微电子学概论课件
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▪ 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。
微电子发展的规律
不断提高产品的性能价格比 是微电子技术发展的动力
集成电路芯片的集成度每三 年提高4倍，而加工特征尺
寸缩小 倍，这就是摩尔 定律
Part 2
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
功耗低、集成度高，随着特征 尺寸的缩小，速度也可以很高
▪ 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
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）
▪ 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
➢ 线性集成电路：又叫做放大集成电路，如运算 放大器、电压比较器、跟随器等
➢ 非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路
▪ 数模混合集成电路(Digital - Analog IC) ：例 如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等
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 ➢ 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)
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； 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 ▪ 故障率降低
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
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
设计
掩膜版
芯片制造 过程
芯片检测 封装 测试
单晶、外 延材料
微电子科学技 术的战略地位
▪ 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
第一台通用电 子计算机：
ENIAC
Electronic Numerical Integrator and Calculator
▪ 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
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
光电导效应 光生伏特效应 整流效应
➢量子力学
➢材料科学
▪ 需求牵引：二战期间雷达等武器的需求
1947年12月23 日
第一个晶体管
NPN Ge晶体管
W. Schokley J. Bardeen W. Brattain
获得1956年 Nobel物理 奖
晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿
集成电路的发明
▪ 其次，统计数据表明，发达国家在发 展过程中都有一条规律
➢ 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
晶体管的发明
▪ 理论推动
➢19世纪末20世纪初发现半导体的三个重要 物理效应
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。
微电子发展的规律
不断提高产品的性能价格比 是微电子技术发展的动力
集成电路芯片的集成度每三 年提高4倍，而加工特征尺
寸缩小 倍，这就是摩尔 定律
Part 2
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
功耗低、集成度高，随着特征 尺寸的缩小，速度也可以很高
▪ 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
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）
▪ 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
➢ 线性集成电路：又叫做放大集成电路，如运算 放大器、电压比较器、跟随器等
➢ 非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路
▪ 数模混合集成电路(Digital - Analog IC) ：例 如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等
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 ➢ 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)
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； 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 ▪ 故障率降低
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
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
设计
掩膜版
芯片制造 过程
芯片检测 封装 测试
单晶、外 延材料
微电子科学技 术的战略地位
▪ 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
第一台通用电 子计算机：
ENIAC
Electronic Numerical Integrator and Calculator
▪ 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
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
光电导效应 光生伏特效应 整流效应
➢量子力学
➢材料科学
▪ 需求牵引：二战期间雷达等武器的需求
1947年12月23 日
第一个晶体管
NPN Ge晶体管
W. Schokley J. Bardeen W. Brattain
获得1956年 Nobel物理 奖
晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿
集成电路的发明
▪ 其次，统计数据表明，发达国家在发 展过程中都有一条规律
➢ 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
晶体管的发明
▪ 理论推动
➢19世纪末20世纪初发现半导体的三个重要 物理效应