微电子学概论

1945年秋天，贝尔实验室成立了以肖克莱为 首的半导体研究小组，成员有布拉顿、巴丁等人 。 开始，布拉顿和巴丁在研究晶体管时，采用的 是肖克利提出的场效应概念。场效应设想是人们提 出的第一个固体放大器的具体方案。根据这一方案 ，他们仿照真空三极管的原理，试图用外电场控制 半导体内的电子运动。但是事与愿违，实验屡屡失 败。人们得到的效应比预期的要小得多。经过多少 个不眠之夜的苦苦思索，巴丁又提出了一种新的理 论——表面态理论。这一理论认为表面现象可以引 起信号放大效应。表面态概念的引入，使人们对半 导体的结构和性质的认识前进了一大步。但是也没 12 有得到非常理想的确结果.
32
达默（W.A.dummer)在英国的一次会议上讲到电 子学的可靠性时说过:"随着晶体管的出现和半导体工 作的普遍化，现在似乎可以设想在固体板块中的电 子设备无需连接的导线。板块本身就包括了绝缘的 导电层、整流和放大的材料，通过切割各层面积的 办法直接把电学功能连接在一起”。 根据这种想法，基尔比在笔记本上画出了设计草图。
31
几乎在同一时期，美国南部达拉斯市，德克 萨斯仪器公司（TI）的青年研究人员基尔比（J. kilby）也想到了类似的技术创意。 读中学时，基尔比的父亲期盼他能考上麻省理 工学院，成为优秀的电子工程师。考试的结果，• 成 绩一贯优秀的基尔比以3分之差落第，不得已进入伊 利诺伊大学就读。 基尔比在伊利诺斯大学和威斯康星大学所学专 业都是电子工程学，他从英国科学家达默的思想 里获得了启发。达默（Dummer）早在1952年就指 出，由半导体构成的晶体管，可以把它们组装在 一块平板上而去掉之间的连线。
参考书：
《微电子学概论》
张兴/黄如/刘晓彦
北京大学出版社 2000年1月
1
主 要 内 容
微电子技术发展历史 半导体物理 半导体器件基础 集成电路制造工艺 集成电路设计 特种微电子器件 微机电系统 纳米电子学 分子电子学 微电子技术发展的规律和趋势
2
绪
论
什么是微电子学 晶体管的发明 集成电路的发展历史 集成电路的分类 微电子学的特点
这一套半导体平面处理技术仿佛为"仙童"们打开 了一扇奇妙的大门，他们突然看到了一个广阔的空间 ：用这种方法既然能做一个晶体管，为什么不能在硅 片上集成几十个、几百个、乃至成千上万个呢？1959 年1月23日，诺依斯在日记里详细地记录了这一闪光 的设想。 就在仙童公司诺依斯等人还在大胆设想的时候 ，晶体管的集成化试验却已在德克萨斯仪器公司悄 悄地进行。
3
微电子学：Microelectronics
微电子学——微型电子学
核心——集成电路
4
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
15
获得1956年 Nobel物理奖
1947年12月23日 第一个晶体管 NPN Ge晶体管 W. Schokley J. Bardeen W. Brattain
16
的确，当时的点接触晶体管利用触须接点，很 不稳定，噪声大，频率低，放大功率小，性能还赶 不上电子管，制作又很困难。难怪人们对它无动于 衷。然而，物理学家肖克利等人却坚信晶体管大有 前途，它的巨大潜力还没有被人们所认识。于是， 在点接触式晶体管发明以后，他们仍然不遗余力， 继续研究。又经过一个多月的反复思索,一个念头却 在心中越来越明晰了，那就是以往的研究之所以失 败，根本原因在于人们不顾一切地盲目模仿真空三 极管。这实际上走入了研究的误区。晶体管同电子 管产生于完全不同的物理现象，这就暗示晶体管效 应有其独特之处。明白了这一点，肖克利当即决定 暂时放弃原来追求的场效应晶体管，集中精力实现 一种新型晶体管 . 17
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； 9 功率：140KW；平均无故障运行时间：7min
微电子科学技术的 发展历史
晶体管的发明
10
美国人威廉· 肖克利，1910年 2月13日生于伦 敦，曾在美国麻省理工学院学习量子物理，1936 年得到该校博士学位后，进入久负盛名的贝尔实 验室工作。 温文儒雅的美国人约翰· 巴丁是一个大学教授 的儿子，1908年在美国威斯康星州的麦迪逊出生 ，相继于1928年和1929年在威斯康星大学获得两 个学位。后来又转入普林斯顿大学攻读固体物理 ，1936年获得博士学位。1945年来到贝尔实验室 工作。 沃尔特· 布拉顿也是美国人，1902年 2月10日出 生在中国南方美丽的城市厦门，当时他父亲受聘在 中国任教。布拉顿是实验专家，1929年获得明尼苏 达大学的博士学位后，进入贝尔研究所从事真空管 11 研究工作。
21
晶体管之父肖克利 1954年，成就了“本世纪最伟大发明”的晶体管之父肖 克利，离开贝尔实验室返回故乡寻求发展，他的故乡恰 好就在现在的硅谷。
