø 集成电路（IC）产值的增长率（RIC）高于电子 工业产值的增长率（REI）
Ø 电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率 （RGDP）
Ø 一般有一个近似的关系
▪ 杂质处于两种状态：中性态和离化态。 当处于离化态时，施主杂质向导带提供 电子成为正电中心；受主杂质向价带提 供空穴成为负电中心。
微电子学概论课件
按结构形式的分类
§单片集成电路：
Ø它是指电路中所有的元器件都制作 在同一块半导体基片上的集成电路
Ø在半导体集成电路中最常用的半导 体材料是硅，除此之外还有GaAs等
§混合集成电路：
Ø厚膜集成电路 Ø薄膜集成电路
微电子学概论课件
按电路功能分类
§数字集成电路(Digital IC)：它是指处理数字 信号的集成电路，即采用二进制方式进行数 字计算和逻辑函数运算的一类集成电路
（ b）单胞无需是基本的
晶体结构
§ 三维立方单胞
Ø 简立方、
体心立方、
面立方
固体材料的能带图
固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体
半导体的能带
▪ 本征激发
有效质量的意义
▪ 自由电子只受外力作用；半导体中的电子 不仅受到外力的作用，同时还受半导体内 部势场的作用
▪ 意义：有效质量概括了半导体内部势场的 作用，使得研究半导体中电子的运动规律 时更为简便（有效质量可由试验测定）
W. Schokley J. Bardeen W. Brattain
获得1956年 Nobel物理 奖
微电子学概论课件
《微电子学概论》大规模集成电路基础-PPT精品文档
与非门：Y=A1A2
河南工业大学 电气工程学院
3.3 影响集成电路性能的因素和发展趋势
• • • • • 有源器件 无源器件 隔离区 互连线 钝化保护层
• 寄生效应：电容、有源器件、 电阻、电感
河南工业大学 电气工程学院
3.4 影响集成电路性能的因素和发展趋势
器件的门延迟： 迁移率 沟道长度 电路的互连延迟： 线电阻（线尺寸、电阻率） 线电容（介电常数、面积） 途径： 提高迁移率，如GeSi材料 减小沟道长度 互连的类别： 芯片内互连、芯片间互连 长线互连(Global)
漏极
n+
n+
P型硅基板
半 导
河南工业大学 电气工程学院
基
体
MOSFET的工作原理
源极(S) 栅极(G)
MOS晶体管的基本结构
漏极(D) 源极
栅极（金属）
绝缘层（SiO2）
漏极
n+
n+
P型硅基板
半
导 体 基
MOS晶体管的动作
板 MOS晶体管实质上是一种使
河南工业大学 电气工程学院 电流时而流过，时而切断的 开关
中等线互连
短线互连(Local)
河南工业大学 电气工程学院
减小互连的途径：
增加互连层数
增大互连线截面
Cu互连、Low K介质 多芯片模块（MCM） 系统芯片（System on a chip）
减小特征尺寸、提高集成度、Cu互连、系统优化设计、SOC
河南工业大学 电气工程学院
源极(S) 栅极(G)
源极
栅极
漏极
漏极(D)
源极 漏极
VG=0 VS=0 VD=0
栅极电压为零时，存储在 源漏极中的电子互相隔离
微电子学概论PPT课件
的分类 微电子学
的特点
集成电路的分类
导论
晶体管的 发明
集成电路 发展历史
集成电路 的分类
微电子学 的特点
集成电路的分类
器件结构类型 集成电路规模 使用的基片材料 电路形式 应用领域
器件结构类型分类
导论
晶体管的 发明
集成电路 发展历史
集成电路 的分类
微电子学 的特点
集成电路（IC）产值的增长率（RIC）高于电子 工业产值的增长率（REI）
电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率 （RGDP）
一般有一个近似的关系
RIC≈1.5~2REI REI≈3RGDP
微电子学发展情况
导论
晶体管的 发明
集成电路 发展历史
集成电路 的分类
微电子学 的特点
世界GDP和一些主要产业的发展情况
晶体管的 发明
集成电路 发展历史
集成电路 的分类
微电子学 的特点
1947年12月13日 晶体管发明 1958年 的一块集成电路 1962年 CMOS技术 1967年 非挥发存储器 1968年 单晶体管DRAM 1971年 Intel公司微处理器
摩尔定律
导论 晶体管的
发明 集成电路
发展历史 集成电路
高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电 子学发展的方向
微电子学的渗透性极强
它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的 交叉学科，例如微机电系统(MEMS)、生物芯 片等
作业
微电子学？
导论 晶体管的
微电子学核心？
发明 微电子学主要研究领域？
集成电路 发展历史
微电子学特点？
集成电路 集成电路？
的分类
例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等
的特点
集成电路的分类
导论
晶体管的 发明
集成电路 发展历史
集成电路 的分类
微电子学 的特点
集成电路的分类
器件结构类型 集成电路规模 使用的基片材料 电路形式 应用领域
器件结构类型分类
导论
晶体管的 发明
集成电路 发展历史
集成电路 的分类
微电子学 的特点
集成电路（IC）产值的增长率（RIC）高于电子 工业产值的增长率（REI）
