《电子科技一级学科介绍-（ppt精品）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子科技一级学科介绍-（ppt精品）（122页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电子科学与技术 一级学科介绍(II),物理科学与技术学院 （+电子信息学院） 方国家 教授,加速器-电镜联机装置,离子能量: 30 keV - 1.5 MeV 束流密度: 0.2 - 1 A/cm2 束斑直径: 1 - 2 mm 扫描均匀性: 优于5%,电镜分辨率: 0.5 nm 电子束斑: 1 - 5 m CCD相机像素: 10001000 离子束/样品夹角: 45o,国家自然科学基金重点项目,半导体器件物理 (Semiconductor Device Physics) Electronic Device（电子器件）,0.1 电子器件的发展史 1906年，De. Frest发明真空三极管，放
2、大电话的声音电流，人们期待，固体器件（长寿命、轻量、廉价）的放大器、电子开关。 1947年，点接触型晶体管诞生，划时代意义。缺点：接触点不稳定。 结型晶体管理论：超高纯度单晶，控制晶体的导电类型。 合金型晶体管。 1954年结型硅晶体管，利用晶体表面的反型层制作场效应晶体管构想。,Timeline,1930,1940,1960,1950,1970,1928: Lilienfield MOSFET patent,1948: Shockley, Bardeen, Brattain BJT,1960: Kahng, Atalla Si MOSFET,1962: Wanlass, Sah, Moore
3、 CMOS,1964: Fairchild / RCA 1st commercial MOSFETs,1968: Noyce & Moore found Intel,1971: 1st microprocessor, intel4004,Timeline,1930,1940,1960,1950,1970,2000,1928: Lilienfield MOSET patent,1948: Shockley, Bardeen, Brattain BJT,1960: Kahng, Atalla Si MOSFET,1962: Wanlass, Sah, Moore CMOS,1964: Fairch
4、ild / RCA 1st commercial MOSFETs,1968: Noyce & Moore found Intel,1971: 1st microprocessor, intel4004,2000: Nobel Prize for Physics Jack S. Kilby integrated circuit Z. I. Alferov, H. Kroemer semiconductor heterostructures,本门课程的基础,半导体物理基础,电子状态 杂质和缺陷能级 载流子统计分布 非平衡载流子,微电子器件原理,PN结 BJT MOSFET,器件结构、特性、 工作原
5、理,IC设计,工作原理 制造工艺 版图设计,物理, 材料, 器件, 工艺,绪 论,微电子器件的发展历史和现状:,1947年：点接触晶体管问世； 50年代：可控制导电类型的超高纯度单晶问世，结型晶体管出现（取代真空管，收音机）； 1960年：第一代集成电路（IC）出现，电视时代； 70年代：集成电路（IC） ，微波时代； 80年代：大规模集成电路(LSI)，卫星通信时代; 90年代：超大规模集成电路(VLSI)，光通信时代,1. 晶体管的发明 1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组, 人员：W. Schokley肖克莱，J. Bardeen巴丁、W. H. Brattain布拉顿。
6、 Schokley给出了实现放大器的基本设想； Bardeen提出了表面态理论； 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 次年1月肖克莱提出结型晶体管理论，并于1952年制备出结型锗晶体管。,世界上第一只Ge点接触型PNP晶体管,1956年诺贝尔物理学奖： 肖克莱（William Shockley，1910-1989） 巴丁（John Bardeen，19081991） 布拉顿（Walter Brattain，19021987）， 以表彰他们发现PNP点接触式Ge晶体管效应。,点接触Ge管发明不久，1950年代，结型晶体管出现，取代真空管，在收
7、音机中使用,2. 集成电路的发明 1952年5月，英国科学家G. W. A. Dummer达默 第一次提出集成电路的设想。,1958年，J. Kilby完成了集成电路的创新思维过程，提出全半导体化思想： 将电阻、电容等无源元件和有源元件同时“在位”制备在一起，并用互连形成电路。 他很快就画出了关于触发器(flip-flop)的构思，用硅的体电阻做电阻器，用P-N结形成电容器（1959年7月24日的实验室笔记）。,集成电路的发明,1958年9月12日，Jack S.Kilby在德州仪器半导体实验室展示了第一块集成电路：包括十二个元件（两个晶体管、两个电容和八个电阻），并在1959年公布结果。,第
8、一块集成电路,集成电路草图,青年基尔比,Ge 衬底上的混合集成电路，美国专利号3138743,1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片,2000年Nobel物理奖： Jack S.Kilby 杰克基尔比、赫伯特克勒默和泽罗斯阿尔费罗夫 以表彰他们为现代信息技术的所作出的基础性贡献，特别是他们发明的IC、激光二极管和异质（快速）晶体管 。,赫伯特克勒默 杰克基尔比 泽罗斯阿尔费罗夫,1959年 美国仙童/飞兆公司（ Fairchilds ）的R.Noicy诺依斯开发出用于IC的Si平面工艺技术,1959年仙童公司制造的IC,年轻时代的诺伊斯,60年代 TTL、ECL出
