微电子器件课件2-4概论
微电子学概论 ppt课件
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
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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。
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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
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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
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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
微电子器件基础PPT全套课件
电子管的发明
1883年，美国发明家爱迪生 （T· A· Edison，1847—1931）发现了 热的灯丝发射电荷的现象，并被称之为 “爱迪生效应”。 1897年，英国物理学家汤姆逊 （J· J· Thomson1856～1940 ）解释了 这种现象，并把带电的粒子称为“电 子”。 1904英国伦敦大学电工学教授弗莱明 （S· J· A· Fleming1849～1945）研制出检测 电波用的第一只真空二极管，从而宣告 人类第一个电子二极管的诞生。
SW uP
MPEG ROM
PCB
ROM ATM ASIC
SW
FPGA
SW
SW
SRAM ROM
uP Core
MPEG ROM
FPGA A/D Block
ATM Glue Logic
SOC
SoC Example
R O M
D R A M
CPU
DSP
FPGA
SRAM
Flash
Switch
Fabric
Al V Rc Rb in out n SiO2 E n+ p n n+ B
300 Cu Strained Si high-K metal
300 ? Strained Si high-K metal
SiO2 poly Si
SiO2 poly Si
SiO2 poly Si
The limit for oxide -0.8 nm Dielectrics with high k= HfO2, ZrO2… Polysilicon metal
2009 0.045 64G 520 620 2500 8-9 0.6-0.9 300
《微机电系统概论》课件
表面微加工技术
表面微加工技术包括物理沉积、化学沉积、电 化学沉积等多种方法，这些方法能够制造出具
有优异性能的薄膜材料。
表面微加工技术的优点在于它可以制造出大面积、高 精度和低成本的微纳器件，因此在微机电系统中得到
了广泛应用。
表面微加工技术是一种制造微机电系统的技术 ，它通过在衬底表面上的薄膜上进行加工，制 造出各种微结构和功能器件。
01
微机电系统的未来 展望
微纳融合技术
总结词
微纳融合技术是微机电系统未来的重 要发展方向，它将微纳尺度下的器件 、电路和系统进行融合，实现更小尺 寸、更高性能的集成。
详细描述
随着微纳技术的不断发展，将微电子 和纳电子进行融合，可以进一步缩小 器件尺寸，提高集成度，降低能耗， 为未来的智能化和微型化提供有力支 持。
01
微机电系统的应用 实例
微型飞行器
总结词
微型飞行器是微机电系统的重要应用之 一，具有体积小、重量轻、灵活性高等 特点。
VS
详细描述
微型飞行器可以在狭小空间内进行飞行和 侦查，广泛应用于军事侦察、环境监测、 灾难救援等领域。其制造需要精密的微加 工技术和先进的控制算法，以确保稳定性 和精度。
微型机器人
总结词
微型机器人是微机电系统的另一重要应用，具有高效、精准、灵活等优点。
详细描述
微型机器人可以执行各种复杂任务，如医疗手术、工业制造、环境治理等。通 过微机电系统技术，可以实现微型机器人的小型化、智能化和自主化，提高工 作效率和精度。
微型医疗器械
总结词
微型医疗器械是微机电系统在医疗领域的应用，具有体积小、操作简便、创伤小 等优点。
自组装和自修复技术
总结词
自组装和自修复技术是实现微机电系统自主适应环境变化的重要手段，通过自组装和自修复，微机电系统能够更 好地适应复杂环境，提高稳定性和可靠性。
