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1、半半 导导 体体 物物 理理华南理工大学电子与信息学院华南理工大学电子与信息学院 蔡蔡 敏敏 教授教授教材及参考书目半半导导体体物物理理学学刘刘恩恩科科、朱朱秉秉升升、罗罗晋晋生生等等编编著，电子工业出版社著，电子工业出版社半导体半导体( (美美) R.A ) R.A 史密斯著，高鼎三译史密斯著，高鼎三译半导体物理基础半导体物理基础黄昆、韩汝琦著黄昆、韩汝琦著 半半导导体体器器件件 物物理理与与工工艺艺( (美美) )施施敏敏(S.M.Sze)(S.M.Sze)著，王阳元等译著，王阳元等译 半导体物理学半导体物理学刘文明著刘文明著内容简介绪言绪言半导体的晶体结构半导体的晶体结构半导体能带半导体
2、能带半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布半导体的导电性半导体的导电性非平衡载流子非平衡载流子半导体表面及半导体表面及MISMIS结构结构半导体的物理效应半导体的物理效应量子论、量子力学和量子场论量子论、量子力学和量子场论的发展，不仅深化了人们对物的发展，不仅深化了人们对物质微观结构和相互作用的认识，质微观结构和相互作用的认识，而且也为核技术、微电子和光而且也为核技术、微电子和光电子技术的发展奠定了基础。电子技术的发展奠定了基础。我们目前讲的信息技术指的是我们目前讲的信息技术指的是电子信息技术电子信息技术信息的载体是：电子信息的载体是：电子 二十世纪是科学革命的世纪，重大的科学发现与
3、理论创新不但改变了科学技术本身，也改变了人们的自然观、世界观，改变了人类社会的文明进程 信息论、控制论和系统论 二十世纪四十年代后期二十世纪四十年代后期（1948）发展起来的信息论、）发展起来的信息论、控制论和系统论，为控制论和系统论，为20世纪以世纪以来的通信技术、计算机技术、来的通信技术、计算机技术、智能机器、公共工程、跨国公智能机器、公共工程、跨国公司经营、全球金融、生态环境司经营、全球金融、生态环境与数字地球、生命与认知行为与数字地球、生命与认知行为研究，乃至现代经济、管理、研究，乃至现代经济、管理、社会和军事科学等提供了新的社会和军事科学等提供了新的理论与方法。理论与方法。世界第一只
4、晶体管世界第一块集成电路（TI，1958)） J. S. Kilby集成电路的战略地位和关键作用信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，与材料信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，与材料和能源一起是人类社会的三大资源。知识经济的支柱产业和能源一起是人类社会的三大资源。知识经济的支柱产业微电子产业和科学技术对我国以及世界经济都有着举足微电子产业和科学技术对我国以及世界经济都有着举足轻重的作用，成为一个国家综合国力的重要标志之一。轻重的作用，成为一个国家综合国力的重要标志之一。微电子芯片和软件是信息产业的基础和核心。原始硅材料微电子芯片和软件是信息产业的基础和核心。原始硅材料经过人们的设
5、计和一系列特定的工艺技术加工创造，将体经过人们的设计和一系列特定的工艺技术加工创造，将体现信息采集、加工、运算、传输、存储和随动执行功能的现信息采集、加工、运算、传输、存储和随动执行功能的信息系统集成并固化在硅芯片上，成为信息化的基础，一信息系统集成并固化在硅芯片上，成为信息化的基础，一芯千金。芯千金。现代经济发展的数据表明，现代经济发展的数据表明，GDPGDP每增长每增长100100需要需要1010元左右电元左右电子信息工业产值和子信息工业产值和1 1元集成电路产值的支持。以单位质量钢元集成电路产值的支持。以单位质量钢筋对筋对GDPGDP的贡献为的贡献为1 1计算，则小汽车为计算，则小汽车为
