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1、微电子技术发展与物理学 中南大学 邓联文,个人简介,姓名：邓联文，学位：博士，职称：副教授，籍贯：湖南 学习和工作简历： 1987年，进入华中工学院固体电子学系学习 1991年 本科毕业分配至上海核工业第八研究所从事电子材料科研工作 1994年 无锡亨达电子公司从事步进电机及驱动模块的开发与生产管理 1999年 华中理工大学电子科学与技术系读研，从事纳米电子学的课题 2004年 获华中科技大学微电子学与固体电子学工学博士学位； 后进入博士后流动站从事吸波材料、抗电磁干扰和电磁兼容技 术研究工作，并承担“电磁场与电磁波”的教学工作 2006年11月，中南大学物理科学与技术学院电子信息系工作，承担
2、“微 电子学概论”的教学工作 联系方式：手机（13787206916），QQ：151462179 E-mail: 办公地点：中南大学物理楼311室,物理学微电子学微电子技术的互动发展,物理学的开放性与技术的必然联系,物理学和技术关系密切。当今的许多工程学科都是植根于经典物理学的某一分支，而20世纪的物理学进而诱发许多新兴的技术科学，如原子能技术、微电子技术、光电子技术等。因而并不出人意料之外，对当代信息、网络技术作出了重要贡献。 物理学一直是一门生气勃勃的学科，这和它具有高度的开放性是密切相关的。它和技术并没有截然的分界线，它和其他的自然科学也没有截然的分界线。它的门户总是开放的，鼓励跨学科
3、的交流与沟通。 按电学特性将物质分为三类：导体，半导体，绝缘体；物理如果就其与电子材料技术的基础性关联来分：,20 世纪是物理学推动高新技术飞速发展的世纪, 对微电子技术也毫不例外. 美国于1925 年创建的贝尔实验室,如今已成为世界上规模最大、技术最先进的科学技术研究和发展的研究院之一. 自1947 年以贝尔实验室的肖克莱为首的固体物理研究组发明了晶体管以来,世界微电子科学技术得到突飞猛进的发展. 领导贝尔实验室的7 个总裁中,有4 个是从美国的不同大学的物理系毕业的. 这些事实已足以看到物理学对推动贝尔实验室的发展起了多么重要的作用. 在科学的不断发展、人类的不断进步的过程中,虽然许多学科
4、是交叉地发展的,但无一门是不用到物理学的. 无数事实证明,学物理学的人要转向别的领域比较容易,而别的领域要转向物理学就比较困难,微电子学与微电子技术,当前以数字化和网络化为特征的、以计算机为基础的信息技术正以极强的渗透性和基础性,渗透和改造着各种产业和行业, 改变着人类的生产和生活方式,改变着经济形态和社会、政治、文化等各个领域的面貌. 这一切都源于微电子技术的诞生和发展. 什么是微电子学呢? 简言之,微电子学即微型电子学,它是脱胎于电子学和固体物理学的一门交叉性的技术学科,其主要任务是研究在固体(主要是半导体) 材料上构成微小型化电子电路、子系统及系统的学科.,微电子学专业的人才市场需求1,
5、上海半导体和集成电路研讨会发布消息：到2008年中国微电子产业对集成电路设计人才的需求量将达到25万人，而目前还不到6万人。可见中国微电子产业的人才是多么奇缺。 微电子作为信息产业的核心，是当今世界竞 争最激烈、发展最迅速的全球化产业，它的就业前景、薪资水平十分看好。,微电子学专业的人才市场需求2,上海交通大学微电子专业2004、2005、2006三届毕业生就业去向统计结果表明微电子专业的优秀毕业生主要集中就业于Intel、IBM、ST、VIA、NI、Trident等国际知名公司。 电子工程专辑2004年举办的“中国电子工程师 薪酬调查”调查结果显示：微电子行业薪资高居 电子行业榜首，并领先于