电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率 （RGDP）
一般有一个近似的关系
RIC≈1.5~2REI REI≈3RGDP
微电子学发展情况
导论
晶体管的 发明
集成电路 发展历史
集成电路 的分类
微电子学 的特点
世界GDP和一些主要产业的发展情况
晶体管的 发明
集成电路 发展历史
集成电路 的分类
微电子学 的特点
1947年12月13日 晶体管发明 1958年 的一块集成电路 1962年 CMOS技术 1967年 非挥发存储器 1968年 单晶体管DRAM 1971年 Intel公司微处理器
摩尔定律
导论 晶体管的
发明 集成电路
发展历史 集成电路
高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电 子学发展的方向
微电子学的渗透性极强
它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的 交叉学科，例如微机电系统(MEMS)、生物芯 片等
作业
微电子学？
导论 晶体管的
微电子学核心？
发明 微电子学主要研究领域？
集成电路 发展历史
微电子学特点？
集成电路 集成电路？
的分类
例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等
《微电子学概论》课件
《微电子学概论》PPT课 件
欢迎来到《微电子学概论》PPT课件，本课程将深入探讨微电子学的定义、作 用以及在生活中的应用。我们将通过丰富的教学方法和资源，一同探索微电 子学的发展趋势，了解其研究和实验。课程结束后，我们还将回答一些常见 问题。
微电子学的定义和作用
微电子学是研究和制造微小尺寸电子元件的科学和技术。它在现代科技中发挥着重要作用，驱动着无数创新产 品和解决方案的发展。
可穿戴健康追踪器
了解可穿戴设备中使用的微电子 学传感器，用于监测身体活动和 健康数据。
电动汽车
学习电动汽车技术中的微电子学 应用，如电池管理系统和充电控 制。
微电子学教学方法和资源
实验室课程
通过实际操作和测量，深入了解微电子学原理， 并加深对电子器件的理解。
模拟设计软件
使用专业的模拟设计软件，进行电路设计和性 能验证。
3
更智能
人工智能和机器学习技术将与微电子学相结合，创造更智能的设备和系统。
Hale Waihona Puke 微电子学的研究和实验研究项目
参与微电子学研究项目，探索 新颖的电子器件和技术。
实验室实践
在实验室中进行微电子学实验， 学习电子器件的制造和测试。
仿真模拟
使用电路仿真软件，模拟电子 器件和电路的性能。
常见问题和答疑
1 为什么微电子学如此重要？
微电子学的基本原理
1 半导体物理
探索半导体材料的电子结 构和导电特性，理解电子 在材料中的行为。
2 电子器件
了解常见的电子器件，如 晶体管和集成电路，并学 习它们的操作原理。
3 电路设计
学习设计和分析微电子电 路，包括放大器、滤波器 和数字逻辑电路。
微电子学在生活中的应用
欢迎来到《微电子学概论》PPT课件，本课程将深入探讨微电子学的定义、作 用以及在生活中的应用。我们将通过丰富的教学方法和资源，一同探索微电 子学的发展趋势，了解其研究和实验。课程结束后，我们还将回答一些常见 问题。
微电子学的定义和作用
微电子学是研究和制造微小尺寸电子元件的科学和技术。它在现代科技中发挥着重要作用，驱动着无数创新产 品和解决方案的发展。
可穿戴健康追踪器
了解可穿戴设备中使用的微电子 学传感器，用于监测身体活动和 健康数据。
电动汽车
学习电动汽车技术中的微电子学 应用，如电池管理系统和充电控 制。
微电子学教学方法和资源
实验室课程
通过实际操作和测量，深入了解微电子学原理， 并加深对电子器件的理解。
模拟设计软件
使用专业的模拟设计软件，进行电路设计和性 能验证。
3
更智能
人工智能和机器学习技术将与微电子学相结合，创造更智能的设备和系统。
Hale Waihona Puke 微电子学的研究和实验研究项目
参与微电子学研究项目，探索 新颖的电子器件和技术。
实验室实践
在实验室中进行微电子学实验， 学习电子器件的制造和测试。
仿真模拟
使用电路仿真软件，模拟电子 器件和电路的性能。
常见问题和答疑
1 为什么微电子学如此重要？
微电子学的基本原理
1 半导体物理
探索半导体材料的电子结 构和导电特性，理解电子 在材料中的行为。
2 电子器件
了解常见的电子器件，如 晶体管和集成电路，并学 习它们的操作原理。
3 电路设计
学习设计和分析微电子电 路，包括放大器、滤波器 和数字逻辑电路。
微电子学在生活中的应用
第一章微电子学概论
《微电子技术基础》 电子工业出版社 2001年第一版
双极、场效应用晶体管原理 高等学校电子信息类规划教 材、全国电子信息类专业 “九五”部级重点教材。
第一章
《半导体制造基础》 Gary S.M., Simon M.S. 施敏著 代永平译 2007年
《半导体器件物理基础》
曾树荣 著 北京大学出版社 2002年 第一版
第一章
部分参考书籍
张兴，黄如，刘晓彦
《微电子学概论》 北京大学出版社 2000年第一版 涵盖了半导体物理和器件 物理基础知识，集成电路 基础知识、设计、制造、 最新技术以及发展趋势， 内容系统全面.
曹培栋，亢宝位著
谢君堂，曲秀杰等著 《微电子技术应用基础》 北京理工大学出版社 2006年 第一版
集成电路的分类
集成电路的制造特点
第一章
21世纪社会发展的三大支柱产业学-信息的存储和传输依赖微电子技术和集成电路