6、5 5，彩电为，彩电为3030，计算机，计算机为为10001000，而集成电路的贡献率则高达，而集成电路的贡献率则高达20002000。微电子技术和。微电子技术和产业成为世界各国综合国际竞争力的标志之一。产业成为世界各国综合国际竞争力的标志之一。集成电路产业特点集成电路产业特点渗透力强、附加价值高渗透力强、附加价值高 IC IC由原材料加工到成为产品，附加价值大幅度增由原材料加工到成为产品，附加价值大幅度增加。加。ICIC应用到国民经济各领域，使用价值也大大应用到国民经济各领域，使用价值也大大得以增加。得以增加。市场敏感、更新周期短市场敏感、更新周期短 IC IC市场敏感和周期短的根源是信息社
7、会中电子整市场敏感和周期短的根源是信息社会中电子整机的需求和更新换代牵引了机的需求和更新换代牵引了ICIC市场发展，市场发展，ICIC发展发展又推动了电子整机的进一步发展。又推动了电子整机的进一步发展。技术密集、信息含量大技术密集、信息含量大 IC IC的产品设计、制造和封装所用技术与设备融合的产品设计、制造和封装所用技术与设备融合了材料、器件物理、计算机、光学、化学、真空、了材料、器件物理、计算机、光学、化学、真空、精密机械、理化分析等科学技术的最新成就。精密机械、理化分析等科学技术的最新成就。投资密集、经济效益好投资密集、经济效益好 IC IC的竞争就是设备、技术和人才的竞争，只有持的竞争
8、就是设备、技术和人才的竞争，只有持续不断地增大投入，续不断地增大投入，ICIC才能形成规模经济，产品才能形成规模经济，产品才有竞争能力。生产的规模化带来才有竞争能力。生产的规模化带来ICIC产品的低成产品的低成本和低价格化。当形成规模经济后，本和低价格化。当形成规模经济后，ICIC产业将会产业将会产生很高的经济效益。产生很高的经济效益。 微电子技术发展规律19471947年，贝尔实验室肖特莱等人发明了晶体管，年，贝尔实验室肖特莱等人发明了晶体管，这是微电子技术发展中一个重要里程碑。这是微电子技术发展中一个重要里程碑。19581958年，美国年，美国TITI公司研制出了第一块数字公司研制出了第一
9、块数字ICIC，这，这可以说是半导体史上的革命性突破，随后可以说是半导体史上的革命性突破，随后2020年该年该技术得到了飞速的发展。技术得到了飞速的发展。自自19651965年以来，集成电路发展遵循了年以来，集成电路发展遵循了IntelIntel公司公司创始人创始人Gordon E. Moore Gordon E. Moore 预言的摩尔定律，即每预言的摩尔定律，即每1818个月集成度翻一番。个月集成度翻一番。在在2121世纪前世纪前1010年，微电子产业仍将以尺寸不断缩年，微电子产业仍将以尺寸不断缩小的硅基小的硅基CMOSCMOS工艺技术为主流。工艺技术为主流。世界集成电路设计技术发展现状
10、世界集成电路加工工艺水平世界集成电路加工工艺水平: :20072007年年4545纳米技术纳米技术进入量产进入量产,2018,2018年前后达到年前后达到1616纳米纳米、1212英寸加工英寸加工工艺过渡（工艺过渡（Low-kLow-k、铜互连）。、铜互连）。系统芯片（系统芯片（System-on-ChipSystem-on-Chip）正在成为集成电）正在成为集成电路产品的主流。路产品的主流。超大规模集成电路超大规模集成电路IPIP复用（复用（IP ReuseIP Reuse）和硬软）和硬软件协同设计水平日益提高。件协同设计水平日益提高。集成电路设计业、制造业、封装业三业并举集成电路设计业、制