6、通信系统和设备行业， 以及 航空、航海和军工电子行业等。 调查结果还显示微电子行业薪资与学位成正比。微电子专业博士的平均底薪是887万元，硕士的平均底薪是818万元，本科的平均底薪是59万元，而收入最高的集成电路工程师年薪超过25万!,我国年微电子发展展望,我国IC骨干企业地区分布及销售情况,我国年微电子发展展望,上海IC产业发展战略目标,到2010年总投资量600亿美元，建成20 40条生产线，200个设计公司及20家封装/测试厂 带动上海700亿美元相关产业发展，成为第一大产业,未来十年将是我国微电子产业的黄金时期,我国微电子发展展望,微电子学专业对课程学习的要求,我国著名微电子专家、西安
7、电子科技大学副校长郝跃教授曾说：微电子的根本是物理与数学的结合。 微电子专业都开设了那些课程呢? 从目前的情况来看，微电子专业主要开设的课程有：半导体物理及实验、半导体器件物理、集成电路设计原理、集成电路工艺原理、集成电路CAD、微电子学专业实验和集成电路工艺实习等。,微电子学与微电子技术,以微电子学为基础发展起来的微电子技术包括半导体材料及器件物理,集成电路及系统的设计原理和技术,芯片加工工艺、功能和特性的测试技术等重要的组成部分,其核心是集成电路技术. 所谓的集成电路就是将晶体管等有源元件和电阻、电容等无源元件,按照一定电路“集成”在一起,完成特定的电路或系统的功能,它不仅表现在体积减小上
8、,而且反映在制造工艺技术上有着内在的必然联系,可以一次加工完成.,微电子学与微电子技术,微电子技术已经成为整个信息社会发展的基石,这是由集成电路的本质所决定的. 信息社会的进步取决于人们对信息的掌握和利用程度,而集成电路恰恰是将信息的获取、传递、处理、存储、交换等功能集成在一个小小的芯片上,而这种芯片又可以低成本、高可靠性、大批量地生产出来,且功耗低、体积小,从而可在前所未有的广度和深度上得到推广应用,成为现代工农业、国防和科学技术的技术基础.,微电子技术发展,近几十年来,微电子技术一直是按照摩尔定律的指数增长规律发展的. 摩尔定律是Intel公司的创始人之一,时任美国仙童公司(Fairchi
9、ld) 研究部主任的Gordon E. Moore 于1964 年在总结集成电路发展趋势的基础上,对未来集成电路的发展趋势而做的预测. 基本内容是,在集成电路的单个芯片上集成的元件数,即集成电路的集成度,每18个月增加一倍,即集成度每三年翻两番,特征尺寸缩小2倍,而且集成电路芯片的需求量也以相同的速度增加,在集成电路性能提高的同时价格下降.,物理学与微电子技术发展,微电子技术发展经历了诞生和飞速发展的两个阶段. 目前正在经历一个新的发展阶段,一方面它将面临着来自于技术、材料和基础理论等限制的挑战,另一方面,期待着新的飞跃,这一飞跃可能对材料、技术和基础物理理论等多方面带来革命性的变革. 综观微
10、电子的发展史,微电子学是在物理学发展和突破的基础上建立起来的,而微电子技术的每一步发展都是以物理学研究的成果为基础的;反过来,微电子技术的发展推动和促进了物理学的研究和发展,并为物理学的研究开辟了更为广阔的空间.,微电子学诞生于物理学的突破之中,微电子学的诞生是以半导体晶体管的发明为标志的. 晶体管是人类历史上最伟大的发明之一,是固体物理、半导体物理、材料科学等取得一系列重大突破后的必然结果 19 世纪末,现代物理学的一系列发现揭示了微观物理世界的基本规律,为海森伯和薛定谔建立现代物理学的基础量子力学体系奠定了基础. 20世纪30 年代建立的以量子力学为基础的现代固体物理学的成熟和完善,为晶体
11、管的发明奠定了理论基础.,微电子学诞生于物理学的突破之中,对于晶体管的发明,有两个基础研究工作需要特别提及. 其一是量子力学的建立和有关电子与物质结构研究的迅速发展. 1924 年衍射实验证实了电子的波动性概念;1928 年提出了电子的费米- 狄拉克统计理论;1931 年,威尔逊(A. H.Wilson) 提出了固态半导体的量子力学理论,与固体X 射线实验相结合,奠定了今天固体能带论的基础. 其二是将霍尔效应应用到半导体材料研究之中. 该方法的引入,使得人们可以深入研究半导体的导电性质,把半导体与金属区别开来,并发现了半导体中有两种载流子.,微电子学诞生于物理学的突破之中,在这两个基础理论与实
