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1、微电子学概论 1 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 2 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 特种微电子器件 纳米电子学 分子电子学等基本概念 对微电子学的整体有一个比较全面的认识 3 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 4 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
2、路的分类微电子学的特点 5 微电子学 Microelectronics微电子学 微型电子学核心 集成电路 6 集成电路 IntegratedCircuit 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 7 封装好的集成电路 8 集成电路 集成电路的内部电路 9 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 10 第一台通用电子计算机 ENIACElectronicNumerical
3、IntegratorandCalculator1946年2月14日MooreSchool Univ ofPennsylvania18 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 11 微电子科学技术的发展历史 晶体管的发明 12 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研究工作 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
4、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 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 13 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
5、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 但是也没有得到非常理想的确结果 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 14 1947年12月23日 人们终于得到了盼望已久的 宝贝 这一天 巴丁和布拉顿把两根触丝放在锗半导体晶片的表面上 当两根触丝十分靠近时 放大作用发生了 世界第一只固体放大器 晶体管也随之诞生了 在这值得庆祝的时刻 布拉顿按捺住内心的激动 仍然一丝不苟地在实验笔记中写道 电压增益100 功率增益40 电流损失1 2 5 亲眼目睹并亲耳听闻音频的人
6、有吉布尼 摩尔 巴丁 皮尔逊 肖克利 弗莱彻和包文 在布拉顿的笔记上 皮尔逊 摩尔和肖克利等人分别签上了日期和他们的名字表示认同 巴丁和布拉顿实验成功的这种晶体管 是金属触丝和半导体的某一点接触 故称点接触晶体管 这种晶体管对电流 电压都有放大作用 15 布拉顿早在1929年就开始在这个实验室工作 长期从事半导体的研究 积累了丰富的经验 他们经过一系列的实验和观察 逐步认识到半导体中电流放大效应产生的原因 布拉顿发现 在锗片的底面接上电极 在另一面插上细针并通上电流 然后让另一根细针尽量靠近它 并通上微弱的电流 这样就会使原来的电流产生很大的变化 微弱电流少量的变化 会对另外的电流产生很大的影
7、响 这就是 放大 作用 16 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 17 1947年12月23日第一个晶体管NPNGe晶体管W SchokleyJ BardeenW Brattain 获得1956年Nobel物理奖 18 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
8、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 19 1948年11月 肖克利构思出一种新型晶体管 其结构像 三明治 夹心面包那
9、样 把N型半导体夹在两层P型半导体之间 这是一个多么富有想象力的设计啊 可惜的是 由于当时技术条件的限制 研究和实验都十分困难 直到1950年 人们才成功地制造出第一个PN结型晶体管 20 晶体管的三位发明人 巴丁 肖克莱 布拉顿 21 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 22 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 23 晶体管之父肖克利 1
10、954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 24 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 集成电路的发明 25 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 26
11、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 27 诺伊斯保住了小命 也逃脱了刑事控告 却无法逃脱学校的处罚 经过一些交易 处罚不重 停学一学期 发配到纽约市公平人寿保险公司做统计工作 臭名昭著的偷猪使诺伊斯脸面丢尽 却
12、也在纽约了解了花花世界 1949年初 回到格林纳尔 他已焕然一新 秋天 22岁的诺伊斯考取了MIT的博士研究生 博士论文是 对绝缘体表面光电现象的研究 在一次音乐会上 参加演出的诺伊斯与化妆师伊丽莎白一见钟情 1953年一毕业就结了婚 28 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
13、 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 29 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
14、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 30 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35家公司 31 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 A
15、 Hoermi 是众 仙童 中的佼佼者 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粒扩散到硅片上 32 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
16、仪器公司悄悄地进行 33 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 34 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 35 集成电路草图 基尔比 J kilby 36 1958年7月 达拉斯天气炎热 TI公司宣布放一次长假 绝大多数员工兴高采烈离开岗位 基尔比那年35岁 到TI公司任职不足两个月 无权享受休假
