《微電子學(xué)概論》--B.ppt

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1、1,微電子學(xué)概論 張 興 北京大學(xué)微電子學(xué)研究所,2,參考書(shū)：微電子學(xué)概論,張興/黃如/劉曉彥 北京大學(xué)出版社 2000年1月,3,本課程的目的,什么是微電子學(xué)和微電子學(xué)是研究什么的； 對(duì)微電子學(xué)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和未來(lái)有一個(gè)比較清晰的認(rèn)識(shí)； 初步掌握半導(dǎo)體物理、半導(dǎo)體器件物理、集成電路工藝、集成電路設(shè)計(jì)、集成電路CAD方法、MEMS技術(shù)等基本概念，對(duì)微電子學(xué)的整體有一個(gè)比較全面的認(rèn)識(shí)。,4,主 要 內(nèi) 容,微電子技術(shù)簡(jiǎn)介 半導(dǎo)體物理和器件物理基礎(chǔ) 大規(guī)模集成電路基礎(chǔ) 集成電路制造工藝 集成電路設(shè)計(jì) 集成電路設(shè)計(jì)的CAD系統(tǒng) 幾類重要的特種微電子器件 微機(jī)電系統(tǒng) 微電子技術(shù)發(fā)展的規(guī)律和趨勢(shì),5

2、,緒 論,什么是微電子學(xué) 晶體管的發(fā)明 集成電路的發(fā)展歷史 集成電路的分類 微電子學(xué)的特點(diǎn),6,電 子 學(xué),,微電子學(xué),7,微電子學(xué)：Microelectronics 微電子學(xué)微型電子學(xué) 核心集成電路,8,集成電路： Integrated Circuit，縮寫(xiě)IC 通過(guò)一系列特定的加工工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無(wú)源器件，按照一定的電路互連，“集成”在一塊半導(dǎo)體單晶片（如硅或砷化鎵）上，封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能,9,封裝好的集成電路,10,集成電路,集成電路的內(nèi)部電路,11,硅單晶片與加工好的硅片,12,集成電路芯片的顯微照片,13,64M SDRAM （華

3、虹NEC生產(chǎn)） 芯片面積5.899.7=57mm2 ， 456pcs/w，1個(gè)IC中含有1.34億只晶體管,14,集成電路的內(nèi)部單元,15,溝道長(zhǎng)度為0.15微米的晶體管,柵長(zhǎng)為90納米的柵圖形照片,16,50m,100 m 頭發(fā)絲粗細(xì),30m,,1m 1m (晶體管的大小),3050m (皮膚細(xì)胞的大小),90年代生產(chǎn)的集成電路中晶體管大小與人類頭發(fā)絲粗細(xì)、皮膚細(xì)胞大小的比較,17,集成電路設(shè)計(jì)與制造的主要流程框架,18,集成電路的設(shè)計(jì)過(guò)程： 設(shè)計(jì)創(chuàng)意 + 仿真驗(yàn)證,設(shè)計(jì)業(yè),19,,制造業(yè),芯片制造過(guò)程,AA,20,封裝好的集成電路,封裝與測(cè)試業(yè),21,微電子科學(xué)技術(shù)的戰(zhàn)略地位,22,自

4、然界和人類社會(huì)的一切活動(dòng)都在產(chǎn)生信息。信息是客觀事物狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)特征的一種普遍形式，是人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的重要資源。 社會(huì)的各個(gè)部分通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接成一個(gè)整體，由高速大容量光線和通訊衛(wèi)星群以光速和寬頻帶地傳送信息，從而使社會(huì)信息化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化。,微電子：信息社會(huì)發(fā)展的基石,23,實(shí)現(xiàn)社會(huì)信息化的網(wǎng)絡(luò)及其關(guān)鍵部件不管是各種計(jì)算機(jī)和/或通訊機(jī)，它們的基礎(chǔ)都是微電子 1946年第一臺(tái)計(jì)算機(jī)：ENIAC,24,第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī)：ENIAC Electronic Numerical Integrator and Calculator 1946年2月14日 Moore School，Univ. of