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
电子科技大学《微电子器件》课件PPT微电子器件(4-2)
1
QA (S,inv )
COX
2q NAs 2
COX
1
2FP VS VB 2 K
1
2FP VS VB 2
式中， K
2q
1
NAs 2
，称为 体因子。
COX
于是可得 N 沟道 MOSFET 的阈电压为
1
VT VB VFB K 2FP VS VB 2 2FP VS VB
4.2.1 MOS 结构的阈电压
本小节推导 P 型衬底 MOS 结构的阈电压。
1、理想 MOS 结构（金属与半导体间的功函数差 MS = 0 ，
栅氧化层中的电荷面密度 QOX = 0 ）当 VG = 0 时的能带图
上图中，
FP
1 q
Ei
EF
kT q
ln
NA ni
0
称为 P 型衬底的费米势。
由于 FB 与掺杂浓度 N 的关系不大，故可近似地得到
1
QAD
N
2 AD
VT
MS
TOX
OX
QOX
TOX
OX
QAD
2FB
e) 栅氧化层中的电荷面密度 QOX
QOX 与制造工艺及晶向有关。MOSFET 一般采用（100） 晶面，并在工艺中注意尽量减小 QOX 的引入。在一般工艺条件
因此 MOSFET 的阈电压一般表达式为
VT
VB
VFB
QA (S,inv )
COX
S,inv
以下推导 QA 的表达式。对于均匀掺杂的衬底，
1
QA (S,inv ) q NA xd
微电子学概论PPT课件
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
微电子器件(4-2)
“反型”（导电类型从p型转化为n型，或从n型转化为p型）MOSFET 的分类及特性曲线§4-2 MOSFET的阈电压VTMOS结构在栅电压的作用下，半导体的表面（或氧化物与半导体之间的界面）处会出现哪几种状态？p型衬底MOS结构（理想）能带图与电荷块图两个定义定义：使栅下的硅表面处刚开始发生强反型时的栅电压称为阈电压（Threshold Voltage)，记为VT 。
定义：当硅表面处的少子浓度达到或超过体内的平衡多子浓度时，称为表面发生了强反型。
阈值电压是决定MOSFET能否导通的临界栅电压，因此又称开启电压，是MOSFET的重要参数之一。
φ上图中:FP称为P 型衬底的费米势内与表面本征费米势之差根据表面势的定义（体内与表面本征费米势之差）对理想MOS 结构，当栅极施加电压V G ，V G 降落在什么地方？sOX G V V φ+=栅电极栅氧化层P 型半导体Q n Q M Q A1、一部分降落在栅氧化层上，使MOS 结构中产生感应电荷。
2、另一部分则降落在半导体表面上，使能带弯曲，产生表面势φS ，以提供相应的感应电荷。
所以所以有二、实际MOS 结构的阈电压,0≠≠MS ox Qφ热生长的SiO 2-Si 结构中电荷中心的特点及位置关于氧化层电荷（Q ox )的来源、特点与位置，以及工艺上如何减少这些电荷，可参考Robert F.Pierret 的《半导体器件基础》p465-480<MS φ0>OX Q 实际MOS 结构中一般的能带的弯曲量为OXOXMS S C Q qq q +−=φφ要使表面发生强反型，应使表面处的，这时能带总的弯曲量是。
FP is F q E E φ=−FP q φ2FPinv S S φφφ2,==此时的表面势为：2.3 实际MOS 结构当V G = V T 时的能带图1、V T 一般表达式的导出三、MOSFET的V T与MOS 结构相比，在MOSFET 中发生了以下变化：a) 栅与衬底之间的外加电压由V G 变为(V G -V B ) ，因此有效栅电压由(V G -V FB ) 变为(V G -V B -V FB ) 。
几种重要的微电子器件ppt
二极管的应用场景和优势
应用场景
二极管广泛应用于电源、信号处理、电力控制等场合。
优势
二极管具有体积小、重量轻、价格低廉等优势，能够满足各种电子设备的需 求。
03
晶体管
晶体管的定义和工作原理
定义
晶体管是一种半导体器件，它通过控制电流在半导体材料中的流动来实现放大和 开关功能。
工作原理
晶体管通过控制栅极电压来改变源极和漏极之间的电流，从而实现放大和开关功 能。
电容和电感的类型和特点
电容
电容有多种类型，如固定电容、可变电容和电解电容等。固 定电容具有两个固定极板，可变电容的极板间距可以调节， 电解电容则使用电解质作为介质。
电感