11、造业、封装业三业并举设计能力滞后于制造工艺，设计工具落后于设设计能力滞后于制造工艺，设计工具落后于设计水平计水平全球全球ICIC市场呈四级化格局市场呈四级化格局日本日本20.5%20.5%亚太地区亚太地区26.3%26.3%美国美国31.5%31.5%欧洲欧洲21.7%21.7%世界世界ICIC产业已经形成了美国、日本、欧洲和产业已经形成了美国、日本、欧洲和亚太地区四大代表性市场。亚太地区四大代表性市场。各国、地区集成电路发展模式美国：科技先导型、军工带动型、海外开拓型美国：科技先导型、军工带动型、海外开拓型日本：技术引进赶超型、民用电子带动型、市场导日本：技术引进赶超型、民用电子带动型、市场
12、导向国际竞争型向国际竞争型韩国：政府高强度支持型、引进外资技术型、跨越韩国：政府高强度支持型、引进外资技术型、跨越式发展型式发展型我国台湾省：标准加工工艺型、我国台湾省：标准加工工艺型、PCPC应用带动型、应用带动型、FablessFabless与设计服务（现处于标准工艺加工世界第与设计服务（现处于标准工艺加工世界第一、封装世界第一、设计世界第二；一、封装世界第一、设计世界第二；20022002年起实施年起实施“矽导矽导Silicon SoftSilicon Soft计划计划”，大力推进，大力推进SoCSoC技术与技术与产业）产业）台湾地区的矽岛计划（Si-Soft）在计划构想中，最关键要素是
13、人才、技术、和环境。预期产在计划构想中，最关键要素是人才、技术、和环境。预期产业规模，每年至少要培养业规模，每年至少要培养20002000名高级集成电路设计工程师。名高级集成电路设计工程师。为此，每年拔为此，每年拔6060名教授名额，广邀名教授名额，广邀SOCSOC设计专长老师，培育设计专长老师，培育SOCSOC设计人才，发挥群聚效应。设计人才，发挥群聚效应。台湾大学为应对台湾大学为应对SOCSOC发展，于发展，于20012001年年8 8月成立以培养集成电路月成立以培养集成电路设计与工艺人才为目的的电子工程学研究所，分成设计与工艺人才为目的的电子工程学研究所，分成 “集成集成电路与系统电路与
14、系统”和和“微电子工艺微电子工艺”两个方向，招收博士班与硕两个方向，招收博士班与硕士班学生，每年士班学生，每年150150余人。余人。台湾清华大学于台湾清华大学于20002000年年1111月成立集成电路设计技术研发中心，月成立集成电路设计技术研发中心，其宗旨为研发具有创新性、前瞻性、或先导性之其宗旨为研发具有创新性、前瞻性、或先导性之SOCSOC集成电集成电路设计与测试技术，建立世界一流科技声望，协助提升台湾路设计与测试技术，建立世界一流科技声望，协助提升台湾集成电路产业国际竞争力。集成电路产业国际竞争力。 商业化商业化商业化商业化如：电视机、洗衣机、电冰箱、VCDDVD等 美国美国日本日本
15、亚洲四小龙亚洲四小龙中国中国大陆大陆欧洲欧洲产业东移产业东移 全球制造业的发展趋势全球制造业的发展趋势 商业化商业化商业化商业化发明发明发明发明大众化大众化大众化大众化如：电视机、洗衣机、电冰箱、VCDDVD等数据来源: 北京商报 (2002/8)产量产量全球全球份额份额中国中国:演进中的全球电子产品制造中演进中的全球电子产品制造中心心如下是部分产量居世界第一的电子产品及其全球市场份额如下是部分产量居世界第一的电子产品及其全球市场份额人均人均GDP美元美元劳动密集型劳动密集型服装服装鞋帽鞋帽玩具玩具 农业农业资本密集型资本密集型IC制造制造.显示器制造显示器制造 知识密集型知识密集型品牌与营销