各种信息产品的基础就是微电子 微电子技术和集成电路带动了一些列的高科技产业发展
第一章
§1.1
微电子技术与集成电路的发展历程
微电子科学是最典型的高新技术，虽然 只有短短50多年的发展历史，但是它已 经发展成为整个信息科学技术和产业的 基础和核心，同时它又是发展极其迅速 的一门技术。 计算机的发展历程就是最生动的例证！！！ 微电子技术和集成电路改变了社会生产方式和生活方式。 甚至影响了世界经济和政治格局。
1956年 获诺贝尔物理奖
第一章
约翰· 巴丁 John Bardeen
1928年，威斯康新大学麦迪逊分校电机工程系获学士学位， 1929年，获硕士学位，毕业后留校担任电机工程研究助理。 1930年，在匹兹堡海湾实验研究所从事地球磁场等研究。 1933年，在普林斯顿大学的魏德曼指导下研究固体物理学。 1935年，任哈佛大学研究员； 1936年，获普林斯顿大学博士学位。 1941年，在华盛顿海军军械实验室工作； 1945年，贝尔电话公司实验研究所研究半导体及金属导电 机制、半导体表面性能等问题。 1947年，和布拉顿发明点接触半导体三极管； 1956年，获诺贝尔物理学奖。 1957年，和库珀、施里弗共同创立了BCS理论，对超导电性 做出合理的解释。 1972年，再次获得诺贝尔物理学奖。第一位也是目前为止 唯一两次获诺贝尔物理学奖的人。
微电子学概论ch纳电子器件PPT课件
第16页/共48页
碳纳米管（Carbon nanotube）
• 含有一层石墨烯片层的称为单壁纳米碳管(Single walled carbon nanotube, SWNT)，直径一般为 1－6 nm，最小直径大约为0.4 nm，SWNT的直径 大于6nm以后特别不稳定，会发生SWNT管的塌陷， 长度则可达几百纳米到几个微米。因为SWNT的最小 直径与富勒烯分子类似，故也有人称其为巴基管或富 勒管。
纳米材料的四大效应
• 小尺寸效应 • 量子尺寸效应 • 表面效应 • 宏观量子隧道效应
第25页/共48页
小尺寸效应
当超细微粒的尺寸与光波波长等物理 特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的 边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的 颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、 光❖、光电吸、收磁显著、增热加、力学等特性呈现新的 效❖应出。现吸收峰的等离子共振频移
❖ 磁有序态变为磁无序态 ❖ 超导相变为正常相
第26页/共48页
量子尺寸效应
当金属粒子尺寸下降到某一值时，金 属费米能级附近的电子能级由准连续变 为离散能级的现象，并且纳米半导体微 粒存在不连续的被占据分子最高轨道和 未被占据的分子最低轨道能级。
能隙变宽现象称为量子尺寸效应。
第27页/共48页
表面效应
• 在硅上，目前已经生产最小线宽为130nm 的电路，再进一步发展到线宽小于100nm 时，将会遇到两大难题：
1. 光刻技术的限制，刻蚀尺寸已远小于所用光束 波长，而且掩膜的平整度、基板的平整度以及 两者之间的平行度已经成为工艺方面的不可逾 越的障碍。
第33页/共48页
解决的思路
• 目前可分为两种类型：
• 充入一个电子的所需要的能量为：
EC=e2/2C
碳纳米管（Carbon nanotube）
• 含有一层石墨烯片层的称为单壁纳米碳管(Single walled carbon nanotube, SWNT)，直径一般为 1－6 nm，最小直径大约为0.4 nm，SWNT的直径 大于6nm以后特别不稳定，会发生SWNT管的塌陷， 长度则可达几百纳米到几个微米。因为SWNT的最小 直径与富勒烯分子类似，故也有人称其为巴基管或富 勒管。
纳米材料的四大效应
• 小尺寸效应 • 量子尺寸效应 • 表面效应 • 宏观量子隧道效应
第25页/共48页
小尺寸效应
当超细微粒的尺寸与光波波长等物理 特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的 边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的 颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、 光❖、光电吸、收磁显著、增热加、力学等特性呈现新的 效❖应出。现吸收峰的等离子共振频移
❖ 磁有序态变为磁无序态 ❖ 超导相变为正常相
第26页/共48页
量子尺寸效应
当金属粒子尺寸下降到某一值时，金 属费米能级附近的电子能级由准连续变 为离散能级的现象，并且纳米半导体微 粒存在不连续的被占据分子最高轨道和 未被占据的分子最低轨道能级。
能隙变宽现象称为量子尺寸效应。
第27页/共48页
表面效应
• 在硅上，目前已经生产最小线宽为130nm 的电路，再进一步发展到线宽小于100nm 时，将会遇到两大难题：
1. 光刻技术的限制，刻蚀尺寸已远小于所用光束 波长，而且掩膜的平整度、基板的平整度以及 两者之间的平行度已经成为工艺方面的不可逾 越的障碍。
第33页/共48页
解决的思路
• 目前可分为两种类型：
• 充入一个电子的所需要的能量为：
EC=e2/2C
《微电子学》课件
硅基工艺
学习硅基工艺的原理和方法，包括晶片制备、薄膜沉积和光刻等关键步骤。
集成电路设计
掌握集成电路设计的基础知识和技术，包括逻辑设计、物理设计和验证等方面。
微电子器件制造
1
工艺流程
