微纳电子器件3-3(总第十一次课)
电子科技大学《微电子器件》课程重点与难点
重点与难点第1章半导体器件基本方程一般来说要从原始形式的半导体器件基本方程出发来求解析解是极其困难的，通常需要先对方程在一定的具体条件下采用某些假设来加以简化，然后再来求其近似解。
随着半导体器件的尺寸不断缩小，建立新解析模型的工作也越来越困难，一些假设受到了更大的限制并变得更为复杂。
简化的原则是既要使计算变得容易，又要能保证达到足够的精确度。
如果把计算的容易度与精确度的乘积作为优值的话，那么从某种意义上来说，对半导体器件的分析问题，就是不断地寻找具有更高优值的简化方法。
要向学生反复解释，任何方法都是近似的，关键是看其精确程度和难易程度。
此外，有些近似方法在某些条件下能够采用，但在另外的条件下就不能采用，这会在后面的内容中具体体现出来。
第2章PN结第2.1节PN结的平衡状态本节的重点是PN结空间电荷区的形成、内建电势的推导与计算、耗尽区宽度的推导与计算。
本节的难点是对耗尽近似的理解。
要向学生强调多子浓度与少子浓度相差极其巨大，从而有助于理解耗尽近似的概念，即所谓耗尽，是指“耗尽区”中的载流子浓度与平衡多子浓度或掺杂浓度相比可以忽略。
第2.2节PN结的直流电流电压方程本节的重点是对PN结扩散电流的推导。
讲课时应该先作定性介绍，让学生先在大脑中建立起物理图象，然后再作定量的数学推导。
当PN结上无外加电压时，多子的扩散趋势正好被高度为qV b.的势垒所阻挡，电流为零。
外加正向电压时，降低了的势垒无法阻止载流子的扩散，于是构成了流过PN结的正向电流。
正向电流的电荷来源是P区空穴和N区电子，它们都是多子，所以正向电流很大。
外加反向电压时，由于势垒增高，多子的扩散变得更困难。
应当注意，“势垒增高”是对多子而言的，对各区的少子来说，情况恰好相反，它们遇到了更深的势阱，因此反而更容易被拉到对方区域去，从而构成流过PN结的反向电流。
反向电流的电荷来源是少子，所以反向电流很小。
本节的难点是对有外加电压时势垒区两旁载流子的运动方式的理解、以及电子（空穴）电流向空穴（电子）电流的转化。
微纳光电子学 教学大纲
微纳光电子学一、课程说明课程编号：140510Z10课程名称：微纳光电子学/ Micro- and Nano- Optoelectronics课程类别：专业核心课程学时/学分：48/3先修课程：固体物理、信息光学、光电子技术适用专业：光电信息科学与工程教材、教学参考书：1．原荣，邱琪编著.光子学与光电子学.北京: 机械工业出版社.2014年;2. 傅竹西编著.固体光电子学.合肥: 中国科学技术大学出版社(第2版).2012年;3. 周治平著.硅基光电子学.北京: 北京大学出版社.2012年;4. 刘旭等编著.光电子学.杭州: 浙江大学出版社.2014年。
二、课程设置的目的意义光子学、光电子学、和光电子技术是目前信息时代不可或缺的关键技术，产生了大量的光与电相结合的新型器件如手机、电脑、激光雷达、导航设备、光电探测器、太阳能电池等等，不一而足，为人们的生活和工作提供了极大的便利。
光子与电子的结合与相互调制是今后信息技术发展的一个重要方向，特别是由于半导体技术和微纳制作技术的兴起，光电子器件朝功能更强、尺寸更小的方向发展。
本课程重点讲述特征尺寸在微米或纳米级别的光与电相结合的新型光电子器件及其原理，结构、和应用等，使光电信息科学与工程等专业的学生能够了解和掌握有关微纳光电子学方面的最新进展和知识，为更好地适应以后相关的学习深造和研发工作打下坚实的专业基础。
三、课程的基本要求知识：本课程从光学原理如光的传播、干涉、衍射、偏振、双折射、光电效应、电光效应、非线性效应等出发，重点讲述所涉及到的当前微纳光电子学领域基本的、主要的、常用的器件，如波导、半导体激光器、滤波器、调制器、探测器、CCD、探测器等的原理、结构、及应用等。
能力：要求学生学习这些器件的基本结构、工作原理、主要特性及应用等知识时，不仅需了解微纳光电子器件的基本知识，还要能够举一反三、触类旁通、和具备进一步深入学习、研究及设计微纳光电子器件的能力，并能将器件知识与实际应用相结合。
电子学中的微电子器件和纳电子学
电子学中的微电子器件和纳电子学在当今电子技术飞速发展的时代，微电子器件和纳电子学是电子学领域中备受瞩目的研究方向。
它们不仅具有广泛的应用前景，而且可以为我们提供更灵活、更高效、更小巧的电子设备和系统。
本文将从微电子器件和纳电子学两个方面来介绍它们的基本概念、研究进展及应用前景。
微电子器件是指尺寸在微米级别的电子器件。
它主要应用于集成电路、传感器、激光器、光纤通信等领域，具有体积小、速度快、功耗低等优点。
其中最具代表性的就是集成电路。
作为计算机、手机等电子产品核心的集成电路，其重要性可想而知。
随着电子技术的不断进步，集成电路的制造工艺也在不断更新。
现在常用的工艺是CMOS工艺（互补金属-氧化物半导体），它能够制造出集成度更高、功耗更低的芯片。
此外，随着信息时代的来临，传感器在民用、工业、医疗等领域的应用也越来越广泛，这也使得微电子器件在未来的发展中将有更为广泛的应用前景。
而纳电子学则是指研究纳米级别下材料的电子性质和应用的学科。
与微电子器件相比，纳电子学的尺寸更小，结构更复杂，涉及到的物理和化学现象也更为微妙。
其中的纳米材料，如纳米线、纳米管、纳米颗粒等，可以在光电、磁电、荧光、热学等多个领域中发挥独特的性能。
以染料敏化太阳能电池为例，其关键组件就是纳米级的二氧化钛薄膜，它能够吸收太阳光，并将其转换为电能，使得太阳能电池具有更高的转换效率。
