《微电子学概论第1章课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微电子学概论第1章课件（80页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,微电子学概论,2,参考书,微电子学概论 张兴/黄如/刘晓彦 北京大学出版社,3,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,4,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,学习方法 注重理解，灵活掌握 掌握每堂课的重要知识点 加强
2、分析问题、解决问题能力,6,第一章绪 论,7,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,信息：客观事物状态和运动特征的一种普遍表现形式,电子学(electronics)：研究信息获取、处理、传输、存储、控制的学科 包括电子电路及系统 如何实现电路的功能、性能；如何实现系统功能、性能,10,电 子 学,微电子学,11,微电子学：Microelectronics 微电子学微型电子学 核心集成电路,分立电路：将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源元件在电路板上连接起来，实现一定的电路功能,不依靠外加电源可独立表现其外特性的元件,集成电路：Inte
3、grated Circuit (IC) 将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源元件，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 通过一系列特定的加工工艺来集成 封装在一个外壳内 执行特定电路功能,集成电路,微电子学 研究在固体（主要是半导体）材料上构成的微小型化器件、电路及系统的电子学分支学科 脱胎于电子学和固体物理学的边缘性的技术学科,与分立电路相比，集成电路的特点 尺寸小 集成度高 批量生产、成本低 可靠性高 ,集成电路(集成电路块),芯片：chip，die 芯片的尺寸很小,集成度：一定尺寸的芯片上集成的元器件数目（或者门的数目）,内部电路,硅单晶片与加工好的硅
4、片 硅片：wafer 芯片：chip，die,集成电路芯片的显微照片,20,集成电路的内部单元,21,64M SDRAM （华虹NEC生产） 芯片面积5.899.7=57mm2 ， 456pcs/w，1个IC中含有1.34亿只晶体管,22,50m,100 m 头发丝粗细,30m,1m 1m (晶体管的大小),3050m (皮肤细胞的大小),90年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较,23,封装好的集成电路,24,集成电路,集成电路的内部电路,25,集成电路设计与制造的主要流程框架,26,集成电路 的设计过程： 设计创意 + 仿真验证,设计业,制造业,芯片制造过程,A
5、A,75 mm, 100 mm, 50 mm,Past,300 mm (12),(3, 4, 2),Now,Past,制造业,芯片制造过程,AA,In the future Maybe no person is necessary!,32,制造业,芯片制造过程,AA,33,封装好的集成电路,封装与测试业,34,微电子科学技术的战略地位,35,自然界和人类社会的一切活动都在产生信息。信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，是人类社会、经济活动的重要资源。 社会的各个部分通过网络系统连接成一个整体，由高速大容量光线和通讯卫星群以光速和宽频带地传送信息，从而使社会信息化、网络化和数字化。,微电子
6、：信息社会发展的基石,36,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,37,第一台通用电子计算机：ENIAC Electronic Numerical Integrator and Calculator 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,38,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
7、基础都是微电子 1946年第一台计算机：ENIAC,这样的计算机能够进入办公室、车间和家庭？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,39,40,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,41,信息技术的领域,基础： 软件、 微（纳）电子与光电子,关键技术：微（纳）电子与光电子、软件、计算机和通信,信息获取,信息处理,信息传输、交换,信息存储,信息的随动执行和应用,核心和基础： 微电子,42, 在信息经济时代，产品，以其信息含量的多少及处理信息能力的强弱，决定着附
8、加值的高低决定着在国际经济分工中的地位,43,如果我们不发展集成电路产业 IT行业停留在装配业水平上，挣的“辛苦钱”。 在国际分工中我们将只能处于低附加值的低端上。 所以有人戏称说：“你们说中关村是硅谷，但是一个无“芯”的硅谷，产品不可能有竞争力。”在没有自己集成电路产业的情况下，我们的高新技术的发展命脉掌握在他人手中。 当前，微电子产业的发展规模和科学技术水平已成为衡量一个国家综合实力的重要标志。,44,电子装备更新换代都基于微电子技术的进步，其灵巧（Smart）的程度都依赖于集成电路芯片的“智慧”程度和使用程度,微电子对传统产业的渗透与带动作用,45,微电子对国家安全与国防建设的作用,武器
9、装备水平与社会生产力、经济基础有密切关系 在农业社会：大刀长矛等冷兵器； 在工业化社会：枪、炮等热兵器 信息化社会： IC成为武器的一个组成元，电子战、信息战,46,微电子对信息社会的重要性,INTERNET基础设施 各种各样的网络：电缆、光纤(光电子)、无线 . 路由和交换技术：路由器、交换机、防火墙、网关 . 终端设备：PC、NetPC、WebTV . 网络基础软件：TCP/IP、DNS、LDAP、DCE . INTERNET服务 信息服务: 极其大量的各种信息 交易服务: 高可靠、高保密 . 计算服务: “网络就是计算机 !”, “计算机成了网络的外部设备 !”,47,2020年世界最大
10、的30个市场领域：其中与 微电子相关的22个市场：5万亿美元（Nikkei Business 1999）,微电子产业的战略重要性,48,微电子科学技术的发展历史,49,1947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,50,1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，Ge晶片,获得2000年Nobel物理奖,1959年7月第一块平面单片集成电路：Fairchild公司的Noyce 在Si 衬底制备了平面集成电路：氧化物隔离，Al互联,Robert N. Noyce,52,微电子发展
11、史上的几个里程碑,1962年WanlassCMOS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超过6亿台 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是21世纪改变人类社会和经济的三大技术创新,53,第一个CPU：4004,54,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,微电子发展的规律,55,56,基于市
12、场竞争，不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力。在新技术的推动下，集成电路自发明以来四十年，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。这就是由Intel公司创始人之一Gordon E. Moore博士1965年总结的规律，被称为摩尔定律。,微电子技术发展的ROADMAP,57,2003,2001,Production ready,0.13m,Gate width,Source: Intel,Moores Law Continues to Power the Net,2005,65nm,2009,32nm,2007,45nm,70nm,30nm,20nm,15nm,90
13、nm,0.35m,0.25m,0.18m,1999,1997,1995,.13mm,50nm,.20mm,.35mm,58,59,60,集成电路技术是近50年来发展最快的技术 微电子技术的进步,按此比率下降，小汽车价格不到1美分,From S.M.SZE,61,集成电路分类,62,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,63,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 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
14、) 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,优点是速度高、驱动能力强， 缺点是功耗较大、集成度较低,功耗低、集成度高，随着特征 尺寸的缩小，速度也可以很高,64,65,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(Ult
15、ra Large Scale IC，ULSI) 巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）,66,67,基于市场竞争，不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力。在新技术的推动下，集成电路自发明以来四十年，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。这就是由Intel公司创始人之一Gordon E. Moore博士1965年总结的规律，被称为摩尔定律。,微电子技术发展的ROADMAP,68,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
16、集成电路： 厚膜集成电路 薄膜集成电路,69,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 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,70,集成电路的分类,71,微电子的特点,微电子学：电子学的一门分支学科 微电子学以实现电路和系统的集成为目的，故实用性极强。 微电子学中的空间尺度通常是以微米(m, 1m106m)和纳米(nm, 1nm = 10-9m)为单位的。 微电子学是信息领域的重要基础学科,72,微电子的特点,微电子学是一门综合性很强的边缘学科 涉及了固体物理学、量子力学、热力