了解微电子器件的制造流程，从掩膜制备到成品封装，每一步都至关重要。
2
质量控制
学习如何进行严格的质量控制，确保微电子器件的性能和稳定性。
3
封装技术
掌握微电子器件的封装技术，保护芯片并便于安装和连接。
应用和发展方向
了解微电子学在各个领域的应用，包括通信、医疗、能源和环境等，并展望 微电子学的未来发展。
适用对象
本课程适合对微电子学感兴趣的学生、工程师和 从业者，没有任何背景要求。
课程安排
本课程共包含多个模块，每个模块都将深入探讨 微电子学的不同领域和应用。
微电子学基础
了解微电子学的基本概念和理论，包括电子器件、电路和信号处理等方面的 知识。
半导体物理学
深入研究半导体材料的物理性质和行为，以及在微电子学中的应用。
《微电子学》PPT课件
欢迎来到《微电子学》PPT课件！本课程将带你深入了解微电子学的基础理论、 器件制造和集成电路设计等重要内容，让你成为微电子电子学的核心概念和 基本原理，掌握从设计到制造的完整流程。
重要性
微电子学是现代科技的基石，无论是手机、电脑 还是人工智能等领域，都离不开微电子学的支持。
微电子学概论课件
▪ 1977年在北京大学诞生第一块大规模集 成电路
我国微电子学的历史
▪ 1982年，成立电子计算机和大规模集 成电路领导小组
➢主任：万里
▪ 80年代：初步形成三业分离的状态
➢制造业 ➢设计业 ➢封装业
Part 3
集成电路分类
▪ 集成电路的分类
➢器件结构类型 ➢集成电路规模 ➢使用的基片材料 ➢电路形式 ➢应用领域
微电子发展史上的几个里程碑
▪ 1962年Wanlass、C. T. Sah——CMOS技术 现在集成电路产业中占95%以上
▪ 1967年Kahng、S. Sze ——非挥发存储器
▪ 1968年Dennard——单晶体管DRAM
▪ 1971年Intel公司微处理器——计算机的心脏
➢ 目前全世界微机总量约6亿台，在美国每年由计算机完成 的工作量超过4000亿人年工作量。美国欧特泰克公司认 为：微处理器、宽频道连接和智能软件将是21世纪改变 人类社会和经济的三大技术创新
▪ 集成电路：
▪ Integrated Circuit，缩写IC
➢通过一系列特定的加工工艺，将晶体管 、二极管等有源器件和电阻、电容等无 源器件，按照一定的电路互连，“集成” 在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓） 上，封装在一个外壳内，执行特定电路 或系统功能
▪ 集成电路设计与ຫໍສະໝຸດ 造的主要流程框架系统需求微电子学概论课件
2020/8/1
▪ 微电子学：Microelectronics
➢微电子学——微型电子学
➢核心——集成电路
物理电子学:在以前主要是学习电子在真空中的运动规律及其器件， 现在内容扩展了，还包括微波方面的内容。 微电子学:主要是学习半导体器件和集成电路的设计、制造、应用。 固体电子学:主要是学习电子材料方面的研制、应用。
我国微电子学的历史
▪ 1982年，成立电子计算机和大规模集 成电路领导小组
➢主任：万里
▪ 80年代：初步形成三业分离的状态
➢制造业 ➢设计业 ➢封装业
Part 3
集成电路分类
▪ 集成电路的分类
➢器件结构类型 ➢集成电路规模 ➢使用的基片材料 ➢电路形式 ➢应用领域
微电子发展史上的几个里程碑
▪ 1962年Wanlass、C. T. Sah——CMOS技术 现在集成电路产业中占95%以上
▪ 1967年Kahng、S. Sze ——非挥发存储器
▪ 1968年Dennard——单晶体管DRAM
▪ 1971年Intel公司微处理器——计算机的心脏
➢ 目前全世界微机总量约6亿台，在美国每年由计算机完成 的工作量超过4000亿人年工作量。美国欧特泰克公司认 为：微处理器、宽频道连接和智能软件将是21世纪改变 人类社会和经济的三大技术创新
▪ 集成电路：
▪ Integrated Circuit，缩写IC
➢通过一系列特定的加工工艺，将晶体管 、二极管等有源器件和电阻、电容等无 源器件，按照一定的电路互连，“集成” 在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓） 上，封装在一个外壳内，执行特定电路 或系统功能
▪ 集成电路设计与ຫໍສະໝຸດ 造的主要流程框架系统需求微电子学概论课件
2020/8/1
▪ 微电子学：Microelectronics
➢微电子学——微型电子学
➢核心——集成电路
物理电子学:在以前主要是学习电子在真空中的运动规律及其器件， 现在内容扩展了，还包括微波方面的内容。 微电子学:主要是学习半导体器件和集成电路的设计、制造、应用。 固体电子学:主要是学习电子材料方面的研制、应用。
相关主题
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主任：万里
80年代：初步形成三业分离的状态
制造业
设计业
封装业
19
Part 3
20
集成电路分类
集成电路的分类
器件结构类型 集成电路规模 使用的基片材料 电路形式 应用领域
21
集成电路按器件结构类型分类
双极集成电路：主要由双极晶体管构成
NPN型双极集成电路
电子：Electron，带负电的导电载流 子，是价电子脱离原子束缚 后 形成的自由电子，对应于导带 中占据的电子
空穴：Hole，带正电的导电载流子， 是价电子脱离原子束缚 后形成 的电子空位，对应于价带中的 电子空位
半导体的能带结构
导 带 Eg
