物理学与新能源技术课件.ppt

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1、关于物理学与新能源技术1第1页，此课件共40页哦2一、引一、引言言微电子技术：微电子技术：微型电子电路技术微型电子电路技术微电子：微电子：微型的电子电路微型的电子电路实现某种特定功能的电子线路，集中实现某种特定功能的电子线路，集中制造在一块小小的半导体芯片上。制造在一块小小的半导体芯片上。把把由由若若干干个个晶体管晶体管电阻电阻电容等电容等器件组成器件组成半导体基片上第2页，此课件共40页哦3一、引一、引言言微电子技术是信息社会生活和工作的基础。微电子技术是信息社会生活和工作的基础。信息化的关键是计算机和通讯机，其基础都是微电子技术。信息化的关键是计算机和通讯机，其基础都是微电子技术。微电子技

2、术已经渗透到社会的各个领域，影响面极广，发展微电子技术已经渗透到社会的各个领域，影响面极广，发展微电子技术是当今高科技发展的关键问题。微电子技术是当今高科技发展的关键问题。微电子技术的核心是集成电路技术；集成电路的标志性产品是微电子技术的核心是集成电路技术；集成电路的标志性产品是CPU（即中央处理器）；（即中央处理器）；它广泛应用于人类社会的各个领域。如科技、经济、军事、金融、文它广泛应用于人类社会的各个领域。如科技、经济、军事、金融、文教乃至家庭生活。教乃至家庭生活。第3页，此课件共40页哦41、微电子技术应用、微电子技术应用微电子技术被广泛应用于社会的各个行业微电子技术被广泛应用于社会的各

3、个行业l微电子技术与计算机技术相辅相成，推动了信息技术微电子技术与计算机技术相辅相成，推动了信息技术的高速度发展的高速度发展l传统工业的行业改造和技术更新传统工业的行业改造和技术更新l使商业领域的传统账册产生了根本的变化使商业领域的传统账册产生了根本的变化l与其他技术的结合和渗透发展成新的技术与其他技术的结合和渗透发展成新的技术l现代化的军事与国防也离不开微电子技术现代化的军事与国防也离不开微电子技术l深刻地、广泛地影响着人们的生活深刻地、广泛地影响着人们的生活第4页，此课件共40页哦5微电子无处不在：微电子无处不在：微电子无处不在：微电子无处不在：公共汽车公共汽车公共汽车公共汽车IC卡、银行

4、储蓄卡和信用卡、小区智能卡、电卡、银行储蓄卡和信用卡、小区智能卡、电卡、银行储蓄卡和信用卡、小区智能卡、电卡、银行储蓄卡和信用卡、小区智能卡、电子手表、语言贺卡和玩具、电子琴、手机、洗衣机、电视机、子手表、语言贺卡和玩具、电子琴、手机、洗衣机、电视机、子手表、语言贺卡和玩具、电子琴、手机、洗衣机、电视机、子手表、语言贺卡和玩具、电子琴、手机、洗衣机、电视机、电话机等等日常生活用品中都有芯片（微电子）。电话机等等日常生活用品中都有芯片（微电子）。电话机等等日常生活用品中都有芯片（微电子）。电话机等等日常生活用品中都有芯片（微电子）。第5页，此课件共40页哦61948年年BELL实验室发明第一只晶

5、体管实验室发明第一只晶体管微电子技术微电子技术第一第一个里程碑个里程碑；1959年硅平面工艺的发展和集成电路的发明年硅平面工艺的发展和集成电路的发明微电子技术微电子技术第第二个里程碑二个里程碑；1971年微机的问世年微机的问世微电子技术微电子技术第三个里程碑第三个里程碑。2、微电子技术发展及现状、微电子技术发展及现状第6页，此课件共40页哦7人的头发人的头发100微米微米Intel803861.20微米工艺微米工艺33MHzIntel804860.80微米工艺微米工艺100MHzIntelPentium0.60微米工艺微米工艺200MHzIntelPII0.35微米工艺微米工艺500MHzIn

