微电子学概论第一章

主要内容
? 微电子技术简介 ? 半导体物理和器件物理基础 ? 大规模集成电路基础 ? 集成电路制造工艺 ? 集成电路设计 ? 集成电路设计的CAD系统 ? 几类重要的特种微电子器件 ? 微机电系统 ? 微电子技术发展的规律和趋势
第一章 微电子学发展史
? 科学技术作为革命的力量，推动着社会向 前发展。当前，我们正经历着一场新的技 术革命，虽然第三次技术革命包含了新材 料、新能源、生物工程、海洋工程、航空 航天技术和电子信息技术等等，但影响最 大、渗透性最强、最具有新技术革命代表 性的乃是以微电子技术为核心的电子信息 技术。
1.1 晶体管的发明
? 同年，肖克莱又提出 了利用两个P型层中间 夹一N型层作为半导 体放大结构的设想， 并于1950年发明了单 晶锗NPN结型晶体管。 此后，结型晶体管基 本上取代点接触型晶 几种不同类型的晶体管 体管。
1.2 集成电路的发展历史
? 集成电路（Integrated Circuit，缩写为IC） 是指通过一系列特定的加工工艺，将多个 晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容 等无源器件，按照一定的电路连接集成在 一块半导体单晶片（如硅或GaAs等）或 陶瓷等基片上，作为一个不可分割的整体 执行某一 特定功能的电路组件。
第一章 微电子学发展史
? 正是这一系列的发明和发现揭示了微 观物理 世界的基本规律，导致了海森 伯、薛定格等建立起量子力学的理论 体系，为现代电子信息技术革命奠定 了理论基础。
? 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
第一章 微电子学发展史
? 微电子技术发展的理论基础是19世纪末到20 世纪30年代期间建立起来的现代物理学。这 期间的重要发现包括1895年德国科学家伦琴 发现的X射线、1896年贝克勒尔发现放射性、 1897年英国科学家汤姆逊发现电子、1898年 居里夫人发现镭、1900年普朗克建立量子论、 1905和1915年爱因斯坦提出的狭义相对论和 广义相对论等。
1.1 晶体管的发明
? 1946年1月，Bell实验室成立了固体物 理研究小组。在系统的研究过程中，该 小组成功提出了表面态理论，开辟了新 的研究思路，兼之对电子运动规律的不 断探索，经过无数次实验，第一个点接 触型晶体管终于在1947年12月诞生。
1.1 晶体管的发明
? 首先，小组的领导人肖克莱提出了一个假 说，认为半导体表面存在一个与表面俘获 电荷相等而符号相反的空间电荷层，使半 导体表面与内部体区形成一定的电势差， 该电势差决定了半导体的整流功能；通过 电场改变空间电荷区电荷会导致表面电流 的改变，产生了放大作用。
微电子学概论
任课教师：邱成军
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
?《半导体器件物理与工艺》 施敏 科学出版社
本课程的目的
? 什么是微电子学和微电子学是研究什么的 ? 对微电子学的发展历史、现状和未来有一
个比较清晰的认识。
? 初步掌握半导体物理、半导体器件物理、 集成电路工艺、集成电路设计、集成电路 CAD方法、 MEMS技术等基本概念，对 微电子学的整体有一个比较全面的认识。
1.2 集成电路的发展历史
? 从此，电子工业进入了IC时代，经过40余 年的发展，集成电路已经从最初的小规模 发展到目前的巨大规模集成电路和系统芯 片，单个电路芯片集成的元件数从当时的 十几个发展到目前的几亿个甚至几十亿个。
1.1 晶体管的发明
? 小组对N和P型硅以及N型锗的表面设计了 一个类似光生伏特实验的装置，证实了肖 克莱的半导体表面空间电荷假说以及电场 效应的预言。之后，小组人员把一片P型 硅的表面处理成N型，滴上一滴水使之与 表面接触，在水滴中插入一个涂有蜡膜的 金属针，在水与硅之间施加8MHz的电压， 从硅中流到针尖的电流被改变，从而实现 了功率放大。
1.2 集成电路的发展历史
? 集成电路的迅速发展，除了物理原理之外 还得益于许多新工艺的发明。重大的工艺 发明主要包括：1950年美国人奥尔和肖克 莱发明的离子注入工艺、1956年美国人富 勒发明的扩散工艺、1960年卢尔发明的外 延生长工艺、1970年斯皮勒发明的光刻工 艺。这些关键工艺为晶体管从点接触结构 向平面型结构过渡并使其集成化提供了基 本的技术支持。
硅单晶片与加工好的硅片
获得2000年Nobel物理奖
1958年第一块集成电路：TI 公司的Kilby ，12个器件，Ge晶片
封装好的集成电路
集成电路芯片的显微照片
Vss poly 栅 Vdd 布线通道 参考孔
N+
P+
有源区
集成电路的内部单元
1.2 集成电路的发展历史
? 世界上第一块集成电路是在锗衬底上制作 的相移振荡和触发器，共有12个器件。器 件之间的隔离采用的是介质隔离，即将制 作器件的区域用黑蜡保护起来，之后通过 选择腐蚀在每个器件周围腐蚀出沟槽，形 成多个互不连通的小岛，在每个小岛上制 作一个晶体管；器件之间互连线采用的是 引线焊接的方法。
– 这样的计算机能够进入办公室、车间、 连队和家庭？当时有的科学家认为全 世界只要4台ENIAC
– 目前，全世界计算机不包括微机在内 有几百万台，微机总量约6亿台，每年 由计算机完成的工作量超过4000亿人 年工作量
1.1 晶体管的发明
? 1833年英国物理学家法拉第发现氧化银的 电阻率随温度升高而增加。之后一些物理 学家又先后发现了同晶体管有关的半导体 的三个物理效应，即晶体硒在光照射下电 阻变小的光电导效应、晶体硒和金属接触 在光照射下产生电动势的半导体光生伏特 效应和金属与硅单晶接触产生整流作用的 半导体整流效应。
1.1 晶体管的发明
? 经过改进，最后的结构是在一个楔形的绝 缘体上蒸金，然后用刀片将楔尖上的金划 开一条小缝，即将金分割成间距很小的两 个触点，将该楔形体与锗片接触，在锗片 表面形成间距约为0.005cm的两个接触点， 它们分别作为发射极和集电极，衬底作为 基极，其具体结构如图1-1所示。
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沟道长度为0.15微米的晶体管 栅长为90纳米的栅图形照片