微电子学概论课件22091.pptx
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1、Part 112微电子学:Microelectronics微电子学微型电子学核心集成电路物理电子学物理电子学:在以前主要是学习电子在真空中的运动规律及其器件,在以前主要是学习电子在真空中的运动规律及其器件,现在内容扩展了,还包括微波方面的内容。现在内容扩展了,还包括微波方面的内容。微电子学微电子学:主要是学习半导体器件和集成电路的设计、制造、应用。主要是学习半导体器件和集成电路的设计、制造、应用。固体电子学固体电子学:主要是学习电子材料方面的研制、应用。主要是学习电子材料方面的研制、应用。3集成电路:Integrated Circuit,缩写IC通过一系列特定的加工工艺,将晶体管、二极管等有源
2、器件和电阻、电容等无源器件,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,封装在一个外壳内,执行特定电路或系统功能4集成电路设计与制造的主要流程框架设计设计芯片检测芯片检测单晶、外单晶、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制造芯片制造过程过程封装封装测试测试系统需求系统需求5微电子科学技术的战略地位6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:ENIAC7第一台通用电第一台通用电子计算机:子计算机:ENIAC Electronic Numerical Integrator and Calculator1946年年2月月
3、14日日Moore School,Univ.of Pennsylvania18,000个电子个电子管组成管组成大小:长大小:长24m,宽,宽6m,高,高2.5m速度:速度:5000次次/sec;重量:;重量:30吨;吨;功率:功率:140KW;平均无故障运行时间:;平均无故障运行时间:7min8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9其次,统计数据表明,发达国家在发展过程中都有一条规律集成电路(IC)产值的增长率(RIC)高于电子工业产值的增长率(REI)电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率(RGDP)一般有一个近似的关系 RIC1.52REI REI3RGDP10晶体管的发明
4、理论推动19世纪末20世纪初发现半导体的三个重要物理效应光电导效应光生伏特效应整流效应量子力学材料科学需求牵引:二战期间雷达等武器的需求111947年年12月月23日日第一个晶体管第一个晶体管NPN Ge晶体管晶体管 W.Schokley J.Bardeen W.Brattain获得获得1956年年Nobel物理物理奖奖12晶体管的三位发明人:巴丁、肖克莱、布拉顿晶体管的三位发明人:巴丁、肖克莱、布拉顿晶体管的三位发明人:巴丁、肖克莱、布拉顿晶体管的三位发明人:巴丁、肖克莱、布拉顿13集成电路的发明1952年5月,英国科学家G.W.A.Dummer第一次提出了集成电路的设想1958年以德克萨斯
5、仪器公司的科学家基尔比(Clair Kilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路,并于1959年公布了该结果141958年第一块集成电路:年第一块集成电路:TI公司的公司的Kilby,12个器件,个器件,Ge晶片晶片获得获得2000年年Nobel物理奖物理奖15微电子发展史上的几个里程碑1962年Wanlass、C.T.SahCMOS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DRAM1971年Intel公司微处理器计算机的心脏目前全世界微机总量约6亿台,在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
6、欧特泰克公司认为:微处理器、宽频道连接和智能软件将是21世纪改变人类社会和经济的三大技术创新16?不不断断提提高高产产品品的的性性能能价价格格比比是微电子技术发展的动力是微电子技术发展的动力?集集成成电电路路芯芯片片的的集集成成度度每每三三年年提提高高4倍倍,而而加加工工特特征征尺尺寸寸缩缩小小 倍倍,这这就就是是摩摩尔定律尔定律微电子发展的规律微电子发展的规律17Part 218我国微电子学的历史1955年5所学校在北大联合创建半导体专业北京大学、南京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学教师:黄昆、谢稀德、高鼎三、林兰英学生:王阳元、许居衍、陈星弼1977年在北京大学诞生第一块大规模集成电路1
7、9我国微电子学的历史1982年,成立电子计算机和大规模集成电路领导小组主任:万里80年代:初步形成三业分离的状态制造业设计业封装业20Part 321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22集成电路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双极集成电路:主要由双极晶体管构成NPNNPN型双极集成电路型双极集成电路PNPPNP型双极集成电路型双极集成电路金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体(MOS)(MOS)集成电路:主要由集成电路:主要由MOSMOS晶体管晶体管(单极晶体管单极晶体管)构成构成NMOSNMOSPMOSPMOSCMOS(互补M