电感也有多种类型，如线圈电感、铁氧体电感和薄膜电感等 。线圈电感使用线圈来存储磁场能量，铁氧体电感则使用具 有高磁导率的铁氧体材料来存储磁场能量，而薄膜电感则使 用薄膜来存储磁场能量。
05
集成电路
集成电路的定义和工作原理
定义
集成电路是将大量电子元件（如晶体管、电阻、电容等）集成在一块微小的半导 体材料上的电子器件，以实现特定功能或系统级功能。
工作原理
集成电路通过将电子元件集成在一起，利用半导体材料和外部电路将它们连接起 来，以实现信号的放大、转换、传输等功能。
集成电路的类型和特点
02
二极管
二极管的定义和工作原理
定义
二极管是一种电子器件，它只允许电流在一个方向上流动。
工作原理
二极管是由p型和n型半导体材料组成的，当电压加在两端时，电流会从p型流 向n型，形成回路。
二极管的类型和特点
类型
二极管有多种类型，包括硅二极管、锗二极管、肖特基二极管等。
特点
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 微电子器件的定义与分类1.2 微电子器件的发展历程1.3 微电子器件的基本原理1.4 微电子器件的应用领域第二章：半导体物理基础2.1 半导体的基本概念2.2 半导体的能带结构2.3 半导体材料的制备与分类2.4 半导体器件的掺杂原理第三章：晶体管器件3.1 晶体管的基本原理3.2 晶体管的结构与类型3.3 晶体管的制备与加工3.4 晶体管的性能参数及应用第四章：集成电路概述4.1 集成电路的基本概念4.2 集成电路的分类与结构4.3 集成电路的制备工艺4.4 集成电路的应用领域第五章：微电子器件的可靠性5.1 微电子器件可靠性的基本概念5.2 微电子器件失效的原因及机制5.3 微电子器件可靠性提升的方法5.4 微电子器件的可靠性测试与评估第六章：二极管器件6.1 二极管的基本原理与结构6.2 二极管的制备与掺杂6.3 二极管的性能参数及测试6.4 二极管的应用领域第七章：场效应晶体管（FET）7.1 FET的基本原理与结构7.2 FET的制备与加工7.3 FET的性能参数及特性曲线7.4 FET的应用领域及发展趋势第八章：双极型晶体管（BJT）8.1 BJT的基本原理与结构8.2 BJT的制备与掺杂8.3 BJT的性能参数及工作原理8.4 BJT的应用领域及发展趋势第九章：集成电路设计9.1 集成电路设计的基本流程9.2 数字集成电路设计9.3 模拟集成电路设计9.4 集成电路设计工具与方法第十章：微电子器件的封装与测试10.1 微电子器件封装的基本概念10.2 常见封装形式及其特点10.3 微电子器件的测试方法10.4 微电子器件的质量控制与可靠性提升第十一章：功率半导体器件11.1 功率半导体器件的分类与原理11.2 功率晶体管和功率二极管11.3 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）11.4 功率集成电路与模块第十二章：微波半导体器件12.1 微波半导体器件的分类与原理12.2 微波二极管和微波三极管12.3 微波集成电路与系统12.4 微波半导体器件的应用第十三章：光电子器件13.1 光电子器件的基本原理13.2 激光二极管与光检测器13.3 光电子集成电路与系统13.4 光电子器件的应用与发展第十四章：半导体存储器14.1 存储器的基本原理与分类14.2 随机存取存储器（RAM）14.3 只读存储器（ROM）与闪存14.4 存储器系统与新技术第十五章：微电子器件的进展与未来15.1 微电子器件的技术发展趋势15.2 纳米电子学与量子器件15.3 生物医学微电子器件15.4 环境与能源相关的微电子器件重点和难点解析第一章：微电子器件概述重点：微电子器件的定义、分类和应用领域。
《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。
《微电子学概论》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
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
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
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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