价 带 价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带：导带底与价带顶之间能带 带隙：导带底与价带顶之间的能量差
11
晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿
12
集成电路的发明
1952 年 5 月，英国科学家 G. W. A. Dummer 第一次提出了集成电路的 设想
1958年以德克萨斯仪器公司的科学 家基尔比 (Clair Kilby) 为首的研究 小组研制出了世界上第一块集成电 路，并于1959年公布了该结果
Part 1
1
微电子学：Microelectronics
微电子学——微型电子学
核心——集成电路
物理电子学:在以前主要是学习电子在真空中的运动规律及其器件， 现在内容扩展了，还包括微波方面的内容。
微电子学:主要是学习半导体器件和集成电路的设计、制造、应用。
固体电子学:主要是学习电子材料方面的研制、应用。 2
13
获得2000年Nobel物理奖
14 1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件， Ge晶片
微电子发展史上的几个里程碑
1962年Wanlass、C. T. Sah——CMOS技术 现在集成电路产业中占95%以上 1967年Kahng、S. Sze ——非挥发存储器 1968年Dennard——单晶体管DRAM
23
按结构形式的分类
单片集成电路：
它是指电路中所有的元器件都制作
在同一块半导体基片上的集成电路 在半导体集成电路中最常用的半导 体材料是硅，除此之外还有GaAs等
混合集成电路：
厚膜集成电路 薄膜集成电路
24
按电路功能分类
数字集成电路(Digital IC)：它是指处理数字 信号的集成电路，即采用二进制方式进行数 字计算和逻辑函数运算的一类集成电路 模拟集成电路(Analog IC)：它是指处理模拟 信号(连续变化的信号)的集成电路
28
Part 4
？什么是半导体
固体材料：超导体: 大于106(cm)-1
从导电特性和 机制来分：
10(cm)-1 不同电阻特性
导
体: 106~104(cm)-1
半导体: 104~10绝缘体: 小于10-
不同输运机制
10(cm)-1
2. 半导体中的载流子：能够导电的自由粒子
本征半导体：n=p=ni
PNP型双极集成电路
优点是速度高、驱动能力强， 缺点是功耗较大、集成度较低
金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由 MOS晶体管(单极晶体管)构成
NMOS
PMOS
CMOS(互补MOS) 双极-MOS(BiMOS)集成电路：同时包括双极和 MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路，综 合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺 复杂
点缺陷（空位、间隙原子） 线缺陷（位错） 面缺陷（层错）
间隙式杂质、替位式杂质
杂质原子位于晶格原子间的间隙位置， 该杂质称为间隙式杂质。
间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、
GaAs材料中的离子锂（0.068nm）。
杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处， 该杂质称为替位式杂质。
微电子学是一门综合性很强的边缘学科
涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物
理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机 辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科
微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集 成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子 学发展的方向 微电子学的渗透性极强，它可以是与其他学 科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如 微机电系统(MEMS)、生物芯片等
半导体及其基本特性
什么是半导体？ 固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体
晶体结构
单胞
对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的
最小单元
注：（a）单胞无需是唯一的
（ b）单胞无需是基本的
晶体结构
三维立方单胞
简立方、
体心立方、
面立方
固体材料的能带图
固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体
替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构
要求与被取代的晶格原子相近。如Ⅲ、Ⅴ 族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质。
间隙式杂质、替位式杂质
单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度
半导体的掺杂