8、OS)双极双极-MOS(BiMOS)-MOS(BiMOS)集成电路:同时包括双极和集成电路:同时包括双极和MOSMOS晶体管的集成电路为晶体管的集成电路为BiMOSBiMOS集成电路,综集成电路,综合了双极和合了双极和MOSMOS器件两者的优点,但制作工艺器件两者的优点,但制作工艺复杂复杂优点是速度高、驱动能力强,优点是速度高、驱动能力强,优点是速度高、驱动能力强,优点是速度高、驱动能力强,缺点是功耗较大、集成度较低缺点是功耗较大、集成度较低缺点是功耗较大、集成度较低缺点是功耗较大、集成度较低功耗低、集成度高,随着特征功耗低、集成度高,随着特征功耗低、集成度高,随着特征功耗低、集成度高,随着特
9、征尺寸的缩小,速度也可以很高尺寸的缩小,速度也可以很高尺寸的缩小,速度也可以很高尺寸的缩小,速度也可以很高23集成电路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小规模集成电路(Small Scale IC(Small Scale IC,SSI)SSI)中规模集成电路中规模集成电路(Medium Scale IC(Medium Scale IC,MSI)MSI)大规模集成电路大规模集成电路(Large Scale IC(Large Scale IC,LSI)LSI)超大规模集成电路超大规模集成电路(Very Large S
10、cale IC(Very Large Scale IC,VLSI)VLSI)特大规模集成电路特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC(Ultra Large Scale IC,ULSI)ULSI)巨大规模集成电路巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC(Gigantic Scale IC,GSIGSI)24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等混合集成电路:厚膜集成电路薄膜集成电路25按电路功能分类数字集成电路(Digital IC):它是指处理数字
11、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26集集成成电电路路的的分分类类27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。
12、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28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、热力学与统计物涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科微电子学是一门发展极为迅速的学科,高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向微电子学的渗透性极强,它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的交叉学科,例如微机电
13、系统(MEMS)、生物芯片等Part 4固体材料:超导体固体材料:超导体:大于大于106(cm)-1 导导 体体:106104(cm)-1 半导体半导体:10410-10(cm)-1 绝缘体绝缘体:小于小于10-10(cm)-1?什么是半导体?什么是半导体从导电特性和从导电特性和机制来分:机制来分:不同电阻特性不同电阻特性不同输运机制不同输运机制2.半导体中的半导体中的载流子载流子:能够导电的自由粒子:能够导电的自由粒子本征半导体:本征半导体:n=p=ni电子电子:Electron,带负电的导电载流,带负电的导电载流子,是价电子脱离原子束缚子,是价电子脱离原子束缚 后后形成的自由电子,对应于导
14、带形成的自由电子,对应于导带中占据的电子中占据的电子空穴空穴:Hole,带正电的导电载流子,带正电的导电载流子,是价电子脱离原子束缚是价电子脱离原子束缚 后形成后形成的电子空位,对应于价带中的的电子空位,对应于价带中的电子空位电子空位价带:价带:0K条件下被电子填充的能量最高的能带条件下被电子填充的能量最高的能带导带:导带:0K条件下未被电子填充的能量最低的能带条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带:禁带:导带底与价带顶之间能带导带底与价带顶之间能带带隙:导带底与价带顶之间的能量差带隙:导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构半导体的能带结构导导导导 带带带带价价价价 带带带带E E E E
15、g g g g半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子,但与真空中的自由粒子不同,考半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子,但与真空中的自由粒子不同,考虑了晶格作用后的等效粒子虑了晶格作用后的等效粒子有效质量可正、可负,取决于与晶格的作用有效质量可正、可负,取决于与晶格的作用电子和空穴的电子和空穴的有效质量有效质量m*m*施主和受主浓度施主和受主浓度:ND、NA施主:施主:Donor,掺入半导体的杂质原子向半导体中,掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子,并成为带正电的离子。如提供导电的电子,并成为带正电的离子。如 Si中中掺掺的的P 和和As 受主:受主:Acceptor,掺入半导体的
