半导体器件物理_1孟庆巨PPT课件

半导体器件物理 参考书 微电子学概论 张兴 黄如 刘晓彦 北京大学出版社 2000 1 微电子概论 郝跃 贾新章 吴玉广 高等教育出版社 2003 6 半导体器件物理 孟庆巨 刘海波 孟庆辉 科学出版社 2005 半导体物理基础知识pn结及金属半导体接触集成电路制造工艺MOS场效应晶体管TFT及其制造技术 课程介绍 第一章绪论 什么是微电子技术 晶体管的发明和半导体器件的发展 集成电路的发展历史和现状 电子学 微电子学 什么是微电子学 100 m头发丝粗细 50 m 30 m 1 m 1 m 晶体管的大小 90年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细 皮肤细胞大小的比较 微电子 Microelectronics微电子技术 微型电子技术核心 集成电路 微电子学是研究在固体材料上构成微小型化电子线路 子系统及系统的电子学分支学科 是电子学最重要的组成部分 是计算机科学 信息科学 固态电子学 医用电子学等的发展基础 固体物理学大词典 微电子的特点 微电子学是信息领域的重要基础学科微电子学是电子学的一门分支学科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 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 微电子学以实现电路和系统的集成为目的 故实用性极强 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 例如微机电系统 MEMS 生物芯片等 微电子科学技术的战略地位 核心和基础 微电子 信息获取 信息处理 信息传输 交换 信息存储 信息的随动执行和应用 关键技术 微 纳 电子与光电子 软件 计算机和通信 基础 软件 微 纳 电子与光电子 信息技术的领域 信息显示 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 第一台通用电子计算机 ENIACElectronicNumericalIntegratorandCalculator1946年2月14日MooreSchool Univ ofPennsylvania18 000个电子管组成 大小 长24m 宽6m 高2 5m速度 5000次 sec 重量 30吨 功率 140KW 平均无故障运行时间 7min 1946年第一台计算机 ENIAC这样的计算机能够进入办公室 车间 连队和家庭 当时有的科学家认为全世界只要4台ENIAC 目前 全世界计算机不包括微机在内有几百万台 微机总量约6亿台 每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量 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 2020年世界最大的30个市场领域 其中与微电子相关的21个市场 5万亿美元 NikkeiBusiness1999 几个概念 微电子学 Microelectronics一门学科 一门研究集成电路设计 制造 测试 封装等全过程的学科 半导体 Semiconductor内涵及外延均与微电子类似 是早期的叫法 集成电路IC IntegratedCircuit 一类元器件的统称 该类器件广泛应用于电子信息产业 几乎所有的电子产品均由集成电路装配而成 芯片 chip没有封装的集成电路 但通常也与集成电路混用 作为集成电路的又一个名称 第一只晶体管什么时候发明的 A 1945B 1947C 1951D 1958 哪家公司发明的 A IBMB BellLabC TID Motorola 晶体管的发明 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 W Schokley J Bardeen W H Brattain Bardeen提出了表面态理论 Schokley给出了实现放大器的基本设想 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 transistor 晶体管的三位发明人 巴丁 肖克莱 布拉顿 NPNGe晶体管 成为现代电子工业的基础 获得1956年Nobel物理奖 1947年12月23日第一个晶体管NPNGe晶体管J Bardeen W Schokley W Brattain 1958年第一块集成电路 TI公司的Kilby 12个器件 Ge晶片 1962年Wanlass C T Sah CMOS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 基本模块M S结构PN结MOS结构异质结量子阱 据统计 半导体器件主要有67种 另外还有110多个相关的变种 所有这些器件都是由少数的基本模块构成 半导体器件及其发展 重要器件双极晶体管BJTHBT 异质结双极晶体管 高速器件 MOSFET长沟MOSFET短沟MOSFET 半导体器件的发展历程 萌芽期 1939年Schottky肖特基势垒 1870 1950 1907年H J Round 发光二极管LED 1949年Shockleypn结双极晶体管 BJT 1947年晶体管1956年诺贝尔奖 1874年F Buran半导体器件的第1项研究金属 半导体接触 