16、品牌与营销软件软件 电子游戏电子游戏新产业新产业附加价值技术密集型技术密集型电子组装业电子组装业.计算机计算机手机手机电视机电视机冰箱冰箱经济发展推动产业不断升级经济发展推动产业不断升级100010,00030,000100中国的各大经济区域中国的各大经济区域数据来源: iSuppli, 出口为 2002年数据, 其它为 2001年数据自东向西，自沿海到内陆，有着显著自东向西，自沿海到内陆，有着显著的经济梯度，也为中国发展电子信息的经济梯度，也为中国发展电子信息产业提供了广阔的空间与纵深的市场产业提供了广阔的空间与纵深的市场长三角地区长三角地区人口人口: 136 mlnGDP: US$256
17、bn出口出口: US$100 bn珠三角地区珠三角地区人口人口: 119 mlnGDP: US$344 bn出口出口: US$156 bn渤海湾地区渤海湾地区人口人口: 181 mlnGDP: US$238 bn出口出口: US$45 bn台湾地区台湾地区人口人口: 22 mlnGDP: US$285 bn出口出口: US$131 bn东北地区东北地区人口：人口： 107 mlnGDP：US$128 bn出口：出口： US$17 bn西部地区西部地区人口人口: 58 mlnGDP: US$40 bn出口出口: US$2 bn西南地区西南地区人口人口: 137 mlnGDP: US$72 bn出
18、口出口: US$4 bn长江中上游地区长江中上游地区人口人口: 348 mlnGDP: US$245 bn出口出口: US$11 bn北部平原北部平原人口人口: 189 mlnGDP: US$131 bn出口出口: US$8 bn中国中国ICIC的需求与产出间的缺口巨大的需求与产出间的缺口巨大全球全球15的需求，的需求，2.6的产出（的产出（2003年年）单位：十亿美元单位：十亿美元中国集成电路产业正蓄势待发中国集成电路产业正蓄势待发环渤海经济圈环渤海经济圈长三角经济圈长三角经济圈珠三角经济圈珠三角经济圈中西部经济圈中西部经济圈2003年中国集成电路市场创下了年中国集成电路市场创下了41.0%
19、的惊人增长率，成为全球市场的最亮点的惊人增长率，成为全球市场的最亮点Source：CCID Consulting中国集成电路市场规模中国集成电路市场规模中国集成电路市场规模中国集成电路市场规模99-03 CAGR99-03 CAGR：39.4%39.4%Growth Rate Y/YGrowth Rate Y/YRevenue:100M RMBRevenue:100M RMB预计到预计到2015年国内集成电路市场规模将超过年国内集成电路市场规模将超过1万亿元万亿元中央高度关注及重要举措中央高度关注及重要举措9999年年8 8月，全国技术创新大会召开，中共中央、国月，全国技术创新大会召开，中共中
20、央、国务院务院“关于加强技术创新，发展高科技实现产业化关于加强技术创新，发展高科技实现产业化的决定的决定”发表，为我国集成电路设计业的发展奠定发表，为我国集成电路设计业的发展奠定基础；基础；20002000年年1 1月，李岚清同志致信科技部、教育部、中月，李岚清同志致信科技部、教育部、中科院领导，要求加强对集成电路和软件技术产业发科院领导，要求加强对集成电路和软件技术产业发展战略研究，提出对应措施；展战略研究，提出对应措施；20002000年年6 6月，国务院发布月，国务院发布“关于加快我国集成电路关于加快我国集成电路与软件产业发展的若干意见与软件产业发展的若干意见”国发国发20002000（
21、1818号）文号）文件；件；国家科教领导小组批准科技部提出的国家科教领导小组批准科技部提出的“十五十五”集成集成电路和软件重大科技专项。电路和软件重大科技专项。十二五时期，国家科技重大专项加快实施，十二五时期，国家科技重大专项加快实施，战略性新兴产业发展的新要求，将推动集战略性新兴产业发展的新要求，将推动集成电路核心技术实现突波，持续带动产业成电路核心技术实现突波，持续带动产业的大发展。的大发展。随着随着4号文件中关于财税、投融资、技术研号文件中关于财税、投融资、技术研发和人才等方面的实施细则陆续落实，各发和人才等方面的实施细则陆续落实，各地方政府相继出台配套政策，集成电路产地方政府相继出台配