在生物医学领域，纳米材料也受到了广泛的关注，例如通过包覆纳米颗粒的方式，可以改善药物的生物分布和毒副作用，实现精准治疗。
在微电子器件和纳电子学的研究中，材料的制备是非常重要的一环。
传统材料制备工艺大多采用物理或化学手段，但在微型尺度下，这些工艺已经不再适用。
因此，研究人员就开始尝试新的制备方法。
近年来，利用生物、化学、物理等交叉学科的知识，在微电子器件和纳电子学领域出现了一些新的材料制备技术，如DNA自组装、容量耦合、微流控等。
这些技术使得微电子器件和纳电子学的研究更加多样化和创新性。
微纳光电子器件的设计和制备技术
微纳光电子器件的设计和制备技术微纳光电子器件是目前光电子领域中的前沿研究领域。
因其微小的体积，具有良好的性能和独特的功能，被广泛应用于信息处理、生物医药、新能源等领域。
本文概述微纳光电子器件设计制备技术。
一、微纳光电子器件概述微纳光电子器件是指体积尺寸在微米乃至纳米量级的光电子器件，与传统的光电子器件相比，具有更高的集成度、更低的功耗、更高的速度、更强的可靠性和稳定性，因此在应用领域有着广泛发展前景。
目前，微纳光电子器件主要包括微波光子晶体、微环谐振器、微腔光机械振子、微进易出激光等。
这些器件均是基于微纳米加工技术制备的，因此需要掌握相应的设计和制备技术。
二、微纳光电子器件设计技术1. 光学仿真技术在微纳光电子器件设计中，光学仿真技术是非常重要的一部分。
通过对无限远场问题的研究，可以建立器件的电磁模型，并利用计算机仿真技术进行分析和设计优化。
光学仿真技术最常用的软件是COMSOL Multiphysics和Lumerical等。
通过光学仿真技术，可以优化器件的结构形状、材料选择、呈现和低损耗等。
2. 异质结构设计技术在微纳光电子器件很多器件应用中都需要通过异质结设计实现。
异质结异质材料的导带能带区在交界处会产生能带弯曲现象，从而形成能带偏差，这样就能够改变器件的电子结构和光学性质。
异质结是一种典型的二维和三维的结构，可以通过量子阱、能带混合、带隙调制等技术实现。
在微波光子晶体、微腔光学器件等方面有重要应用。
三、微纳光电子器件制备技术1. 电子束光刻技术电子束光刻技术（EBL）是一种高分辨率的微纳米制造技术，其分辨率可以达到亚纳米级别。
EBL主要是利用电子束照射石英等电子敏感材料，石英中会产生可溶解的空穴，再通过腐蚀、蒸镀等方式制造出器件形状。
EBL技术可以实现器件的多层加工和三维加工，但是其缺点是加工速度较慢，不能进行大面积加工和生产级量产。
2. 等离子体刻蚀技术等离子体刻蚀技术（RIE）是一种高效的微纳米制造技术，其主要原理是通过气体放电等离子体刻蚀目标材料。
微电子器件
微电子器件1. 概述微电子器件是一种尺寸远小于传统电子器件的电子元件。
它们在微纳尺度下制造，通常采用半导体材料（如硅）制成。
微电子器件在现代科技中起着至关重要的作用，广泛应用于电子、通信、计算机、医疗和能源等领域。
2. 基本概念微电子器件的尺寸通常在微米至纳米级别，其特点包括： - 小尺寸：微电子器件通常具有毫米或更小的尺寸，这使得它们可以在集成电路中实现高密度布局。
- 快速响应：由于尺寸小，微电子器件的响应速度通常很快，这使得它们适用于高速信号处理和通信应用。
- 低功耗：微电子器件通常具有低功耗特性，这使得它们在便携设备和低功耗电路中非常受欢迎。
3. 常见的微电子器件3.1 MOSFET金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）是一种常见的微电子器件。
它由金属栅极、绝缘层和半导体材料组成，通过调节栅极电压来控制电流。
MOSFET广泛应用于集成电路和数字电子领域。
3.2 MEMS微机电系统（MEMS）是一种将机械、电子和传感器结合在一起的微型系统。
它由微型机械结构和微电子器件组成。
MEMS通常用于传感、加速度计、惯性导航和微型机器人等领域。
3.3 CCD电荷耦合器件（CCD）是一种用于图像传感和成像的微电子器件。
它通过将光信号转换为电荷进行图像采集和存储。
CCD广泛应用于数码相机、摄像机和天文观测等领域。
3.4 LED发光二极管（LED）是一种能够将电能转换为光能的微电子器件。
LED具有高效率、长寿命和低功耗的优点，因此广泛应用于照明、显示和通信等领域。
4. 微电子器件制造技术微电子器件的制造通常涉及以下关键技术： - 硅工艺：硅工艺是制造微电子器件最常用的方法之一，它涉及光刻、薄膜沉积、扩散和离子注入等过程。
- 薄膜技术：微电子器件通常需要在半导体表面上沉积各种功能膜层，薄膜技术是实现这一目标的重要方法。
- 纳米制造技术：纳米制造技术是制造纳米尺度器件的关键技术，包括纳米光刻、纳米精细加工和纳米材料制备等方面。
微纳电子材料与器件知识讲解
纳米材料发展简介
❖ 1965年诺贝尔物理奖获得者R.P Feynman说过：“如果有一 天能按人的意志安排一个个原子分子将会产生什么样的奇 迹”，纳米科学技术的诞生将使这个美好的设想成为现实 。
❖ 1982年，IBM公司苏黎世研究所Binnig和Rohrer发明了扫描 隧道显微镜(STM),这项发明为纳米科技的发展起到巨大的 促进作用。
(a) Schematic representation of the transfer process to invert the VA-MWNT array onto a polystyrene thin film,
(b, c) SEM images of the invert VA-MWNT array.