22
集成电路的发明
在硅谷嘹望山， 肖克利宣布成立半导体实验室。 不久，因仰慕"晶体管之父"的大名，求职信像 雪片般飞到肖克利的办公桌上。 1956年， 以罗伯特· 诺依斯 （N.Noyce）为首的 8位年轻的科学家从美国东部陆续加盟肖克利的实 验室。他们的年龄都在30岁以下，学有所成，有获 得双博士学位者，有来自大公司的工程师，有著名 大学的研究员和教授，都处在创造能力的巅峰。
23
1927年12月12日，诺伊斯（N.Noyce）生于衣阿 华州东南的登马克（Durlington）小镇。
诺依斯
24
大学就读于当地的格林纳尔学院，多才多艺的诺 伊斯，他同时学习物理、数学两个专业。他擅长游泳 ，曾获衣阿华州跳水冠军。业余时间还演奏双簧管， 并在当地电台表演广播连续剧。 一次寝室晚会，大家要开一个有南太平洋风味的 宴会。其中缺一只烤全猪。由于囊中羞涩，诺伊斯和 另一名学生被委以重任：到邻近农场偷猪。两人不负 重望，搞出一只25磅的猪，英雄般地凯旋，宴会获得 极大成功。但第二天早晨情势大变，在衣阿华，偷猪 和盗马，在50年前是上绞刑架的罪过。
Bardeen 提 出 了 表 面 态 理 论 ， Schokley给出了实现放大器的基本设 想，Brattain设计了实验 1947年12月23日，第一次观测到了具 有放大作用的晶体管
20
这是一种用以代替真空管的电子信号放大元件 ，是电子工业的强大引擎，是计算机革命的关键， 被媒体和科学界称为“20世纪最重要的发明”。也 因此有人说：“没有贝尔实验室，就没有硅谷。”
5
封装好的集成电路
6
集成电路
•集成电路的内部电路
Vdd A B Out
7
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
8
第一台通用电 子计算机：
ENIAC
Electronic Numerical Integrator and Calculator
14
晶体管发明半年以后，在1948年 6月30日，贝尔 实验室首次在纽约向公众展示了晶体管。这个伟大的 发明使许多专家不胜惊讶。然而，对于它的实用价值 ，人们大都表示怀疑。当年7月1日的《纽约时报》只 以8个句子、201个文字的短讯形式报道了本该震惊世 界的这条新闻。在公众的心目中，晶体管不过是实验 室的珍品而已。估计只能做助听器之类的小东西，不 可能派上什么大用场。
年轻人彻底地失望了：一年之中，实验室没有任 何拿得出手的产品问世。1957年，8位青年中的7人偷 偷聚在一起，瞒着肖克利商量"叛逃"的办法。想来想 去，决定自己创办一家公司。可他们也都不懂生产管 理，大家一致同意"策反"诺依斯，他看起来是唯一有 点儿领导才能的人。当8位青年联名递上辞职书的时 候，肖克利不由得火冒三丈： "你们简直是一群叛徒！“ 肖克利指着诺依斯的鼻子，怒不可遏。年轻人们 面面相觑，但还是义无返顾地离开了他们的“伯乐” 。这就是电脑史上人所共知的有关“8大叛徒”的趣 谈，不过，肖克利本人后来也改口把他们称为“8个 天才的叛逆”。肖克利实验室因主要骨干出走而一蹶 不振。最后肖克利只好回到大学教书.
26
诺伊斯没有选择大公司，而是去了较小的菲尔 科公司。他对物质追求很淡漠，“我唯一的梦想是 能同时买两双鞋，因为我是穿着哥几个的旧鞋子长 大的。”这一干就是3年。 1956年，在华盛顿的技术报告会上，肖克利被 他的报告深深打动。“1个月后，肖克利打来电话， 说他打算到西海岸开一家公司，要与我商量加入该 公司的事宜。” 招齐员工后，肖克利下令实验室大量生产晶 体管，要把成本降到每只5分钱。然而，肖克利 虽然雄心勃勃，但对管理却一窍不通，把实验室 的生产指挥得一塌糊涂，全然听不进别人的善意 规劝。 27
28
天才八叛逆 1957 年 9 月，“八叛逆”手拿《华尔街日报》，按 纽约股票栏目挨家挨户寻找合作伙伴，最后圈定了29 35 家公司。
1957年10月，地处美国东部的仙童照相器材和设 备公司，为“八叛逆”投资了3500美元种子资金， 组建起一家以诺依斯为首的仙童（Fairchild）半导体 公司，仍在嘹望山租下一间小屋，着手制造一种双扩 散基型晶体管，以便用硅来取代传统的锗材料。在诺 依斯精心运筹下， “仙童”的业务逐渐有了较大发 展，员工增加到100多人。 同时，一整套制造硅晶体管的平面处理技术也日 趋成熟。科学家赫尔尼(J· Hoermi)是众"仙童"中的 A· 佼佼者，他像变魔术一般把硅表面的氧化层挤压到最 大限度。诺依斯等人首创的晶体管制造方法也与众不 同，他们先在透明材料上绘好晶体管结构，然后用拍 照片的办法，把结构显影在硅片表面氧化层上，腐蚀 去掉不需要的图形后，再把那些具有半导体性质的微 30 粒扩散到硅片上。