《微电子学概论》--B.ppt

1、1,微电子学概论 张 兴 北京大学微电子学研究所,2,参考书：微电子学概论,张兴/黄如/刘晓彦 北京大学出版社 2000年1月,3,本课程的目的,什么是微电子学和微电子学是研究什么的； 对微电子学的发展历史、现状和未来有一个比较清晰的认识； 初步掌握半导体物理、半导体器件物理、集成电路工艺、集成电路设计、集成电路CAD方法、MEMS技术等基本概念，对微电子学的整体有一个比较全面的认识。,4,主 要 内 容,微电子技术简介 半导体物理和器件物理基础 大规模集成电路基础 集成电路制造工艺 集成电路设计 集成电路设计的CAD系统 几类重要的特种微电子器件 微机电系统 微电子技术发展的规律和趋势,5,

2、绪 论,什么是微电子学 晶体管的发明 集成电路的发展历史 集成电路的分类 微电子学的特点,6,电 子 学,微电子学,7,微电子学：Microelectronics 微电子学微型电子学 核心集成电路,8,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,9,封装好的集成电路,10,集成电路,集成电路的内部电路,11,硅单晶片与加工好的硅片,12,集成电路芯片的显微照片,13,64M SDRAM （华虹NE

3、C生产） 芯片面积5.899.7=57mm2 ， 456pcs/w，1个IC中含有1.34亿只晶体管,14,集成电路的内部单元,15,沟道长度为0.15微米的晶体管,栅长为90纳米的栅图形照片,16,50m,100 m 头发丝粗细,30m,1m 1m (晶体管的大小),3050m (皮肤细胞的大小),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,17,集成电路设计与制造的主要流程框架,18,集成电路的设计过程： 设计创意 + 仿真验证,设计业,19,制造业,芯片制造过程,AA,20,封装好的集成电路,封装与测试业,21,微电子科学技术的战略地位,22,自然界和人类社会

4、的一切活动都在产生信息。信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，是人类社会、经济活动的重要资源。 社会的各个部分通过网络系统连接成一个整体，由高速大容量光线和通讯卫星群以光速和宽频带地传送信息，从而使社会信息化、网络化和数字化。,微电子：信息社会发展的基石,23,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：ENIAC,24,第一台通用电子计算机：ENIAC Electronic Numerical Integrator and Calculator 1946年2月14日 Moore School，Univ. of Pennsy

5、lvania 18,000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,25,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：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,26,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,27,集成电路的战略地位首先表现在当代国

6、民经济的“食物链”关系,进入信息化社会的判据：半导体产值占工农业总产值的0.5%,28,据美国半导体协会（SIA）预测,2012年,29,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 REI3RGDP,30,根据IMF RIC1.7REI REI3RGNP,31,世界GDP增长与世界集成电路产业增长情况比较（资料来源：ICE商业部）,抓住集成电路产业，就能促进GDP高速增长,32,1985-1990年间世界半导体商品

7、市场份额,日本公司,美国公司,39%,37.9%,51.4%,50%,人均IC产值年增长率 人均电子工业年增长率 人均GNP年增长率,日本美国 日本美国 日本美国,2.2%,1.1%,0.1%,80年代后期-90年代初美国采取了一系列增强微电子技术创新和集成电路产业发展的措施，重新夺回领先地位。90年代以来美国经济保持持续高速增长主要得益于信息产业的发展，而其基础是集成电路产业与技术创新。,两个例子,33,90年代日本经济萧条的同时，集成电路市场份额严重下降。,34,我国台湾地区,60年代后期人均GDP200-300美元 （1967年为267美元）,70-80年代大力发展集成电路产业,90年代