6、telPIII0.25微米工艺微米工艺800MHz最近已经达到最近已经达到0.13微米微米2GMHz目前集成电路制造商进军目前集成电路制造商进军0.1微米工艺微米工艺电子元器件和线路越来越小、细，集成度越来越高，芯片运行电子元器件和线路越来越小、细，集成度越来越高，芯片运行的速度越来越高快。的速度越来越高快。摩尔定律摩尔定律：集成度（容量）每：集成度（容量）每1、2、1.5年（年（65、97年、媒体）翻一年、媒体）翻一番，而价格保持不变甚至下降。番，而价格保持不变甚至下降。大规模芯片生产已达到大规模芯片生产已达到0.25微米工艺，0.06微米已应用于显示，目前最窄：32纳米。第7页，此课件共4

7、0页哦83、向微米工艺的极限挑战、向微米工艺的极限挑战目前，由目前，由目前，由目前，由IntelIntel为代表的多家公司正在开发为代表的多家公司正在开发为代表的多家公司正在开发为代表的多家公司正在开发“极端紫极端紫极端紫极端紫外外外外”光刻技术，光刻技术，光刻技术，光刻技术，用氙灯将波长降至用氙灯将波长降至用氙灯将波长降至用氙灯将波长降至0.010.01微米；微米；微米；微米；IBMIBM则致力则致力于于0.0050.005微米波长的微米波长的微米波长的微米波长的X射线光刻技术射线光刻技术射线光刻技术射线光刻技术研究工作。研究工作。研究工作。研究工作。光刻技术光刻技术l l大规模集成电路的集

8、成度是微电子技术的重要标志；大规模集成电路的集成度是微电子技术的重要标志；大规模集成电路的集成度是微电子技术的重要标志；大规模集成电路的集成度是微电子技术的重要标志；l l单晶片的尺寸已经从原来的单晶片的尺寸已经从原来的单晶片的尺寸已经从原来的单晶片的尺寸已经从原来的5 5英寸发展到了今天的英寸发展到了今天的英寸发展到了今天的英寸发展到了今天的8 8英寸、英寸、英寸、英寸、1212英寸。英寸。英寸。英寸。第8页，此课件共40页哦9l电子管电子管l晶体管晶体管l场效应管（厚膜）场效应管（厚膜）l薄膜晶体管薄膜晶体管二、二、基本元件结构基本元件结构第9页，此课件共40页哦10l电子管又称电子管又称

9、“真空管真空管”（VacuumTube）l电子管拥有三个最基本的极电子管拥有三个最基本的极阴极阴极(Cathode,K)：释放出电子流：释放出电子流屏极屏极(Plate，P)：吸引和收集阴极发射的电子：吸引和收集阴极发射的电子（集极）（集极）栅极栅极(Gird,G)：控制电子流的流量：控制电子流的流量l电子管的放大作用电子管的放大作用l直热式三极管灯丝（直热式三极管灯丝（Filament）的制作材料）的制作材料钨丝钨丝钍钨合金钍钨合金氧化硷土氧化硷土1 1电子管电子管第10页，此课件共40页哦11第11页，此课件共40页哦12第12页，此课件共40页哦132 2晶体管晶体管l半导体是制造晶体管

10、的基本材料半导体是制造晶体管的基本材料l本征半导体、自由电子和空穴本征半导体、自由电子和空穴l共价电子与共价电子与N型半导体型半导体、P型半导体型半导体lp-n结结l二极管和三极管极其工作原理二极管和三极管极其工作原理第13页，此课件共40页哦14第14页，此课件共40页哦15场效应管与晶体管的区别场效应管与晶体管的区别1.晶体管是晶体管是电流控制元件电流控制元件；场效应管是；场效应管是电压控制元件电压控制元件。2.晶体管参与导电的是晶体管参与导电的是电子电子空穴空穴，因此称其为双极型器件；，因此称其为双极型器件；场效应管是电压控制元件，参与导电的只有场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种