纳米结构与低维性的概念
❖ 纳米材料：指材料在三维空间中至少有一维处于纳米尺度
范围内的，或由纳米基本单元构成的材料。
❖ 纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础,按一定规律构筑
或营造一种新的体系,它包括一维的、二维的、三维的体系 。
❖ 纳 米 结 构 通 常 是 指 0.1 ～ 100nm 的 超 微 结 构 , 在 这 种 尺 度
介观体系的材料。
❖ 低维性：指的是维数小于三，具体来说就是二维、 一维和零维
d=3，完全不受 量子约束
三维（3D）
定义d为维度
d=2，一个方向上 受到量子约束
二维（2D）
d=1，两个方向上 受到量子约束
d=0，三个方向上 受到量子约束
一维（1D） 零维（0D）
纳米材料根据三维空间中未被纳米尺度约束的自由度定义
用传统的化学分子极性理论來解释，不仅解释不 通，恰恰是相反。
从机械学的粗糙度、光洁度角度來解释也不行， 因为它的表面光洁度根本达不到机械学意义上的 光洁度（粗糙度），用手触摸就可以感到它的粗 糙程度。
微纳电子器件制造技术的研究与应用
微纳电子器件制造技术的研究与应用近年来，微纳电子器件在电子工业中越来越受到重视，成为了求解当前热点问题的新选择。
浅谈微纳电子器件制造技术的研究与应用对于我们深入了解微纳电子器件的制造原理和应用场景，有着重要的意义。
一、微纳电子器件制造技术简要介绍微纳电子器件是指在微米甚至纳米级的范围内制造的电子元器件，主要采用微细加工技术和材料技术制造。
其制造涉及多个学科领域，包括微机电系统、材料科学与工程、化学工程、电子物理等。
微纳电子器件具有尺寸小、性能优良、功耗低、可靠性高等特点，具有广阔的应用前景。
微纳电子器件制造技术的研究主要分为以下几个方面：1.微电子加工技术微电子加工技术是微纳电子器件制造技术中的核心技术，包括半导体工艺和微机电系统工艺两大类。
常用的微电子加工技术有光刻、蒸镀、离子注入、化学蚀刻等。
这些技术的优化和改进，对于微纳电子器件的生产与提升具有重要意义。
2.材料技术微纳电子器件所使用的材料不同于传统电子器件，需要具有特殊的性质和特点。
微纳电子器件制造中常用的材料有氮化硅、氮化铝、氮化镓等。
这些材料的制备、加工和性能优化，是微纳电子器件制造中重要研究方向之一。
3.模拟设计技术微纳电子器件的复杂性和成本高昂，需要采用模拟设计工具对其进行仿真，在实际制造前进行模型验证，以降低失败率并提高成功率。
常用的仿真软件有COMSOL Multiphysics等。
4.封装与测试技术微纳电子器件在制造完成后，需要进行封装和测试，以确保其性能和可靠性。
因器件的封装和测试通常引起信号传输的损失，因此封装和测试技术的研究成为了微纳电子器件制造的重要方向之一。
二、微纳电子器件制造技术的应用场景1.通信和通讯微波通讯、红外通讯、量子通讯等都是微纳电子器件在通信行业中的应用。
此外，微纳电子器件还被应用于数字通讯、光通讯、射频通讯等领域。
2.能源微纳电子器件在太阳能电池领域的应用可将太阳辐射能转化为电能，实现了绿色能源利用。
微纳电子器件的设计与仿真
微纳电子器件的设计与仿真随着现代电子技术不断发展，微纳电子器件变得越来越小，同时，功能也越来越强大。
微纳电子器件的设计和仿真是目前电子工程领域内的热点问题，其关键是需要以小的尺寸来满足各种性能要求。
本文将探讨微纳电子器件的设计和仿真以及在微纳电子器件方面的研究进展。
一、微纳电子器件的设计微纳电子器件是指尺寸在微米或纳米级别的电子元件。
微纳电子器件的设计需要考虑到器件本身的物理特性和功能，这意味着必须充分利用材料特性和现代工艺技术，以在小尺寸下实现高性能器件。
一般来说，微纳电子器件的设计主要包括以下几个方面。
1. 装置物理装置物理是微纳电子器件设计中的关键点。
在物理设计中，需要对器件的晶体结构、掺杂浓度、介质特性等进行分析，建立良好的物理模型。
物理模型的准确性是影响装置性能的关键。
2. 设计自动化基于自动化设计方法，设计方法就可以得到自动仿真和验证的优化电子器件设计。
设计自动化能够大幅提高器件设计的效率，并提高设计效果。
3. 过程艺术在微纳电子器件设计中，过程艺术显得尤为重要。
由于设计精度非常高，因此制造过程中需要/nonetheles/更加精细的制造技术和受过专业培训的工作者。
4. 调试验证微纳电子器件的设计需要通过模拟仿真和实验验证来确认模型的精度，并最终证明电路的性能。
即使使用仿真软件进行触发设备能模拟特定条件下的器件行为，但是实验验证仍然是必要的。
二、微纳电子器件的仿真微纳器件的性能与其物理特性、工艺技术和环境等诸多因素有关。
仿真技术可以有效地预测器件的性能，并帮助设计人员确定微纳器件中的一些基本参数，以满足要求和特性。
1. 容易的仿真微纳电子器件的仿真过程可以分为物理仿真和电路仿真两部分。
物理仿真基于微观尺度的数学模型，主要用于预测器件的物理行为。
电路仿真基于电路模型，可用于预测器件的电气行为。
微观仿真需要高度准确的计算，并且易于误差积累，因此需要强大的仿真程序支持。
2. 电磁仿真电磁仿真方法用于预测微纳电子器件的电磁特性，如器件的能量吸收率、反射率、透射率和散射系数等。
清华大学微电子本科生培养课程设置
•一、简介微纳电子系本科生一级学科名称为电子科学与技术，二级学科名称为微电子学。