16、杂质原子向半导体中,掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴,并成为带负电的离子。如提供导电的空穴,并成为带负电的离子。如 Si中掺的中掺的B本征载流子浓度:本征载流子浓度:n=p=ni np=ni2ni与禁带宽度和温度有关与禁带宽度和温度有关5.本征载流子本征载流子本征半导体:没有掺杂的半导体本征半导体:没有掺杂的半导体本征载流子:本征半导体中的载流子本征载流子:本征半导体中的载流子载流子浓度载流子浓度 电电 子子 浓浓 度度 n,空空 穴穴 浓浓 度度 p多子:多数载流子多子:多数载流子n型半导体:电子型半导体:电子p型半导体:空穴型半导体:空穴少子:少数载流子少子:少数载流子n型半
17、导体:空穴型半导体:空穴p型半导体:电子型半导体:电子8.过剩载流子过剩载流子 由于受外界因素如光、电的作用,半导由于受外界因素如光、电的作用,半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布,称这体中载流子的分布偏离了平衡态分布,称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子公式公式不成立不成立载流子的产生和复合:电子和空穴增加和消载流子的产生和复合:电子和空穴增加和消失的过程失的过程电子空穴对:电子和空穴成对产生或复合电子空穴对:电子和空穴成对产生或复合影响迁移率的因素:影响迁移率的因素:有效质量有效质量平均弛豫时间(散射平均弛豫时间(散射体现在:温度和体现在:温度和掺杂浓度
18、掺杂浓度半导体中载流子的散射机制:半导体中载流子的散射机制:晶格散射(晶格散射(热热 运运 动动 引引 起)起)电离杂质散射电离杂质散射Part 5半导体物理学半导体物理学微电子学研究领域微电子学研究领域半导体器件物理半导体器件物理集成电路工艺集成电路工艺集成电路设计和测试集成电路设计和测试微电子学发展的特点微电子学发展的特点向高集成度、低功耗、向高集成度、低功耗、高性能高可靠性电路方高性能高可靠性电路方向发展向发展与其它学科互相渗透,与其它学科互相渗透,形成新的学科领域:形成新的学科领域:光电集成、光电集成、MEMS、生生物芯片物芯片半导体概要半导体概要固体材料分成:固体材料分成:超导体、导
19、体、半导体、绝缘体超导体、导体、半导体、绝缘体什么是半导体?什么是半导体?半导体及其基本特性半导体及其基本特性晶体结构晶体结构单胞单胞对于任何给定的晶体,可以用来形成其晶体结构的对于任何给定的晶体,可以用来形成其晶体结构的最小单元最小单元注:注:(a)单胞无需是唯一的)单胞无需是唯一的(b)单胞无需是基本的)单胞无需是基本的晶体结构晶体结构三维立方单胞三维立方单胞 简立方、简立方、体心立方、体心立方、面面立方立方固体材料分成:固体材料分成:超导体、导体、半导体、绝缘体超导体、导体、半导体、绝缘体固体材料的能带图固体材料的能带图半导体的能带半导体的能带本征激发本征激发 有效质量的意义有效质量的意
20、义自由电子只受外力作用;半导体中的电子自由电子只受外力作用;半导体中的电子不仅受到外力的作用,同时还受半导体内不仅受到外力的作用,同时还受半导体内部势场的作用部势场的作用意义:有效质量概括了半导体内部势场的意义:有效质量概括了半导体内部势场的作用,使得研究半导体中电子的运动规律作用,使得研究半导体中电子的运动规律时更为简便(有效质量可由试验测定)时更为简便(有效质量可由试验测定)与理想情况的偏离与理想情况的偏离晶格原子是振动的晶格原子是振动的材料含杂质材料含杂质晶格中存在缺陷晶格中存在缺陷点缺陷(空位、间隙原子)点缺陷(空位、间隙原子)线缺陷(位错)线缺陷(位错)面缺陷(层错)面缺陷(层错)间
21、隙式杂质、替位式杂质间隙式杂质、替位式杂质杂质原子位于晶格原子间的间隙位置,杂质原子位于晶格原子间的间隙位置,该杂质称为间隙式杂质。该杂质称为间隙式杂质。间隙式杂质原子一般比较小,如间隙式杂质原子一般比较小,如Si、Ge、GaAs材料中的离子锂(材料中的离子锂(0.068nm)。)。杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处,杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处,该杂质称为替位式杂质。该杂质称为替位式杂质。替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构要求与被取代的晶格原子相近。如要求与被取代的晶格原子相近。如、族元素在族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质。晶体中都为替位式杂
22、质。间隙式杂质、替位式杂质间隙式杂质、替位式杂质单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度施主施主:掺入在半导体中的杂质原子,能够向半导体中提供导电的电子,:掺入在半导体中的杂质原子,能够向半导体中提供导电的电子,并成为带正电的离子。如并成为带正电的离子。如SiSi中的中的P P 和和As As N型半导体型半导体As半导体的掺杂半导体的掺杂施主能级施主能级受主受主:掺入在半导体中的杂质原子,能够向半导体中提供导电的空穴,:掺入在半导体中的杂质原子,能够向半导体中提供导电的空穴,并成为带负电的离子。如并成为带负电的离子。如SiSi中的中的B BP型半导体型半导体B半导
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