施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子， 并成为带正电的离子。如Si中的P 和As
E D
1946年2月14日 Moore School， Univ. of Pennsylvania
18,000个电子
管组成
大小：长24m，宽6m，高2.5m 速度：5000次/sec；重量：30 吨； 7 功率：140KW；平均无故障运行时间：7min
集成电路的作用
小型化
价格急剧下降 功耗降低
半导体的能带
本征激发
有效质量的意义
自由电子只受外力作用；半导体中的电子 不仅受到外力的作用，同时还受半导体内 部势场的作用 意义：有效质量概括了半导体内部势场的 作用，使得研究半导体中电子的运动规律 时更为简便（有效质量可由试验测定）
与理想情况的偏离
晶格原子是振动的 材料含杂质 晶格中存在缺陷
系 统 需 求
设计
掩膜版
芯片制造 过程
单晶、外 延材料
芯片检测
封装
测试
4
微电子科学技 术的战略地位
5
实现社会信息化的网络及其关键部 件不管是各种计算机和/或通讯机， 它们的基础都是微电子
1946年第一台计算机：ENIAC
6
第一台通用电 子计算机：
ENIAC
Electronic Numerical Integrator and Calculator
集成电路：
Integrated Circuit，缩写IC
通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、
二极管等有源器件和电阻、电容等无源 器件，按照一定的电路互连，“集成” 在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓） 上，封装在一个外壳内，执行特定电路 或系统功能
3
集成电路设计与制造的主要流程框架
22
功耗低、集成度高，随着特征 尺寸的缩小，速度也可以很高
集成电路按集成电路规模分类
集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目 小规模集成电路(Small Scale IC，SSI) 中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI) 大规模集成电路(Large Scale IC，LSI) 超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI) 特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI) 巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）
定律
16
Part 2
17
我国微电子学的历史
1955年5所学校在北大联合创建半导体 专业
北京大学、南京大学、复旦大学、吉林大
学、厦门大学 教师：黄昆、谢稀德、高鼎三、林兰英 学生：王阳元、许居衍、陈星弼
ห้องสมุดไป่ตู้
1977年在北京大学诞生第一块大规模集 成电路
18
我国微电子学的历史
1982年，成立电子计算机和大规模集 成电路领导小组
施主和受主浓度：ND、NA
5. 本征载流子
本征半导体：没有掺杂的半导体 本征载流子：本征半导体中的载流子
载流子浓度 电子浓度
n,
空穴浓度
p
本征载流子浓度： n=p=ni
np=ni2
ni与禁带宽度和温度有关
多子：多数载流子
n型半导体：电子 p型半导体：空穴
少子：少数载流子
n型半导体：空穴 p型半导体：电子
As
EC ED EV
N型半导体
施主能级
8. 过剩载流子
由于受外界因素如光、电的作用，半 导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称 这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子 载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消 失的过程 电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合 公式
np ni2
不成立
影响迁移率的因素： 有效质量 平均弛豫时间（散射〕
体现在：温度和 掺杂浓度
电子和空穴的有效质量m*
半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，考 虑了晶格作用后的等效粒子
有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用
施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中掺的P 和As 受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的B
半导体中载流子的散射机制： 晶格散射（ 热 运 动 引 起） 电离杂质散射
Part 5 半导体物理学
半导体概要
微电子学研究领域
•半导体器件物理 •集成电路工艺 •集成电路设计和测试
80年代：初步形成三业分离的状态
制造业
设计业
封装业
19
Part 3
20
集成电路分类
集成电路的分类
器件结构类型 集成电路规模 使用的基片材料 电路形式 应用领域
21
集成电路按器件结构类型分类
双极集成电路：主要由双极晶体管构成
NPN型双极集成电路