5、 Pennsylvania 18,000個(gè)電子管組成,大?。洪L(zhǎng)24m，寬6m，高2.5m 速度：5000次/sec；重量：30噸； 功率：140KW；平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間：7min,,,25,實(shí)現(xiàn)社會(huì)信息化的網(wǎng)絡(luò)及其關(guān)鍵部件不管是各種計(jì)算機(jī)和/或通訊機(jī)，它們的基礎(chǔ)都是微電子 1946年第一臺(tái)計(jì)算機(jī)：ENIAC,這樣的計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)入辦公室、車間、連隊(duì)和家庭？當(dāng)時(shí)有的科學(xué)家認(rèn)為全世界只要4臺(tái)ENIAC 目前，全世界計(jì)算機(jī)不包括微機(jī)在內(nèi)有幾百萬(wàn)臺(tái)，微機(jī)總量約6億臺(tái)，每年由計(jì)算機(jī)完成的工作量超過(guò)4000億人年工作量,26,集成電路的作用,小型化 價(jià)格急劇下降 功耗降低 故障率降低,27,集成電路的戰(zhàn)略地

6、位首先表現(xiàn)在當(dāng)代國(guó)民經(jīng)濟(jì)的“食物鏈”關(guān)系,進(jìn)入信息化社會(huì)的判據(jù)：半導(dǎo)體產(chǎn)值占工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的0.5%,28,據(jù)美國(guó)半導(dǎo)體協(xié)會(huì)（SIA）預(yù)測(cè),2012年,29,,其次，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，發(fā)達(dá)國(guó)家在發(fā)展過(guò)程中都有一條規(guī)律 集成電路（IC）產(chǎn)值的增長(zhǎng)率（RIC）高于電子工業(yè)產(chǎn)值的增長(zhǎng)率（REI） 電子工業(yè)產(chǎn)值的增長(zhǎng)率又高于GDP的增長(zhǎng)率（RGDP） 一般有一個(gè)近似的關(guān)系 RIC1.52REI REI3RGDP,30,根據(jù)IMF RIC1.7REI REI3RGNP,31,世界GDP增長(zhǎng)與世界集成電路產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)情況比較（資料來(lái)源：ICE商業(yè)部）,,,抓住集成電路產(chǎn)業(yè)，就能促進(jìn)GDP高速增長(zhǎng),32,,,,198

7、5-1990年間世界半導(dǎo)體商品市場(chǎng)份額,日本公司,美國(guó)公司,39%,37.9%,51.4%,50%,,,人均IC產(chǎn)值年增長(zhǎng)率 人均電子工業(yè)年增長(zhǎng)率 人均GNP年增長(zhǎng)率,日本美國(guó) 日本美國(guó) 日本美國(guó),2.2%,1.1%,0.1%,80年代后期-90年代初美國(guó)采取了一系列增強(qiáng)微電子技術(shù)創(chuàng)新和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的措施，重新奪回領(lǐng)先地位。90年代以來(lái)美國(guó)經(jīng)濟(jì)保持持續(xù)高速增長(zhǎng)主要得益于信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而其基礎(chǔ)是集成電路產(chǎn)業(yè)與技術(shù)創(chuàng)新。,兩個(gè)例子,33,90年代日本經(jīng)濟(jì)蕭條的同時(shí)，集成電路市場(chǎng)份額嚴(yán)重下降。,34,我國(guó)臺(tái)灣地區(qū),60年代后期人均GDP

8、200-300美元 （1967年為267美元）,70-80年代大力發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè),90年代IT業(yè)高速發(fā)展,97年人均GDP=13559美元,,,,35, 在信息經(jīng)濟(jì)時(shí)代，產(chǎn)品，以其信息含量的多少及處理信息能力的強(qiáng)弱，決定著附加值的高低決定著在國(guó)際經(jīng)濟(jì)分工中的地位,36,我國(guó)IT企業(yè)與Intel公司利潤(rùn)的比較,同樣，TI公司的技術(shù)創(chuàng)新，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）使它的利潤(rùn)率比諾基亞高出10個(gè)百分點(diǎn)。,37,如果我們不發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè) IT行業(yè)停留在裝配業(yè)水平上，掙的“辛苦錢”。 在國(guó)際分工中我們將只能處于低附加值的低端上。 所以有人戲稱說(shuō)：“你們說(shuō)中關(guān)村是硅谷，但是一個(gè)無(wú)“芯”的硅谷，產(chǎn)品不可能