二、课程设置课程编号：30260093 课程名称：固体物理学课程属性：专业核心课开课学期：09秋任课教师：王燕内容简介：固体物理学是固体材料和固体器件的基础。
该课程主要研究晶体的结构及对称性，晶体中缺陷的形成及特征，晶格动力学，能带理论的基础知识以及晶体中的载流子输运现象等。
是微纳电子专业的核心课。
课程编号：40260103 课程名称：数字集成电路分析与设计课程属性：专业核心课开课学期：09秋任课教师：吴行军内容简介：本课程从半导体器件的模型开始，然后逐渐向上进行，涉及到反相器，复杂逻辑门（NAND，NOR，XOR），功能模块（加法器，乘法器，移位器，寄存器）和系统模块（数据通路，控制器，存储器）的各个抽象层次。
对于这些层次中的每一层，都确定了其最主要的设计参数，建立简化模型并除去了不重要的细节。
课程编号：40260173 课程名称：数字集成电路分析与设计（英）课程属性：专业核心课开课学期：09秋任课教师：刘雷波内容简介：数字集成电路的分析与设计，包括：CMOS反相器、组合和时序逻辑电路分析与设计、算术运算逻辑功能部件、半导体存储器的结构与实现、互连线模型与寄生效应的分析。
并介绍常用数字集成电路的设计方法和流程。
课程编号：30260072 课程名称：微电子工艺技术课程属性：专业核心课开课学期：09秋任课教师：岳瑞峰内容简介：本课程授课目的是使学生掌握微电子制造的各单项工艺技术，以及亚微米CMOS集成电路的工艺集成技术。
本课程讲授微电子制造工艺各单项工艺的基本原理（包括氧化、扩散、离子注入、薄膜淀积、光刻、刻蚀、金属化工艺等），并介绍常用的工艺检测方法和MEMS加工技术、集成电路工艺集成技术和工艺技术的发展趋势等问题。
另通过计算机试验，可学习氧化、扩散、离子注入等工艺设备的简单操作和模拟。
课程编号：40260054 课程名称：半导体物理与器件课程属性：专业核心课开课学期：09春任课教师：许军内容介绍：主要讲授半导体材料的基本物理知识，半导体器件的工作原理以及现代半导体器件的新进展。
微纳电子器件的制备和应用
微纳电子器件的制备和应用随着科技的发展，微观世界日渐引人注目。
微电子技术的发展，使得人们对于电子器件的制造精度和功能性有了更高的要求。
微纳电子技术作为电子技术的新方向，将成为未来电子工业的重要组成部分。
本文将介绍微纳电子器件的制备过程和常见的应用。
一、微纳电子器件的制备过程微纳电子器件是通过利用微纳加工技术将电路设计转化为三维结构，纳米尺度的各种功能元件，如电阻、电容、管子、二极管、三极管等制备而成。
1.微纳加工技术微纳加工技术是微纳电子器件的核心技术之一，包括各种加工方法，如电子束曝光、光刻、湿法蚀刻、干法蚀刻、电化学加工、气溶胶沉积等。
其中，电子束曝光技术是微纳加工技术中最早、最成熟的技术之一，能够在微纳米尺度下实现高精度、高分辨率的器件制备。
2.相关技术微纳电子器件的制备还需要相关技术的支持，如精密仪器的设计和制造，材料科学的发展，电子学、物理学和计算机技术等综合运用。
这些技术的进步，不仅提高了微电子器件的制造精度，而且能够满足制造高质量器件的要求。
3.应用现在，已经有许多微纳电子器件被制造出来并应用到了各个领域。
比如，红外探测器、生物芯片、微型加速器、纳米滤网、烟雾探测器等，这些器件的应用程度已经高达了80%以上。
二、常见的微纳电子器件应用1.生物芯片生物芯片作为生物技术的重要应用，是一种集微电子技术和生物科学于一体的新型技术。
通过生物芯片，可以对微生物、DNA、蛋白质等生物体系进行检测和分析。
2.红外探测器红外探测器是一种分子结构、量子离子和原子谱学原理为基础的新型光学节目。
与其他光学检测方式相比，红外探测器具有相对非常特别的特性，如对物体的热辐射敏感，可测量物体的温度等。
红外探测器不仅可以应用到军事领域，如导弹、火控系统等，而且也可以用于民用领域，如夜视设备、红外报警器等。
3.微型加速器微型加速器是一种可以将带电粒子高速加速的装置，它可以应用于核物理分析、放射性检测、核废料处理、环境监测等多个领域。
微电子器件授课教案
微电子器件授课教案第一章：微电子器件概述1.1 教学目标了解微电子器件的基本概念和分类掌握微电子器件的发展历程和趋势理解微电子器件在现代科技领域的应用1.2 教学内容微电子器件的定义和特点微电子器件的分类及性能指标微电子器件的发展历程和趋势微电子器件在现代科技领域的应用1.3 教学方法采用讲授和互动讨论相结合的方式，引导学生了解微电子器件的基本概念和分类通过案例分析，使学生掌握微电子器件的发展历程和趋势利用实际应用场景，让学生理解微电子器件在现代科技领域的重要作用第二章：半导体物理基础2.1 教学目标掌握半导体的基本性质和导电机制了解半导体物理中的重要概念和原理理解半导体器件的工作原理和性能特点2.2 教学内容半导体的基本性质和导电机制半导体物理中的重要概念和原理半导体器件的工作原理和性能特点2.3 教学方法通过讲解和示例，让学生掌握半导体的基本性质和导电机制利用实验和仿真，使学生了解半导体物理中的重要概念和原理结合具体器件，让学生理解半导体器件的工作原理和性能特点第三章：二极管和三极管3.1 教学目标掌握二极管和三极管的结构、原理和性能学会分析二极管和三极管在不同电路中的应用了解二极管和三极管的发展趋势和新型器件3.2 