1940 1930 半导体的光电导 光生伏特效应 整流效应 量子力学的发展以及半导体材料制备技术的成熟 成长期 1952年Ebers闸流管模型thyristor 1950 1960 1954年Chapin Fuller Pearson 硅太阳能电池 6 1957年Kroemer异质结双极晶体管HBT2000年诺贝尔奖 1958年Esaki隧道二极管1973年诺贝尔奖 1952年Schockley结型场效应晶体管JFET第1个半导体场效应器件 1963年Gunn渡越电子二极管 1960 1970 1962年Hall Nathan Quist半导体激光器 1967年Kahng Sze非挥发存储器 1960年Kahng Atalla增强型MOSFET 1966年MeadMESFET 1968年Dennard单晶体管DRAM 1962年Wanlass C T SahCMOS技术 1974年Chang Esaki Tsu共振隧道二极管 1970 1980 1971年Intel公司微处理器 1980年调制掺杂场效应晶体管MODFET 1970年Boyle SmithCCD器件 分水岭 1970年前发明的器件全部实现商业化 1984年共振隧穿双极晶体管RTBT 1980 1990 1985年共振隧穿热电子晶体管 1984年电荷注入晶体管CHINT 1990年单电子存储器SEM 1980年后出现了大量的异质结构器件和量子效应器件 纳米电子学器件 半导体器件的发展 CMOS器件成为主流技术 通过不断地缩小实现性能的优化 摩尔定律Moore sLaw 集成电路的特征尺寸每隔18个月缩小倍集成度每隔18个月增加一倍BJT主要用于高频领域新型器件层出不穷 MOS器件缩小的极限 MOS之后是什么器件 集成电路技术是近50年来发展最快的技术 按照此图比率下降 小汽车现在只有1 8cm长 价格只有1美分 什么是集成电路 集成电路 IntegratedCircuit 缩写IC 通过一系列特定的加工工艺 将晶体管 二极管等有源器件和电阻 电容等无源器件 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 硅单晶片与加工好的硅片 封装好的集成电路 集成电路芯片的显微照片 芯片制造过程 芯片剖面图 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 按器件结构类型分类 按集成电路规模分类 集成度 集成电路芯片中包含的逻辑门 元器件 数目 小规模集成电路 SmallScaleIC SSI 中规模集成电路 MediumScaleIC MSI 大规模集成电路 LargeScaleIC LSI 超大规模集成电路 VeryLargeScaleIC VLSI 甚 特 大规模集成电路 UltraLargeScaleIC ULSI 巨大规模集成电路 GiganticScaleIC GSI 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 薄膜集成电路如LCD液晶显示屏 按电路功能分类 数字集成电路 DigitalIC 它是指处理数字信号的集成电路 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 AnalogIC 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 数模混合集成电路 Digital AnalogIC 例如数模 D A 转换器和模数 A D 转换器等 集成电路的现状 不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力集成电路产业的现状 独立的设计公司 DesignHouse 独立的制造厂家 标准的Foundry 独立的封装厂家 Packaging 产业格局与产业结构 集成电路的生命力在于它可以大批量 低成本和高可靠地生产出来 集成电路芯片价格 101 102美元 生产线的投资 109美元 8 0 25微米 要想赢利 年产量 108块集成电路芯片是整机高附加值的倍增器 但不是最终产品 如果不能在整机和系统中应用 那它就没有价值和高附加值 每l 2元的集成电路产值可带动10元左右的电子工业产值 进而能大体带动100元的GDP增长 集成电路芯片生产厂大致上可分为三类 通用电路生产厂 典型 生产存储器和CPU 集成器件制造商 IDM IntegratedDeviceManufactoryCo 产品主要用于自己的整机和系统 标准工艺加工厂或称代客加工厂 即Foundry Foundry名词来源于加工厂的铸造车间 无自己产品 优良的加工技术 包括设计和制造 及优质的服务为客户提供加工服务 客户群初期多为没有生产线的设计公司 但是随着技术的发展 现在许多IDM公司也将相当多的业务交给Foundry加工 摩尔定律将于2016年左右失效 2030年后 半导体加工技术走向成熟 类似于现在汽车工业和航空工业的情况 诞生基于新原理的器件和电路 摩尔定律走向何方 集成电路的特点 完整性 执行特定电路或系统功能的完整单元 规格化 工艺标准 电压标准 封装标准 必须是流水线式大批量生产 成本低 发展迅速 特征尺寸不断缩小 集成度提高 速度提高 石器时代 35000年 铜器时代 1800年 铁器时代 3200年 硅器时代XX年 50004000300020001