22、套政策，集成电路产业发展环境将得到进一步完善。业发展环境将得到进一步完善。1.集成电路最重要是两大因素：一个叫市场，一个叫人集成电路最重要是两大因素：一个叫市场，一个叫人才。中国市场很大，人才济济。中国集成电路发展非才。中国市场很大，人才济济。中国集成电路发展非常宽广。常宽广。2.集成电路产业化基地为集成电路的发展，高技术的发集成电路产业化基地为集成电路的发展，高技术的发展提供了一个技术服务平台。这个平台既是研发的平展提供了一个技术服务平台。这个平台既是研发的平台，又是孵化的平台。台，又是孵化的平台。3.这个平台提供的是整合资源和公共服务。这个平台可这个平台提供的是整合资源和公共服务。这个平台
23、可以充分集中和利用公用资源。以充分集中和利用公用资源。4.集成电路的发展前景，它的竞争力，它的潜力，它的集成电路的发展前景，它的竞争力，它的潜力，它的创造力都表现在知识产权，就是表现在人的头脑当中，创造力都表现在知识产权，就是表现在人的头脑当中，这就需要创新。这就需要创新。温家宝总理视察上海集成电路设计温家宝总理视察上海集成电路设计产业化基地时指出产业化基地时指出集成电路产业链正在形成 目前我国半导体产业已初步形成了电路设计、芯片制造和封目前我国半导体产业已初步形成了电路设计、芯片制造和封装业共同发展的、具有一定规模、面貌一新的发展格局。特装业共同发展的、具有一定规模、面貌一新的发展格局。特别
24、是包括上海、江苏、浙江在内的长江三角洲，初步形成了别是包括上海、江苏、浙江在内的长江三角洲，初步形成了开发、设计、芯片制造、封装测试及支撑业和服务在内的完开发、设计、芯片制造、封装测试及支撑业和服务在内的完整的整的ICIC产业链。产业链。 京津环渤海湾地区的设计优势比较明显京津环渤海湾地区的设计优势比较明显, , 芯片制造也有一定芯片制造也有一定实力。珠江三角洲地区已经云集了二百多家实力。珠江三角洲地区已经云集了二百多家ICIC设计、设计、ICIC封装封装测试、测试、ICIC制造，整机制造和风险投资企业，显示了在市场杠制造，整机制造和风险投资企业，显示了在市场杠杆的调节下，已经初步形成了以深圳
25、为中心比较完整的杆的调节下，已经初步形成了以深圳为中心比较完整的ICIC产产业链，而这其中，深圳的业链，而这其中，深圳的ICIC设计公司更是因快速发展而倍受设计公司更是因快速发展而倍受瞩目。瞩目。 随着国家西部大开发战略的实施，西部将不断迎来新的发展随着国家西部大开发战略的实施，西部将不断迎来新的发展机遇。目前，国家七大设计基地之一的西安机遇。目前，国家七大设计基地之一的西安ICIC设计基地已初设计基地已初具规模，具规模，ICIC制造业也开始显露头脚。制造业也开始显露头脚。 我国集成电路市场继续成为全球最有活力我国集成电路市场继续成为全球最有活力和发展前景的市场区域，进而带动我国集和发展前景的
26、市场区域，进而带动我国集成电路产业快速发展。成电路产业快速发展。预计预计2015年我国集成电路产业销售收入达年我国集成电路产业销售收入达到到3300亿元亿元，年均增长，年均增长18%，满足国内近，满足国内近30%的市场需求。的市场需求。产业竞争力进一步增强，涌现出产业竞争力进一步增强，涌现出5-10家销家销售收入超过售收入超过20亿元亿元的设计企业，的设计企业，1-2家销售家销售收入超过收入超过200亿元亿元的芯片制造企业，的芯片制造企业，2-3家家销售收入超过销售收入超过70亿元亿元的封装测试企业。的封装测试企业。十五十五863863重大科技专项集成电路重大科技专项集成电路设计专项的指导思想