教学内容二极管和三极管的结构和工作原理二极管和三极管的性能参数和测试方法二极管和三极管在不同电路中的应用二极管和三极管的发展趋势和新型器件3.3 教学方法通过讲解和示例，让学生掌握二极管和三极管的结构和工作原理利用实验和仿真，使学生了解二极管和三极管的性能参数和测试方法结合具体应用案例，让学生学会分析二极管和三极管在不同电路中的应用介绍二极管和三极管的发展趋势和新型器件，激发学生的学习兴趣和探究精神第四章：集成电路和微电子技术了解集成电路的基本概念和分类掌握集成电路的设计和制造工艺理解微电子技术的发展和应用领域4.2 教学内容集成电路的基本概念和分类集成电路的设计和制造工艺微电子技术的发展和应用领域4.3 教学方法采用讲解和互动讨论相结合的方式，引导学生了解集成电路的基本概念和分类通过案例分析和实验，使学生掌握集成电路的设计和制造工艺利用实际应用场景，让学生理解微电子技术的发展和应用领域第五章：微电子器件的应用5.1 教学目标了解微电子器件在不同领域的应用掌握微电子器件的选型和使用方法理解微电子器件在现代科技中的重要作用5.2 教学内容微电子器件在电子设备中的应用微电子器件在通信系统中的应用微电子器件在计算机领域的应用微电子器件在其他领域的应用通过讲解和示例，让学生了解微电子器件在不同领域的应用利用实验和仿真，使学生掌握微电子器件的选型和使用方法结合具体应用场景，让学生理解微电子器件在现代科技中的重要作用第六章：功率器件和功率集成电路6.1 教学目标掌握功率器件的结构、原理和性能了解功率集成电路的基本概念和分类理解功率器件和功率集成电路在电力电子领域的应用6.2 教学内容功率器件的结构和工作原理功率器件的性能参数和测试方法功率集成电路的基本概念和分类功率器件和功率集成电路在电力电子领域的应用6.3 教学方法通过讲解和示例，让学生掌握功率器件的结构和工作原理利用实验和仿真，使学生了解功率器件的性能参数和测试方法结合具体应用案例，让学生了解功率集成电路的基本概念和分类介绍功率器件和功率集成电路在电力电子领域的应用，激发学生的学习兴趣和探究精神第七章：传感器和微电子器件7.1 教学目标了解传感器的基本概念和分类掌握传感器的原理和性能理解传感器和微电子器件在智能化领域的应用7.2 教学内容传感器的基本概念和分类传感器的原理和性能传感器和微电子器件在智能化领域的应用7.3 教学方法采用讲解和互动讨论相结合的方式，引导学生了解传感器的基本概念和分类通过案例分析和实验，使学生掌握传感器的原理和性能利用实际应用场景，让学生理解传感器和微电子器件在智能化领域的应用第八章：光电器件和光电子集成电路8.1 教学目标掌握光电器件的结构、原理和性能了解光电子集成电路的基本概念和分类理解光电器件和光电子集成电路在光通信领域的应用8.2 教学内容光电器件的结构和工作原理光电器件的性能参数和测试方法光电子集成电路的基本概念和分类光电器件和光电子集成电路在光通信领域的应用8.3 教学方法通过讲解和示例，让学生掌握光电器件的结构和工作原理利用实验和仿真，使学生了解光电器件的性能参数和测试方法结合具体应用案例，让学生了解光电子集成电路的基本概念和分类介绍光电器件和光电子集成电路在光通信领域的应用，激发学生的学习兴趣和探究精神第九章：微电子器件的可靠性9.1 教学目标了解微电子器件的可靠性基本概念掌握微电子器件的可靠性参数和测试方法理解微电子器件可靠性对系统的影响9.2 教学内容微电子器件的可靠性基本概念微电子器件的可靠性参数和测试方法微电子器件可靠性对系统的影响9.3 教学方法采用讲解和互动讨论相结合的方式，引导学生了解微电子器件的可靠性基本概念通过案例分析和实验，使学生掌握微电子器件的可靠性参数和测试方法利用实际应用场景，让学生理解微电子器件可靠性对系统的影响第十章：微电子器件的发展趋势10.1 教学目标了解微电子器件的最新发展动态掌握未来微电子器件的技术发展趋势理解微电子器件对现代社会的影响10.2 教学内容微电子器件的最新发展动态未来微电子器件的技术发展趋势微电子器件对现代社会的影响10.3 教学方法通过讲解和示例，让学生了解微电子器件的最新发展动态利用实验和重点和难点解析：1. 微电子器件的分类和性能指标：学生需要理解不同类型微电子器件的特点和应用场景，以及如何评估它们的性能。
《微电子器件》课件
随着科技的不断发展，新型微电子器件的研究也 在不断推进。目前，新型微电子器件主要集中在 柔性电子器件、生物可穿戴器件、量子器件等领 域。
生物可穿戴器件
生物可穿戴器件是指能够与人体直接接触并监测 人体生理参数的微电子器件。目前，生物可穿戴 器件的研究重点在于提高其舒适性、准确性和稳 定性。
描述模拟电路性能的参数，表示输入与输出 之间的线性关系。
微电子器件的测试方法与设备
测试方法
包括功能测试、性能测试和可靠性测试等。
测试设备
如示波器、信号发生器、频谱分析仪等。
测试环境
需要控制温度、湿度、电磁干扰等环境因素 。
测试标准
根据不同应用领域制定相应的测试标准。
微电子器件可靠性分析
可靠性定义
02
微电子器件的基本结构与 原理
半导体材料基础
半导体材料的分类
元素半导体、化合物半导体、掺 杂半导体等。
半导体的基本性质
导电性、光学特性、热学特性等。
半导体的能带结构
价带、导带、禁带等概念及其对电 子跃迁的影响。
PN结与二极管
PN结的形成
01
扩散、耗尽层、空间电荷区等概念。