9、有競(jìng)爭(zhēng)力?！痹跊](méi)有自己集成電路產(chǎn)業(yè)的情況下，我們的高新技術(shù)的發(fā)展命脈掌握在他人手中。 當(dāng)前，微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)模和科學(xué)技術(shù)水平已成為衡量一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。,38,幾乎所有的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與微電子技術(shù)結(jié)合，用集成電路芯片進(jìn)行智能改造，都可以使傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)重新煥發(fā)青春 全國(guó)各行業(yè)的風(fēng)機(jī)、水泵的總耗電量約占了全國(guó)發(fā)電量的30%，僅僅對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵采用變頻調(diào)速等電子技術(shù)進(jìn)行改造，每年即可節(jié)電500億度以上，相當(dāng)于三個(gè)葛洲壩電站的發(fā)電量(157億度/年) 對(duì)白熾燈進(jìn)行高效節(jié)能改造，并假設(shè)推廣應(yīng)用30%，所節(jié)省的電能相當(dāng)于三座大亞彎核電站的發(fā)電量(139億度/年),微電子對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的滲透與帶動(dòng)作用,39,電

10、子裝備更新?lián)Q代都基于微電子技術(shù)的進(jìn)步，其靈巧（Smart）的程度都依賴于集成電路芯片的“智慧”程度和使用程度,微電子對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的滲透與帶動(dòng)作用,40,,沒(méi)有微電子的電子工業(yè)只能是勞動(dòng)密集型的組裝業(yè)，不能形成高附加值的知識(shí)經(jīng)濟(jì)，中國(guó)的硅谷將是無(wú)芯的硅谷,41,微電子對(duì)國(guó)家安全與國(guó)防建設(shè)的作用,武器裝備水平與社會(huì)生產(chǎn)力、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)有密切關(guān)系 在農(nóng)業(yè)社會(huì)：大刀長(zhǎng)矛等冷兵器； 在工業(yè)化社會(huì)：槍、炮等熱兵器 信息化社會(huì)： IC成為武器的一個(gè)組成元，電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn),42,微電子對(duì)國(guó)家安全與國(guó)防建設(shè)的作用,43,微電子對(duì)信息社會(huì)的重要性,INTERNET基礎(chǔ)設(shè)施 各種各樣的網(wǎng)絡(luò)：電纜、光纖(光電子)、無(wú)線 .

11、.. 路由和交換技術(shù)：路由器、交換機(jī)、防火墻、網(wǎng)關(guān) ... 終端設(shè)備：PC、NetPC、WebTV ... 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)軟件：TCP/IP、DNS、LDAP、DCE ... INTERNET服務(wù) 信息服務(wù): 極其大量的各種信息 交易服務(wù): 高可靠、高保密 ... 計(jì)算服務(wù): “網(wǎng)絡(luò)就是計(jì)算機(jī) !”, “計(jì)算機(jī)成了網(wǎng)絡(luò)的外部設(shè)備 !”,44,2020年世界最大的30個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域：其中與 微電子相關(guān)的22個(gè)市場(chǎng)：5萬(wàn)億美元（Nikkei Business 1999）,微電子產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略重要性,45,微電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展歷史,46,晶體管的發(fā)明,理論推動(dòng) 19世紀(jì)末20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的三個(gè)重要物理效應(yīng) 光