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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。
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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。
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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
几种重要的微电子器件课件
微电子器件的发展历程
微电子器件的起源
微电子器件的起源可以追溯到20世纪50年代，当 时人们开始研究利用半导体材料制造电子器件。
微电子器件的发展
随着微电子技术的不断发展，微电子器件的尺寸 不断缩小，性能不断提高，应用领域不断扩大。
微电子器件的未来
未来微电子器件将继续朝着更小尺寸、更高性能 、更低功耗的方向发展。
二极管的应用实例
总结词
二极管在电子设备中应用广泛，如整流、检波、稳压、开关等。
详细描述
在整流电路中，二极管可以将交流电转换为直流电；在检波电路中，二极管可以 将调制信号从载波中分离出来；在稳压电路中，二极管可以保持输出电压的稳定 ；在开关电路中，二极管可以控制电路的通断状态。
03
晶体管
晶体管的工作原理
二极管有多种分类方式，如按结构可分为点接触、面接触和 混合结构二极管，按功能可分为普通、开关、雪崩、齐纳等 类型。
详细描述
不同类型的二极管具有不同的特性和用途，如点接触二极管 适用于小电流、高频电路，面接触二极管适用于大电流、低 频电路。此外，二极管的伏安特性、反向击穿特性等也是其 重要的特性参数。
移到衬底上。
刻蚀技术
将光刻技术形成的电路图形刻 蚀到衬底上，形成电路元件和
互连结构。
掺杂技术
通过离子注入或扩散等手段， 将杂质引入到衬底中，改变材
料的导电性能。
集成电路的分类与特性
按功能分类
按集成度分类
数字集成电路、模拟集成电路、混合信号 集成电路等。
小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路 （MSI）、大规模集成电路（LSI）和超大 规模集成电路（VLSI）。
晶体管的特性参数包括电流放大倍数 、频率响应、输入输出电阻等，这些 参数决定了晶体管在不同电路中的性 能表现。
微电子学概论课件
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。
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2
可见，VB’ < VB , 且若 W↓，则 VB’↓。
（2） 结面曲率半径的影响 由扩散工艺所形成的 PN 结，在结面的四周和四角会形成
柱面与球面。
结深 xj 越小，曲率半径就越小，电场就越集中，击穿电压 VB 也就越低，且多发生在表面而不是体内。
6、提高击穿电压的措施 掺杂浓度要低、浓度梯度要小 低掺杂区的厚度要足够厚 结深要深 采用如下图所示的台面结构
2.4 PN 结的击穿
击穿现象
VB
I
V
I0
击穿机理： 雪崩倍增 隧道效应 热击穿
电击穿
2.4.1 碰撞电离率和雪崩倍增因子
电子（或空穴）在两次碰撞之间从电场获得的能量为
l
E q0 Edx
反向电压 , E , E , 当 E EG 时, 可使被碰撞
的价带电子跃迁到导带，从而产生一对新的电子空穴对，这就 是 碰撞电离。碰撞电离主要发生在反偏 PN 结的耗尽区中。
将上式从 x = 0 到 x = xd 积分，得：
Jp (xd )
xd 0
dJ p
[Jp (xd )
J0]
xd 0
idx
Jp (xd ) J0 J0 Jp (xd ) J0
J0
J0
xd 0
i
dx
M 1 M
xd 0
i
dx
1
M
1
xd 0
i
dx
上式中，
xd 0
i
dx
称为 电离率积分。
1
2.4.2 雪崩击穿
1、利用雪崩击穿条件计算雪崩击穿电压 对一定掺杂浓度的 PN 结，先计算出对应于各反向电压 V
的 E(x)，及与 E(x) 对应的 i (x) ，再求电离率积分。当 V 增大
到使该积分等于 1 时，所对应的 V 就是雪崩击穿电压 VB 。
2、雪崩击穿电压的近似计算方法
实际计算击穿电压 VB 时，常采用如下近似方法。
1
M
1
xd 0
i
dx