12、验的指导下, 肖特基(Schottky) 和莫特(Mott) 于1939 年第一次提出了空间电荷区理论,B.Davidor 提出了不同半导体之间也可以有整流效应,并提到了半导体中的一个关键概念少数载流子的重要性,只是限于当时的科学水平,这样一个重要概念并未得到应有的发展和重视.,微电子学诞生于物理学的突破之中,半导体材料研究方面取得的进展,也是晶体管发明的一个必要基础. 由于更短波长的无线电检波需要,很快发现真空管是无力胜任的,必须要有新型的检波器. 为此,曾经被研究但由于性能不稳定而被放弃的硅晶体检波器重新引起人们的注意. 基于改进晶体检波器的需要,希望得到更纯的硅,由此促进了半导体材料研究
13、工作的进展. 随着p 型和n型半导体材料的获得,很快发现p - n 结是很好的整流器,并具有光生伏特效应.,微电子学诞生于物理学的突破之中,从与真空管的类比中,人们很自然地想到能否在p - n 结上加一个控制栅极,从而做成一个固体放大器. 第二次世界大战以后,贝尔实验室集中了一批科学家,其中有物理学家、化学家、冶金学家,共同组成了半导体组,针对当时提出的一些令人费解的问题,开展系统的基础研究工作,力图搞清楚其中的一些基本规律. 由于基础材料研究工作的进展,获得了完整性比较好、纯度比较高的锗、硅材料,排除了诸如硒、氧化亚铜等材料中的一些复杂因素,因而在客观上具备开展基本物理现象研究的条件.,微电
14、子学诞生于物理学的突破之中,贝尔实验室半导体研究组在比较单纯的锗材料上进行了场效应的实验,但最初的实验结果却比理论预言至少小1500 倍! 为了探究其原因,Bardeen 提出了实际硅表面的表面理论,成功地解释了场效应理论与实验间的矛盾. 为了进一步研究Bardeen 的表面态理论对场效应的影响,化学家Gibney 提出在外电场电极和半导体之间加一个绝缘电介质,以增强电场,克服表面态的影响,这一来自化学家的重要建议,解除了物理学家久已存在的困惑,大大促进了贝尔实验室半导体小组在场效应放大器的研究工作,并于1947 年12 月16 日诞生了具有放大和功率增益性能的点接触二极管.,微电子学诞生于物
15、理学的突破之中,点接触晶体管的发明给肖克莱以极大的启示,“少子注入”的概念被紧紧抓住了. 但点接触晶体管并不稳定,在物理分析上也比较困难,因为它是一个三维问题. 为了进一步搞清楚点接触晶体管的工作原理,并加以改进,肖克莱在对p - n 结基本物理图像进行长期研究的基础上,提出用n 型半导体与薄的p 型材料面接触代替探针的点接触,这样就可以用一维模型来进行分析. 1948 年1 月23 日,肖克莱完成了晶体管的三个基本概念,宣布了面结型晶体管的发明, 该结果于1949 年以论文形式发表.,微电子学诞生于物理学的突破之中,此后的发展十分迅速. 1950 年和1952 年分别制得了锗、硅单晶, 19
16、50年用生长结制成了锗n - p - n 结型晶体管,1951 年用合金法制成了锗p - n - p 晶体管, 1954 年用气相扩散制成了大功率硅整流器和高效率的光电池,1956 年就制成了扩散型基区台式晶体管. 1956 年,Bardeen、Brattain 和Shockley 一起获得了物理学的诺贝尔奖. 自此,也宣告了微电子学的诞生.,微电子学诞生于物理学的突破之中,晶体管的发明是在社会需求的推动下,在物理学研究成果和技术进步的基础上,在开展系统的研究中取得的,其中物理学的研究成果对晶体管的发明起了决定性的作用. 因此,有人形象地将微电子学称为以能带论为基础的固体物理学和无线电电子学结合而诞生的孩子.,微电子技术与物理学进展的相互促进,在晶体管诞生以后,微电子技术在一系列创新工作的推动下,进入了迅速发展的阶段. 这些创新是在应用需求的驱动下,借助于当时物理、材料和技术成果而实现的. 集成电路的发明是其中具有里程碑意义的创新之一. 关于集成电路的概