12、電導(dǎo)效應(yīng) 光生伏特效應(yīng) 整流效應(yīng) 量子力學(xué) 材料科學(xué) 需求牽引：二戰(zhàn)期間雷達(dá)等武器的需求,47,晶體管的發(fā)明,1946年1月，Bell實(shí)驗(yàn)室正式成立半導(dǎo)體研究小組, W. Schokley，J. Bardeen、W. H. Brattain Bardeen提出了表面態(tài)理論， Schokley給出了實(shí)現(xiàn)放大器的基本設(shè)想，Brattain設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn) 1947年12月23日，第一次觀測(cè)到了具有放大作用的晶體管,48,1947年12月23日 第一個(gè)晶體管 NPN Ge晶體管 W. Schokley J. Bardeen W. Brattain,獲得1956年Nobel物理獎(jiǎng),49,晶體管的三位發(fā)明人：

13、巴丁、肖克萊、布拉頓,50,集成電路的發(fā)明,1952年5月，英國(guó)科學(xué)家G. W. A. Dummer第一次提出了集成電路的設(shè)想 1958年以德克薩斯儀器公司的科學(xué)家基爾比(Clair Kilby)為首的研究小組研制出了世界上第一塊集成電路，并于1959年公布了該結(jié)果,51,1958年第一塊集成電路：TI公司的Kilby，12個(gè)器件，Ge晶片,獲得2000年Nobel物理獎(jiǎng),52,微電子發(fā)展史上的幾個(gè)里程碑,1962年Wanlass、C. T. SahCMOS技術(shù) 現(xiàn)在集成電路產(chǎn)業(yè)中占95%以上 1967年Kahng、S. Sze 非揮發(fā)存儲(chǔ)器 1968年Dennard單晶體管DRAM 19

14、71年Intel公司微處理器計(jì)算機(jī)的心臟 目前全世界微機(jī)總量約6億臺(tái)，在美國(guó)每年由計(jì)算機(jī)完成的工作量超過(guò)4000億人年工作量。美國(guó)歐特泰克公司認(rèn)為：微處理器、寬頻道連接和智能軟件將是21世紀(jì)改變?nèi)祟惿鐣?huì)和經(jīng)濟(jì)的三大技術(shù)創(chuàng)新,53,第一個(gè)CPU：4004,54,Pentium III CPU芯片,55,不斷提高產(chǎn)品的性能價(jià)格比是微電子技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力 集成電路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸縮小 倍，這就是摩爾定律,微電子發(fā)展的規(guī)律,56,基于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，不斷提高產(chǎn)品的性能價(jià)格比是微電子技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力。在新技術(shù)的推動(dòng)下，集成電路自發(fā)明以來(lái)四十年，集成電路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工

15、特征尺寸縮小 倍。這就是由Intel公司創(chuàng)始人之一Gordon E. Moore博士1965年總結(jié)的規(guī)律，被稱為摩爾定律。,微電子技術(shù)發(fā)展的ROADMAP,57,微處理器的性能,100 G 10 G Giga 100 M 10 M Mega Kilo,1970 1980 1990 2000 2010,,導(dǎo)入期,,MooresLaw,成熟期,58,集成電路技術(shù)是近50年來(lái)發(fā)展最快的技術(shù) 微電子技術(shù)的進(jìn)步,按此比率下降，小汽車價(jià)格不到1美分,From S.M.SZE,59,結(jié)束語(yǔ),60,結(jié)束語(yǔ),,,,,,,,5000 4000 3000 2000 1000 0 1000 2000 3000 4000,,,石器時(shí)代 35000年,銅器時(shí)代 1800年,鐵器時(shí)代 3200年,硅器時(shí)代 XX 年？,,,3000BC 1200BC 1968,,61,62,結(jié)束語(yǔ),2000年：以集成電路為基礎(chǔ)的電子信息產(chǎn)業(yè)成為世界第一大產(chǎn)業(yè) 硅是地球上除氧以外含量最豐富的元素，但它現(xiàn)在已經(jīng)成為知識(shí)創(chuàng)新的載體，價(jià)值千金。這是典型的“點(diǎn)石成金” 采取正確的戰(zhàn)略，就可以在集成電路領(lǐng)域就有可能后來(lái)居上 至少在今后50年，微電子技術(shù)仍會(huì)高速發(fā)展,63,作 業(yè),列舉出你見(jiàn)到的、想到的不同類型的集成電路及其主要作用 用你自己的話解釋微電子學(xué)、集成電路的概念 Z,64,謝 謝,