11、载流子一种载流子，因此称其为单级型器件。因此称其为单级型器件。3.晶体管的晶体管的输入电阻较低输入电阻较低，一般，一般102104；场效应管的场效应管的输入电阻高输入电阻高，可达，可达1091014 场效应管的分类场效应管的分类结型场效应管结型场效应管JFETMOS型场效应管型场效应管JFET3 3、场效应管、场效应管第15页，此课件共40页哦16 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管结构场效应管结构增强型增强型增强型增强型MOSMOSMOSMOS场效应管场效应管场效应管场效应管漏极漏极D集电极集电极C源极源极S发射极发射极E栅极栅极G基极基极B衬底衬底B电极电极金属金属绝缘层绝缘层

12、氧化物氧化物基体基体半导体半导体因此称之为因此称之为MOS管管Sect第16页，此课件共40页哦17 N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管结构场效应管结构耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型MOSMOSMOSMOS场效应管场效应管场效应管场效应管+耗尽型耗尽型MOS管存在管存在原始导电沟道原始导电沟道Sect第17页，此课件共40页哦18 结型结型场效应管（场效应管（JFET)JFET)结构结构P+P+NGSDN沟道结型场效应管沟道结型场效应管导电沟道导电沟道结型场效应管结型场效应管第18页，此课件共40页哦194、薄膜晶体管、薄膜晶体管(TFT)ATO=Al2O3/TiO2超晶格第19页，此课

13、件共40页哦20Ga-doped ZnO第20页，此课件共40页哦21第21页，此课件共40页哦22l“集成电路集成电路”(IntegratedCircuit，IC)把由若干个晶体管、电阻、电容等器件组成的、实现把由若干个晶体管、电阻、电容等器件组成的、实现某种特定功能的电子线路，集中制造在一块小小的半某种特定功能的电子线路，集中制造在一块小小的半导体芯片上导体芯片上l集成度发展神速集成度发展神速1962：几个、：几个、1965：近：近100个（个（IC）1967：1001000个（中规模个（中规模IC）1967-1973：100010000个（个（LSIC）1978：达：达10万万100万个

14、单元（万个单元（VLSIC）目前集成度已突破千万单元目前集成度已突破千万单元三、集成电路三、集成电路第22页，此课件共40页哦23100个晶体管以下的集成电路称为小规模集成电路个晶体管以下的集成电路称为小规模集成电路1001000个晶体管的集成电路称为中规模集成电路个晶体管的集成电路称为中规模集成电路1000个晶体管以上的集成电路称大规模集成电路个晶体管以上的集成电路称大规模集成电路10万个晶体管以上的集成电路称超大规模集成电路万个晶体管以上的集成电路称超大规模集成电路第23页，此课件共40页哦24第一代（以厘米为尺度的电子管）电子管计算机第一代（以厘米为尺度的电子管）电子管计算机（1946-

15、1957）第二代（以毫米为尺度的半导体）晶体管计算机第二代（以毫米为尺度的半导体）晶体管计算机（1959-1964）第三代小规模集成电路计算机（第三代小规模集成电路计算机（1964-1970）第四代大规模集成电路计算机（第四代大规模集成电路计算机（1970-）第24页，此课件共40页哦25第25页，此课件共40页哦26超大规模集成电路v Intel 386芯片1.2微米、几十万个晶体管v P40.09微米、4200万个晶体管第26页，此课件共40页哦27l集成电路中的基本元件结构 阴极 阳极 集电极 基极 发射极 源极 栅极 漏极 N P N P N+N+金属 N+P型衬底 P型衬底 P型衬底