3、雪崩击穿条件
当
xd 0
idx
0
时,
M
1
，总电流就是原始电流，表示无
雪崩倍增效应。
随着反向电压 E i
xd 0
idx
M
总电流 ,
当
xd 0
idx
1时,
M ,
Jp (xd ) ,
(V ) VB
，即发生
雪崩击穿。由此可得发生 雪崩击穿的条件 是
xd 0
idx
Jp0
Jp (x)
E
Jp (xd )
Jn (x)
Jn0
0
x x dx
xd
单位时间内流过位于 x 处面上单位面积的空穴数目为
1 q
Jp
x
Jp0
由于这些空穴的碰撞电离而在 dx 距离内新增的流出 ( x+dx )
面的空穴数目为
1 q
Jp
x
Jp0
ipdx
同理，由于电子的碰撞电离在 dx 距离内新增的流出 ( x+dx )
1
VB010
EG
6 5
a
2 5
或通过查曲线求得线性缓变结的击穿电压 VB 。
实际扩散结的击穿电压
方法 1：查曲线。 方法 2：根据 PN 结的具体情况，分别近似看作单边突变结 或线性缓变结，再用相关公式进行计算。
3、雪崩击穿电压与温度的关系 雪崩击穿电压具有正温系数，即温度 T 上升时，VB 增大。
EG 1.1
4
1
N08
1
|
Emax
|
2qN0
s
(Vbi
V
)
2
当 | Emax | 达到 EC 时，(Vbi V ) (Vbi VB ) VB
1
EC
2qN0
s
VB
2
VB
s
2qN0
EC2
5.2
1013
EG
3 2
N0
3 4
可见，禁带宽度 EG 越大，则击穿电压 VB 越高；约化杂质 浓度 N0 越低，VB 越高。对于单边突变结，N0 就是低掺杂一侧
的杂质浓度，因此 击穿电压也取决于低掺杂一侧，该侧的杂质
浓度越低，则 VB 越高。
也可通过查曲线求得突变结的击穿电压 VB 。
对于线性缓变结，
1
4
EC
1.5 106
q
s
3
EG 1.1
5
1
a15
1
|
Emax
|
1 8
aq
s
3
12(Vbi
V
2
)3
1
EC
1
8
aq
s
3
2
(12VB ) 3
1、碰撞电离率 定义：一个自由电子（或空穴）在单位距离内通过碰撞电 离而产生的新的电子空穴对的数目称为电子（或空穴）的 碰撞
电离率，记为：in (或ip )。
i 与电场 E 强烈有关，可用如下经验公式近似表示
i
A
exp
B E
m
式中，A、B、m 为经验常数，可在表 2-1 中查到。
2、雪崩倍增因子 定义：包括雪崩倍增作用在内的流出耗尽区的总电流与流 入耗尽区的原始电流之比，称为 雪崩倍增因子，记为 M 。
由于 i 随 E 的变化很剧烈，所以对积分起主要作用的只是
电场峰值附近的很小一部分区域。这个区域内 | Emax | 几乎不变，
因此可以近似认为，当 | Emax |达到某 临界电场 EC 时，即可满足
击穿条件
xd 0
i
dx
1
，从而发生雪崩击穿。
对于突变结， 已知
1
3
EC
1.1107
q
s
2
面的空穴数目为
1 q
Jn
x
Jn0
in dx
为简便起见，假设 ip in i ，则流出 ( x+dx ) 面的总的
新增空穴数目为
1 q
[
J
p
(
x)
J
n
(
x)
J
0
]
i
dx
在 dx 距离内新增的空穴电流为
dJp [Jp (x) Jn (x) J0 ]i dx [Jp (xd ) J0 ]idx
（1）高阻区厚度的影响
P+
N-
N+
W
W
| Emax | EC
x
0
W
xdB
对于同样的 |Emax | = EC ，当 N- 区足够厚时，即 W > xdB 时，
VB
1 2
xdB EC。但是当 W
<
xdB
时，击穿电压变为：
VB
'
VB
1 2
xdB
W
EC xdB
xdB
W
VB
1
xdB W xdB
4、击穿电压的测量 常采用类似于测量正向导通电压 VF 的方法。
VB
I
V
IT
5、结的结构对雪崩击穿电压的影响 只有满足以下条件的 PN 结，才能使用以上公式与曲线来 计算击穿电压 VB 。
结面为一平面，即平面结 结面与材料表面相垂直
平行平面结
低掺杂中性区的厚度足够厚
然而实际上绝大多数 PN 结并不满足这些条件 ，这就必须 对计算击穿电压的公式加以修改。
2.4.3 齐纳击穿
隧道效应：由于电子具有波动性，可以有一定的几率穿过 势垒。势垒越薄，隧道效应就越明显。
电子能量
电子动能
B A
x
EG xd
由于存在隧道效应，使价带中不具有 EG 能量的A点电子可 有一定的几率穿过隧道到达导带中的 B 点，从而进入 N 区形成
反向电流。A、B 两点间的隧道长度 d 可表为