电子：Electron，带负电的导电载流 子，是价电子脱离原子束缚 后 形成的自由电子，对应于导带 中占据的电子
空穴：Hole，带正电的导电载流子， 是价电子脱离原子束缚 后形成 的电子空位，对应于价带中的 电子空位
半导体的能带结构
导 带 Eg
价 带 价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带：导带底与价带顶之间能带 带隙：导带底与价带顶之间的能量差
11
晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿
12
集成电路的发明
1952 年 5 月，英国科学家 G. W. A. Dummer 第一次提出了集成电路的 设想
1958年以德克萨斯仪器公司的科学 家基尔比 (Clair Kilby) 为首的研究 小组研制出了世界上第一块集成电 路，并于1959年公布了该结果
Part 1
1
微电子学：Microelectronics
微电子学——微型电子学
核心——集成电路
物理电子学:在以前主要是学习电子在真空中的运动规律及其器件， 现在内容扩展了，还包括微波方面的内容。
微电子学:主要是学习半导体器件和集成电路的设计、制造、应用。
固体电子学:主要是学习电子材料方面的研制、应用。 2
13
获得2000年Nobel物理奖
14 1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件， Ge晶片
微电子发展史上的几个里程碑
1962年Wanlass、C. T. Sah——CMOS技术 现在集成电路产业中占95%以上 1967年Kahng、S. Sze ——非挥发存储器 1968年Dennard——单晶体管DRAM
23
按结构形式的分类
单片集成电路：
它是指电路中所有的元器件都制作
在同一块半导体基片上的集成电路 在半导体集成电路中最常用的半导 体材料是硅，除此之外还有GaAs等
混合集成电路：
厚膜集成电路 薄膜集成电路
24
按电路功能分类
数字集成电路(Digital IC)：它是指处理数字 信号的集成电路，即采用二进制方式进行数 字计算和逻辑函数运算的一类集成电路 模拟集成电路(Analog IC)：它是指处理模拟 信号(连续变化的信号)的集成电路
28
Part 4
？什么是半导体
固体材料：超导体: 大于106(cm)-1
从导电特性和 机制来分：
10(cm)-1 不同电阻特性
导
体: 106~104(cm)-1
半导体: 104~10绝缘体: 小于10-
不同输运机制
10(cm)-1
2. 半导体中的载流子：能够导电的自由粒子
本征半导体：n=p=ni
PNP型双极集成电路
优点是速度高、驱动能力强， 缺点是功耗较大、集成度较低
金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由 MOS晶体管(单极晶体管)构成
NMOS
PMOS
CMOS(互补MOS) 双极-MOS(BiMOS)集成电路：同时包括双极和 MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路，综 合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺 复杂
点缺陷（空位、间隙原子） 线缺陷（位错） 面缺陷（层错）
间隙式杂质、替位式杂质
杂质原子位于晶格原子间的间隙位置， 该杂质称为间隙式杂质。
间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、
GaAs材料中的离子锂（0.068nm）。
杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处， 该杂质称为替位式杂质。
微电子学是一门综合性很强的边缘学科
涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物
理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机 辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科
微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集 成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子 学发展的方向 微电子学的渗透性极强，它可以是与其他学 科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如 微机电系统(MEMS)、生物芯片等
半导体及其基本特性
什么是半导体？ 固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体
晶体结构
单胞
对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的
最小单元
注：（a）单胞无需是唯一的
（ b）单胞无需是基本的
晶体结构
三维立方单胞
简立方、
体心立方、
面立方
固体材料的能带图
固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体
替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构