二极管的伏安特性
02
性能和热管理技术。
机械可靠性
微电子器件在受到机械 应力时容易发生损坏， 机械可靠性问题不容忽 视。目前，机械可靠性 的研究重点在于提高微 电子器件的抗冲击和抗
振动性能。
电气可靠性
微电子器件在长时间工 作过程中容易出现电迁 移、氧化等问题，影响 其电气性能。目前，电 气可靠性的研究重点在 于提高微电子器件的稳
柔性电子器件
柔性电子器件具有轻薄、可弯曲、可折叠等特点 ，被广泛应用于可穿戴设备、智能家居等领域。 目前，柔性电子器件的研究重点在于提高其稳定 性、可靠性和生产效率。
微纳电子器件的制备及性质研究
微纳电子器件的制备及性质研究一、介绍微纳电子器件微纳电子器件是指尺寸在微米甚至纳米级别的电子器件。
由于其尺寸小、功耗低、速度快、密度高等特点，被越来越广泛地应用于各类电子设备中，例如智能手机、电脑、网络等。
因此，微纳电子器件的制备及性质研究备受关注。
二、微纳电子器件的制备方法1.纳米雕刻法纳米雕刻法是将非平面或平面的硅片表面通过化学和物理反应方式进行加工，以形成纳米级别的结构。
这种方法可以取得高精确度、光滑表面、低成本，适用于各种微电子器件的制备。
2.光刻法光刻法是将光敏树脂涂覆在硅片表面，利用掩膜、光刻机等设备对光敏树脂进行局部照射，并用化学反应去除未暴露的部分来制作器件。
这种方法适用于制备细线路、超高分辨率的微型器件。
3.离子束刻蚀法离子束刻蚀法是将离子注入精确控制的区域，以制备细小结构。
该方法可精确地刻画像金属线、金属阻抗器、微芯片等微型器件。
4.分子束外延法分子束外延法是一种特殊的蒸发方法，其核心是利用气相淀积，控制化学反应和多种氧化物的表面平衡来生成微电子器件。
常用于制备集成电路等设备。
三、微纳电子器件的性质研究1. 器件性能测试在微纳电子器件的研究中，需要对其进行全面性能测试。
例如，必须测试器件的电荷传输、感应等性能；通过内部结构和工艺参数的分析，验证其实际工作效果是否符合要求。
2. 构建自组装器件自组装是通过液滴等小分子自组装来建筑微年代器件。
例如，可以利用自组装法制造纳米线、纳米槽、纳米钉等各种微观尺度结构器件。
3. 研发新型材料微纳电子器件的性能取决于材料使用。
因此，进一步研发新型的半导体材料、纳米材料等，对于微纳电子器件的发展至关重要。
例如，磁性材料可以用于制备非插入式磁性储存器、磁性量子比特等器件。
4. 模拟器件性质除了实际测试微纳电子器件性能外，还需要利用模拟器件进行性质模拟和预测。
这会让研究者更深入地了解器件的性质和问题，为更好地解决设计和制造方面的挑战提供有益的信息。
微纳电子器件材料及制备技术的研究与开发
微纳电子器件材料及制备技术的研究与开发随着现代技术的飞速发展，微纳电子器件作为信息处理和存储中不可或缺的组成部分，正成为科技领域的热门研究方向。
微纳电子器件材料及制备技术的研究与开发，对于推动电子行业的发展和创新具有重要意义。
本文将就微纳电子器件材料及制备技术的研究和应用进行探讨，并对其未来的发展进行展望。
一、微纳电子器件材料微纳电子器件材料是指在微纳尺度下具有特殊性能和结构的材料。
在微纳电子器件中，材料的选择和制备能力直接决定了器件的性能和功能。
目前，主要的微纳电子器件材料包括半导体材料、金属材料、绝缘材料以及复合材料等。
1. 半导体材料半导体材料是微纳电子器件中的重要组成部分。
其中，硅材料是应用最广泛、研究最深入的一类半导体材料。
它具有良好的热稳定性、可控的电特性，广泛应用于集成电路、光电子器件等领域。
此外，砷化镓、氮化镓等III-V族半导体材料也具有优异的电特性和光学特性，在高频电子器件、光电子器件领域有着广阔的应用前景。
2. 金属材料金属材料在微纳电子器件中也起着重要的作用。
金属材料具有良好的导电性和热传导性，常见的金属材料有铜、铝、银等。
这些金属材料广泛应用于电路连线、电极、散热等方面。
此外，金属纳米粒子也被广泛研究和应用于传感器、生物医学等领域。
3. 绝缘材料微纳电子器件中，绝缘材料用于电容、绝缘层等方面。
常见的绝缘材料有二氧化硅、氮化硅等。
绝缘材料具有高绝缘强度、低介电常数等特性，能够保证器件的电气隔离和性能稳定。
4. 复合材料复合材料由两种或多种材料的组合而成，以期获得更好的特性和性能。
在微纳电子器件中，复合材料的应用主要集中在填充材料和防爆材料方面。
填充材料的目的是提高材料的导热性能，提高器件的散热效果。
而防爆材料则是为了提高器件的可靠性和安全性。
二、微纳电子器件制备技术微纳电子器件的制备技术是指根据设定的设计要求和功能需求，将微纳尺度的材料加工和组装成器件的过程。
制备技术对于电子器件的性能、稳定性和可靠性有着关键性的影响。
微纳电子器件的设计及应用
微纳电子器件的设计及应用随着科技的发展，纳米级电子器件的应用越来越广泛。
微纳电子器件指的是在微米或纳米尺度下设计制造的电子器件，具有高性能、低功耗、低成本等优点。
其应用范围涵盖信息通信、医疗健康、能源环保、智能物联网等领域。
本文将介绍微纳电子器件的设计及应用。
一、微纳电子器件的设计微纳电子器件的设计是在微米或纳米级别下进行的，需要采用一些高级技术，并且要考虑到这些器件的特殊性质。
以下是一些常用的微纳电子器件设计技术。
1. 工艺制造工艺制造是微纳电子器件设计的重要一环。