27、和战略目标设计专项的指导思想和战略目标体现国家意志，集聚一流人才，发挥后发优势，抢体现国家意志，集聚一流人才，发挥后发优势，抢抓国际抓国际ITIT产业结构重组的难得机遇，在国家重大科产业结构重组的难得机遇，在国家重大科技专项的旗帜下高起点地推进具有战略前瞻意义的技专项的旗帜下高起点地推进具有战略前瞻意义的超大规模集成电路设计技术及产业的自主创新与历超大规模集成电路设计技术及产业的自主创新与历史跨越；史跨越；探索拔尖人才成长与团队创新机制，探索自主知识探索拔尖人才成长与团队创新机制，探索自主知识产权核心芯片开发与产业化机制，探索国际接轨的产权核心芯片开发与产业化机制，探索国际接轨的集成电路设计企
28、业孵化与培育机制；集成电路设计企业孵化与培育机制；在在20102010年我国成为世界第二集成电路消费大国的同年我国成为世界第二集成电路消费大国的同时，成为名副其实的集成电路设计大国。时，成为名副其实的集成电路设计大国。863专项发展目标一批基地一批基地：国家级集成电路设计产业化基地：国家级集成电路设计产业化基地二大重点二大重点：系统芯片：系统芯片SoCSoC与微处理器与微处理器CPUCPU三个方向三个方向：信息安全、网络通信、信息家电：信息安全、网络通信、信息家电四项服务四项服务：MPWMPW、IPIP核联盟、核联盟、EDAEDA工具、工具、 国际合作国际合作五类成果五类成果：人才、标准、专利
29、、产品、企业：人才、标准、专利、产品、企业国家集成电路人才培养体系国家集成电路人才培养体系全国集成电路师资国际培训中心全国集成电路师资国际培训中心（教育部，科技部，外国专家局支持）（教育部，科技部，外国专家局支持）国家集成电路人才培养基地（国家集成电路人才培养基地（15所大学）所大学）（清华、北大、浙大、复旦、上海交大、西电、成电、东南、（清华、北大、浙大、复旦、上海交大、西电、成电、东南、华中工、哈工大、华南工、西交大、西北工、同济、北航）华中工、哈工大、华南工、西交大、西北工、同济、北航）国内有较强实力的理工科大学（国内有较强实力的理工科大学（35家）家）国家集成电路设计产业化基地与国家集
30、成电路设计产业化基地与国内大型企事业单位（在职教育、继续教育）国内大型企事业单位（在职教育、继续教育）半导体主流技术半导体主流技术1982 1987 1992 1997 200219971997年：年：半导体中半导体中ICIC占占87%87%ICIC中中Si-IC Si-IC 占占 98%98%Si-IC Si-IC 中中Si-MOS Si-MOS 占占87%87%100%80604020CMOSNMOSBip/AnalogBip/LogicBiCMOS5%86%GaAs=1%硅技术硅技术主流硅技术主流硅技术半导体技术半导体技术“路线图路线图”小就是美小就是美A=L22)2)性能上升性能上升
31、造价下降造价下降 1)1)功能提高功能提高 成本不成本不变变211 线条缩小线条缩小: :1 1）成本不变成本不变 集成的器件数量翻番集成的器件数量翻番2 2）造价下降造价下降 集成电路性能翻番集成电路性能翻番成本不变成本不变 功能提高功能提高造价下降造价下降 性能上升性能上升smaller feature and die sizelarger feature and die sizeDecreasing the feature size & die size while keeping the same functionality/complexity. smaller feature and die sizefffWWW*JVHitachi &Mitsubishi80s中中70sTSMC导致导致 十大厂商十大厂商 沧海桑田沧海桑田93-02：Jap 6 3家家,三星三星9 2位，位，H103：台湾入围：台湾入围Thank you for listening