要求与被取代的晶格原子相近。如Ⅲ、Ⅴ 族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质。
间隙式杂质、替位式杂质
单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度
半导体的掺杂
施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子， 并成为带正电的离子。如Si中的P 和As
E D
1946年2月14日 Moore School， Univ. of Pennsylvania
18,000个电子
管组成
大小：长24m，宽6m，高2.5m 速度：5000次/sec；重量：30 吨； 7 功率：140KW；平均无故障运行时间：7min
集成电路的作用
小型化
价格急剧下降 功耗降低
半导体的能带
本征激发
有效质量的意义
自由电子只受外力作用；半导体中的电子 不仅受到外力的作用，同时还受半导体内 部势场的作用 意义：有效质量概括了半导体内部势场的 作用，使得研究半导体中电子的运动规律 时更为简便（有效质量可由试验测定）
与理想情况的偏离
晶格原子是振动的 材料含杂质 晶格中存在缺陷
系 统 需 求
设计
掩膜版
芯片制造 过程
单晶、外 延材料
芯片检测
封装
测试
4
微电子科学技 术的战略地位
5
实现社会信息化的网络及其关键部 件不管是各种计算机和/或通讯机， 它们的基础都是微电子
1946年第一台计算机：ENIAC
6
第一台通用电 子计算机：
ENIAC
Electronic Numerical Integrator and Calculator
集成电路：
Integrated Circuit，缩写IC
通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、
二极管等有源器件和电阻、电容等无源 器件，按照一定的电路互连，“集成” 在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓） 上，封装在一个外壳内，执行特定电路 或系统功能
3
集成电路设计与制造的主要流程框架
22
功耗低、集成度高，随着特征 尺寸的缩小，速度也可以很高
集成电路按集成电路规模分类
集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目 小规模集成电路(Small Scale IC，SSI) 中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI) 大规模集成电路(Large Scale IC，LSI) 超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI) 特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI) 巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）
定律
16
Part 2
17
我国微电子学的历史
1955年5所学校在北大联合创建半导体 专业
北京大学、南京大学、复旦大学、吉林大
学、厦门大学 教师：黄昆、谢稀德、高鼎三、林兰英 学生：王阳元、许居衍、陈星弼
ห้องสมุดไป่ตู้
1977年在北京大学诞生第一块大规模集 成电路
18
我国微电子学的历史
1982年，成立电子计算机和大规模集 成电路领导小组
施主和受主浓度：ND、NA
5. 本征载流子
本征半导体：没有掺杂的半导体 本征载流子：本征半导体中的载流子
载流子浓度 电子浓度
n,
空穴浓度
p
本征载流子浓度： n=p=ni
np=ni2
ni与禁带宽度和温度有关
多子：多数载流子
n型半导体：电子 p型半导体：空穴
少子：少数载流子
n型半导体：空穴 p型半导体：电子
As
EC ED EV
N型半导体
施主能级
8. 过剩载流子
由于受外界因素如光、电的作用，半 导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称 这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子 载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消 失的过程 电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合 公式
np ni2
不成立
影响迁移率的因素： 有效质量 平均弛豫时间（散射〕
体现在：温度和 掺杂浓度
电子和空穴的有效质量m*
半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，考 虑了晶格作用后的等效粒子
有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用
施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中掺的P 和As 受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的B
半导体中载流子的散射机制： 晶格散射（ 热 运 动 引 起） 电离杂质散射
Part 5 半导体物理学
半导体概要
微电子学研究领域
•半导体器件物理 •集成电路工艺 •集成电路设计和测试