8、IT业高速发展,97年人均GDP=13559美元,35, 在信息经济时代，产品，以其信息含量的多少及处理信息能力的强弱，决定着附加值的高低决定着在国际经济分工中的地位,36,我国IT企业与Intel公司利润的比较,同样，TI公司的技术创新，数字信号处理器（DSP）使它的利润率比诺基亚高出10个百分点。,37,如果我们不发展集成电路产业 IT行业停留在装配业水平上，挣的“辛苦钱”。 在国际分工中我们将只能处于低附加值的低端上。 所以有人戏称说：“你们说中关村是硅谷，但是一个无“芯”的硅谷，产品不可能有竞争力。”在没有自己集成电路产业的情况下，我们的高新技术的发展命脉掌握在他人手中。 当前，微电子

9、产业的发展规模和科学技术水平已成为衡量一个国家综合实力的重要标志。,38,几乎所有的传统产业与微电子技术结合，用集成电路芯片进行智能改造，都可以使传统产业重新焕发青春 全国各行业的风机、水泵的总耗电量约占了全国发电量的30%，仅仅对风机、水泵采用变频调速等电子技术进行改造，每年即可节电500亿度以上，相当于三个葛洲坝电站的发电量(157亿度/年) 对白炽灯进行高效节能改造，并假设推广应用30%，所节省的电能相当于三座大亚弯核电站的发电量(139亿度/年),微电子对传统产业的渗透与带动作用,39,电子装备更新换代都基于微电子技术的进步，其灵巧（Smart）的程度都依赖于集成电路芯片的“智慧”程度

10、和使用程度,微电子对传统产业的渗透与带动作用,40,没有微电子的电子工业只能是劳动密集型的组装业，不能形成高附加值的知识经济，中国的硅谷将是无芯的硅谷,41,微电子对国家安全与国防建设的作用,武器装备水平与社会生产力、经济基础有密切关系 在农业社会：大刀长矛等冷兵器； 在工业化社会：枪、炮等热兵器 信息化社会： IC成为武器的一个组成元，电子战、信息战,42,微电子对国家安全与国防建设的作用,43,微电子对信息社会的重要性,INTERNET基础设施 各种各样的网络：电缆、光纤(光电子)、无线 . 路由和交换技术：路由器、交换机、防火墙、网关 . 终端设备：PC、NetPC、WebTV . 网络

11、基础软件：TCP/IP、DNS、LDAP、DCE . INTERNET服务 信息服务: 极其大量的各种信息 交易服务: 高可靠、高保密 . 计算服务: “网络就是计算机 !”, “计算机成了网络的外部设备 !”,44,2020年世界最大的30个市场领域：其中与 微电子相关的22个市场：5万亿美元（Nikkei Business 1999）,微电子产业的战略重要性,45,微电子科学技术的发展历史,46,晶体管的发明,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,47,晶体管的发明,1946年

12、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,48,1947年12月23日 第一个晶体管 NPN Ge晶体管 W. Schokley J. Bardeen W. Brattain,获得1956年Nobel物理奖,49,晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿,50,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

13、的设想 1958年以德克萨斯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,51,1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片,获得2000年Nobel物理奖,52,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DRAM 1971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

14、。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,53,第一个CPU：4004,54,Pentium III CPU芯片,55,不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力 集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小 倍，这就是摩尔定律,微电子发展的规律,56,基于市场竞争，不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力。在新技术的推动下，集成电路自发明以来四十年，集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小 倍。这就是由Intel公司创始人之一Gordon E. Moore博士1965年总结的规律，被称为摩尔定律。,微电子技术发展的ROADMAP,57,微处理器的性能,100 G 10 G Giga 100 M 10 M Mega Kilo,1970 1980 1990 2000 2010,导入期,MooresLaw,成熟期,58,集成电路技术是近50年来发展最快的技术 微电子技术的进步,按此比率下降，小汽车价格不到1美分,From S.M.SZE,59,结束语,60,结束语,5000 4000 3000 2000 1000 0 1000 2000 3000 4000,石器时代 35000年,铜器时代 1800年,铁器时代 3200年,