在此过程中，需要采用先进的技术，比如光刻、氧化、金属蒸镀等，制造出所需的器件。
这些技术需要在非常高的精度下操作，以确保器件的性能和稳定性。
2. 模拟和数字信号处理模拟和数字信号处理是微纳电子器件设计的另一个重要环节。
模拟信号处理会涉及到耦合、噪声、伪信号等问题，而数字信号处理则会处理器件的复杂性和性能问题。
这两种信号处理技术需要采用相应的算法和模型，以优化器件的响应和性能。
3. 有限元分析有限元分析是微纳电子器件设计中常用的计算机辅助工具。
该技术利用有限元法来模拟器件的行为和特性。
在此过程中，需要采用一些先进的计算机软件和工具，以分析器件在不同状况下的表现，从而优化微纳器件的性能。
二、微纳电子器件的应用微纳电子器件已经被应用于多个领域中。
1. 信息通信微纳电子器件在信息通信领域中被广泛使用。
举个例子，微纳光纤滤波器可以用于分析和处理光通信中的信号。
这些器件可以被制造成非常小的尺寸，并可以处理高速、大量的数据。
再比如，微纳电子器件可以使用在制造晶体管和LED等器件中。
2. 医疗健康微纳电子器件在医疗和健康领域中也有广泛的应用。
例如，微型无创血糖仪可以通过皮肤获得血液样本而无需刺破皮肤；微型药物传递系统可以将药物递送到需要治疗的地方，从而减少不必要的损伤和疼痛。
3. 能源环保微纳电子器件可以被用于能源生产和环保中。
例如，太阳能电池板可以通过微纳器件设计，以最高效率获取和存储能源。
微纳电子器件-本科教学大纲
《微纳电子器件》本科课程教学大纲一、课程的教学目标与任务本课程所使用的教材，共15章，概括可分为三大部分。
第1～6章，半导体材料属性；第7～13章半导体器件基础；第14～15章，专用半导体器件。
（本书的第1～6章在前期课程中已经学习，留给学生自己复习；限于学时，第13-15章可不讲授，留学生参阅，不作具体要求）。
二、本课程与其它课程的联系前导课程：高等数学、模拟电路、量子力学、固体物理学。
后续课程：无。
三、课程内容及基本要求(一) pn结 ( 4学时)（1）PN结的基本结构；（2）零偏；（3）反偏；（4）非均匀掺杂PN结。
1.基本要求（1）掌握PN结的基本结构，掌握内建电势差与空间电荷区宽度；（2）掌握势垒电容与单边突变结，了解线性缓变结与超突变结。
2.重点、难点重点：PN结的基本结构、内建电势差、电场强度、空间电荷去宽度、势垒电容。
难点：pn结零偏、正偏、反偏能带图。
3.说明：限于学时，本章的第4节的相关内容可简单介绍。
（二）PN结二极管（8学时）（1）PN结电流；（2）PN结的小信号模型；（3）产生与复合电流；（4）结击穿；（5）电荷存储与二极管瞬态；（6）隧道二极管；1.基本要求（1）掌握PN结内电荷流动的定性描述，掌握扩散电阻与等效电路；（2）掌握反偏产生电流正偏复合电流；（3）了解结击穿的物理图像，了解关瞬态与开瞬态，了解隧道二极管的基本特征。
2.重点、难点重点：理想pn结电流电压关系、温度效应、短二极管、结击穿。
难点：少数载流子分布、pn结小信号模型、产生-复合电流。
3.说明：限于学时，本章的第5、6节的相关内容可简单介绍。
（三）金属半导体和半导体异质结（6学时）（1）肖特基势垒二极管；（2）金属半导体的欧姆接触；（3）异质结。
1.基本要求（1）掌握肖特基势垒二极管的工作原理，金属半导体的欧姆接触相关概念；（2）了解异质结的相关概念。
2.重点、难点重点：肖特基势垒二极管的特性、肖特基势垒二极管的特性与pn结二极管的区别。
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Salicidation （硅化物沉积）
25
作业7
1. 解释下列名词： 多晶硅栅电极中的多晶硅耗尽效应
复习题（不用交）
1. 了解栅工程：金属栅（Silicide），高k栅绝缘层 2. 了解超浅结（USJ）
26
增益b
（复习）栅极氧化层减薄的限制
• 栅极氧化层减薄带来的不良后果：
– 泄漏电流: 增加功耗，器件特性劣化 – 可靠性：器件失效，影响寿命 – 多晶硅栅耗尽和反型层量子化：栅电容下降，
有效氧化层厚度增加
6
场效应晶体管技术和工艺的发展趋势 (Intel)
回顾
7
（复习）
1975，金属栅极NMOS
1980，CMOS with self-aligned（复习） poly-Si gate
1
第三章 硅基纳米CMOS器件技术
本章内容
1、MOSFET的演变（历史） 2、亚微米、 深亚微米MOS器件（85’-） 3、新型MOS器件（00’-） 4、SiP与3D集成（10’-）
2
2、亚微米、 深亚微米MOS管器件
• 漏工程
– LDD，FOND
• 沟道工程
– Halo，逆向掺杂（retrograde）结构
• 栅工程
– 金属栅（Silicide），高k栅绝缘层（MGHK）
• 超浅结（USJ）
（3）栅工程
• 优化栅材料和栅结构，以克服短 沟道效应
• 分两部分
– 栅电极
• 导电率，功函数
– 栅介质层
• 介电常数 • 厚度
3
栅极材料的要求
• 栅极材料的一般要求：
– 电阻率低 – 合适的功函数 – 热稳定性 – 机械和化学稳定性 – 与栅介质层附着力
场效应晶体管技术和工艺的发展趋势 (Intel)
19
三个问题
1. 为什么要超浅结（ USJ）？ 2. 如何实现超浅结（USJ）？ 3. 超浅结（USJ）的负效应?