16、 P型阱 PN结二极管 NPN晶体管 nMOS晶体管半导体材料和半导体集成电路半导体材料和半导体集成电路N+、P+，重掺杂，重掺杂第27页，此课件共40页哦28l双极集成电路工艺 砷 注 入SiO2 SiO2 p-Si 衬底 （a）埋层制备半导体集成电路工艺技术半导体集成电路工艺技术举例子举例子举例子举例子第28页，此课件共40页哦29l双极集成电路工艺 N外延层P衬底 N+埋层 (b)外延层制备半导体和半导体集成电路半导体和半导体集成电路第29页，此课件共40页哦30l双极集成电路工艺光致抗蚀剂钝化层N外延层 N+P （c）隔离区窗口制备半导体集成电路工艺技术半导体集成电路工艺技术第30页，

17、此课件共40页哦31l双极集成电路工艺 沟道隔断区硼离子注入 N N N+P (d)氧化物隔离区制备(1)半导体和半导体集成电路半导体和半导体集成电路第31页，此课件共40页哦32l双极集成电路工艺 N N SiO2 P+N+P+沟道隔断区 P (e)氧化物隔离区制备(2)半导体集成电路工艺技术半导体集成电路工艺技术第32页，此课件共40页哦33l双极集成电路工艺基区硼离子注入 光致抗蚀剂 N SiO2 P基区 P+N+埋层 (f)基区制备 半导体集成电路工艺技术半导体集成电路工艺技术第33页，此课件共40页哦34l双极集成电路工艺 光致抗蚀剂 SiO2 P+N+埋层 (g)基区引线孔制备 半

18、导体集成电路工艺技术半导体集成电路工艺技术第34页，此课件共40页哦35l双极集成电路工艺 砷离子注入发射区基区集电区埋层 N+集电区 (h)发射区制备半导体集成电路工艺技术半导体集成电路工艺技术第35页，此课件共40页哦36半导体集成电路工艺技术半导体集成电路工艺技术集成电路工艺技术主要包括集成电路工艺技术主要包括:1 1、原始硅片工艺、原始硅片工艺 硅单晶拉制到最终形成作为硅单晶拉制到最终形成作为ICIC衬底和有源区的硅片的一整套工艺技术。衬底和有源区的硅片的一整套工艺技术。2 2、掺杂工艺：、掺杂工艺：包括各种扩散掺杂和离子注入掺杂技术。包括各种扩散掺杂和离子注入掺杂技术。3、微细图形加

19、工工艺、微细图形加工工艺：包括图形的复印和刻蚀转移两个方面。包括图形的复印和刻蚀转移两个方面。4、介质薄膜工艺：、介质薄膜工艺：包括各种热生长技术和各种包括各种热生长技术和各种CVD技术。技术。5、金属薄膜工艺：包括真空蒸发技术、溅射技术和、金属薄膜工艺：包括真空蒸发技术、溅射技术和CVD技术。技术。第36页，此课件共40页哦37集成电路的设计和制作集成电路的设计和制作l设计和绘制电子线路图设计和绘制电子线路图l集成电路的线路图转绘成芯片布局图集成电路的线路图转绘成芯片布局图l分解成与制造工艺对应的各个分解成与制造工艺对应的各个层次层次的布局图的布局图l数字化成数字化成“掩膜（掩膜（Mask）

20、”图纸图纸l在半导体材料（例如硅晶片）上进行镀膜、光刻、酸洗、烧结在半导体材料（例如硅晶片）上进行镀膜、光刻、酸洗、烧结l芯片测试、切割、分档芯片测试、切割、分档、引脚焊接、封装、引脚焊接、封装第37页，此课件共40页哦38分分立立元元件件集成集成电路电路IC系系统统芯芯片片SystemOnAChip(简称简称SOC)四、集成电路走向系统芯片四、集成电路走向系统芯片 SOCSOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、芯片是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个芯片上结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个芯片上完成整个系统的功能完成整个系统的功能 SOCSOC与与ICIC组成的系统相比，由于组成的系统相比，由于SOCSOC能够综合并全盘考虑整个系统的能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，可以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标各种情况，可以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标第38页，此课件共40页哦39第39页，此课件共40页哦感谢大家观看第40页，此课件共40页哦