9、现并得到广泛应用。1966年 MOS LSIC发明（集成度高，功耗低） 70年代 MOS LSIC得到大发展，出现集成化微处理器，存储器 ，典型产品64K DRAM ，16位 MPU 80年代 VLSIC出现，使IC进入了崭新的阶段（特征尺寸小于2m，集成度105 个元件/片） 典型产品4M DRAM(集成度 8106，芯片面积91mm2，特征尺寸0.8m，晶片直径150mm ),集成电路发展历史,90年代 ASIC、ULSI和GSI等代表更高技术水平的IC不断涌现： 1 G DRAM (集成度2.2109，芯片面积700 mm2，特征尺寸0.18m，晶片直径200 mm) ，2000年开始商
10、业化生产，2004年达到生产顶峰。 IC规模不断提高，CPU(P4)己超过4000万晶体管，DRAM已达Gb规模。 IC速度不断提高，0.13m CMOS工艺的CPU主时钟已超过2GHz，超高速数字电路速率已超过10Gb/s，射频电路的最高工作频率已超过6GHz。,IC制造能力：两番/3年，提升速度58 电路设计能力提升速度仅21，明显落后 于器件制造能力 工艺线建设投资费用越来越高: 一条8英寸0.35m工艺线的投资约20亿美元 一条12英寸009m工艺线的投资将超过100亿美元,21世纪 第二代应变硅技术，可以将晶体管的性能提升10%15% 系统芯片或称芯片系统SoC (System-on
11、-Chip)成为开发目标， 纳米器件与电路等领域的研究已展开。 2003年11月底，Intel展示了首个能工作的65纳米制程的硅片 2004 年8月，Intel采用65纳米技术，生产出了70Mbit的SRAM。并于2005年正式进入商业化生产阶段。,与90纳米工艺制造的晶体管相比，65纳米制程晶体管可以在同样的性能下减少4倍的漏电电流 2004年底Intel宣布首次基于CMOS工艺成功开发出15纳米的晶体管：工作电压为0.8伏，每秒可进行2.63万亿次开关转换。 Intel计划在2009年开发出基于15纳米晶体管的芯片，其处理器的频率将达到20GHz甚至更高,摩尔定律 不断提高产品的性能价格比
12、是微电子技术发展的动力,集成电路发展的规律,所谓Moore定律是在1965年 由INTEL公司的Gordon.Moore提出的，其内容是硅集成电路 按照4年（后来发展到34年）为一代、每代的芯片集成度要翻两番、工艺线宽约缩小30%、IC工作速度提高1.5倍等发展规律发展。,Gordon E.Moore 博士-1965年,1. 微细加工技术的提高 通常用特征尺寸CD（Critical Dimension）表征： 对于MOS工艺，CD指工艺所能达到的最小沟道长度或栅宽； 对于双极工艺，CD指发射区条的最小宽度。 影响微细加工技术极限的因素，主要是光刻精度。对于纳米 级IC，将采用EUV（特短紫外光
13、）和电子束投影曝光技术。 发展轨迹： 10m 亚微米0.9 0.5 m 深亚微米（ 0.5 m） 0.18 0.12m 纳米（ 0.1 m）。 每代产品的特征尺寸约缩小0.7倍。,IC技术发展趋势,2、芯片面积扩大 单片面积已由10mm2 扩大到100mm2甚至几百mm2。大约每代产品的芯片面积增大1倍。,3、大圆片Wafer，大直径化 圆片大直径化的发展： 4 5 6 8 10 12 16 （1=1英寸 =2.54cm=25.4mm） 4、简化电路结构 从设计的角度，开发新型的电路结构，以尽可能少的元件，实现预期的设计指标和性能。,表1.2将来硅基集成电路的要求（ITRS2005）,工艺特征
14、尺寸,单个芯片上的晶体管数,芯片面积,电源电压,金属布线层数,时钟频率, 技术 : 特征尺寸研究水平,中国集成电路发展的Roadmap,21世纪微电子芯片技术展望 将沿着以下四个方向发展： 1、继续沿着Moore定律前进； 2、片上系统（SOC）； 3、灵巧芯片，或赋予芯片更多的灵气； 4、硅基的量子器件和纳米器件。,特征尺寸继续等比例缩小，沿着Moore定律继续高速发展 加工技术极限光刻精度，采用EUV（特短紫外光）和电子束投影曝光技术。 另一方面，来自（MOS）晶体管某些物理本质上的限制，如量子力学测不准原理和统计力学热涨落等，可能会使MOSFET缩小到一定程度后不能再正常工作。,为了突破
15、MOS器件的物理极限，研究各种可能的新一代微电子器件： 单电子晶体管 量子隧道器件 分子器件（或统称纳电子学） 厚膜器件和功能器件,课程基本内容,第一部分：半导体基础，包括半导体概要、载流子模型、载流子输运、器件制备基础 第二部分：结与器件基础 Ap-n结二极管：静电特性、I-V特性、小信号导纳、瞬态响应、光电二极管 BBJT（双极型晶体管、Bipolar Junction Transistor）和其他结型器件 BJT：基础知识、静态特性、动态响应模型 PNPN器件(晶闸管)、可控硅整流器（SCR）、其它异质结双极 型晶体管（HBT）(Heterojunction Bipolar Transi
16、stor) MS接触和肖特基二极管,第三部分：场效应器件 J-FET（结场效应晶体管） MESFET（金属-半导体场效应晶体管） MOS MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管） HEMT（高迁移率晶体管、调制掺杂场效应晶体管 MODFET）,How do we make a MOSFET ?,Take a p-type Si wafer,Grow a thermal oxide,Define ohmic contacts Implantation Metal deposition,Define control contact,Click here for clip on MOSFET fa