为什么要超浅结（ USJ）？
20
（复习）
器件尺寸等比例缩小(Scaling-down)原理
70年代由IBM的Dennard等人提出
R H Dennard, et al, IEEE J. Solid State Circuit, SC9, 5, 256, 1974.
• 金属栅
4
多晶硅栅电极中的多晶硅耗尽效应
• 随着器件尺寸的缩小，tox<10nm，多晶硅的耗尽 层的影响无法忽略，对器件的阈值电压和I-V特性 造成影响，通常称之为多晶硅耗尽效应 n+多晶硅耗尽 效应示意图
• 多晶硅耗尽效应后果：有效栅压降低
（复习） MOS能带图
反型层量子化
多晶硅耗尽
5
（复习）多晶硅栅耗尽和反型层量 子化对MOS器件特性造成影响
（复习）
短沟道效应（SCE）原因
VS
D
S/D控耗尽区
n+ rj
depletion region
Small L:
S
D
S/D控耗尽区
22
（复习）
短沟道效应（SCE）原因
• 短沟道效应是耗尽区由长方形L*W变为梯形((L+L’)W/2)，使得 电荷减少造成。即：栅感应电荷的源、漏PN结空间电荷区共 享
结果：Gate-last性能更好！
11
gate-first和gate-last工艺步骤简介 gate-first和gate-last优缺点比较
12
典型的Gate-last MGHK工艺
• 替代栅MOSFET工艺 • 图4.28
化学机械抛光（CMP）
13
FUSI
Gate-first Gate-last FUSI
16
（3）栅工程
• 优化栅材料和栅结构，以克服短 沟道效应
• 分两部分
– 栅电极
• 导电率，功函数
– 栅介质层
• 介电常数 • 厚度
部分内容在第二章“栅氧化层厚度限制”一节中已介绍
栅极绝缘层材料的要求和发展
• 要求：
– 低缺陷密度、低漏电流、高抗击穿强度、好的稳 定性
发 – 超薄SiO2 – 超薄氮氧硅（SiOxNy，掺氮的二氧化硅）
24
如何实现超浅结（USJ）？
低能量离子注入+快速热退火 （RTP）
（Low Energy Implantation +rapid thermal annealing （to activate the dopants）） Gas Immersion Laser
Doping (GILD)
USJ的负效应：寄生电阻问题
FUSI优缺点
• W. P. Maszara(AMD), Fully Silicided Metal Gates for High-Performance CMOS Technology: A Review, Journal of The Electrochemical Society, 152(7),G550-G555 (2005)
栅极材料的发展
• 铝栅 • 重掺杂多晶硅栅：
– 自对准，减少寄生效应 – 缺点：电阻率高，寄生电阻
• 掺杂多晶硅-金属硅化物复合栅
– 减小了寄生电阻
• 双掺杂多晶硅栅
– 亚微米器件，为抑制短沟道效应，pMOSFET采用P+多晶硅 – 问题：带来硼扩散，出现掺氮的二氧化硅介质层来解决 – 问题：器件缩小时，多晶硅耗尽效应越来越严重
NiSi的功函数
• W. P. Maszara(AMD), Fully Silicided Metal Gates for High-Performance CMOS Technology: A Review, Journal of The Electrochemical Society, 152(7),G550-G555 (2005)
15
NiSi栅极 MOSFET
Silicide by ion implantation • W. P. Maszara(AMD), Fully Silicided Metal Gates for High-Performance CMOS Technology: A Review, Journal of The Electrochemical Society, 152(7),G550-G555 (2005)
• MOS结构中先做源漏还是先做栅极？
Intel 45nm的gate-first和gate-last工艺
• C. Auth et al. (Intel Corp.), 45nm High-k + Metal Gate Strain-Enhanced Transistors, 2008 Symposium on VLSI Technology
展 • 介电常数高于二氧化硅，界面缺陷态高，降低迁移率
– 高介电常数栅介质材料（HK，high k）
17
栅介质材料性质
• 表4.2 高介电常数栅介质
（复习）
18
（4）超浅结
（ Ultra Shallow Junction，USJ）
• 减小结深，可以减弱SCE，帮助改善源漏 穿通
• 要考虑的问题：串联电阻、热载流子效应 （电场增加）
VT
Qdep Cox
2F
ms
参见：公式5.3.13； Qdep=耗尽区电荷
问题加剧： 结深的scaling-down落后于沟道长度
• 原因：工艺难度大 23
如何实现超浅结（USJ）？
低能量离子注入+快速热退火（RTP） （Low Energy Implantation +rapid thermal annealing （to activate the dopants）） Gas Immersion Laser Doping (GILD)
• W. P. Maszara(AMD), Fully Silicided Metal Gates for High-Performance CMOS Technology: A Review, Journal of The Electrochemical Society, 152(7),G550-G555 (2005)
栅极电极功函数与阈值电压关系
• 阈值电压：
DWf：栅极与衬底功函数差 • 选择不同的栅极材料可以调控阈值电压
IEEE J. Solid State Circuit, SC-9, 5, 256, 1974
14
实现不同功函数的栅极的工艺方法
• W. P. Maszara(AMD), Fully Silicided Metal Gates for High-Performance CMOS Technology: A Review, Journal of The Electrochemical Society, 152(7),G550-G555 (2005)
基本原理
（复习）
CE率（恒电场率）：缩小后加在栅氧化层上的电场不变
IEEE J. Solid State Circuit, SC-9, 5, 256, 1974
21
CE率结果
（复习）
• k：尺寸缩小因子
IEEE J. Solid State Circuit, SC-9, 5, 256, 1974
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微纳电子器件
陈军
课程内容简介
• 微纳电子器件发展
1. MEMS/NEMS器件 2. 柔性微纳电子器件 3. 真空微纳电子器件
1. 硅基CMOS器件 的发展
2. 小尺寸硅基 CMOS器件面临 的问题
3. 硅基纳米CMOS 器件技术
1. 碳纳米管和纳米线器件 2. 石墨烯纳米电子器件 3. 其它新型纳电子器件