微电子学概论课件
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
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§其次，统计数据表明，发达国家在发 展过程中都有一条规律
Ø 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）
Ø 电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率 （RGDP）
Ø 一般有一个近似的关系
▪ 杂质处于两种状态：中性态和离化态。 当处于离化态时，施主杂质向导带提供 电子成为正电中心；受主杂质向价带提 供空穴成为负电中心。
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按结构形式的分类
§单片集成电路：
Ø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
Ø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：
Ø厚膜集成电路 Ø薄膜集成电路
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按电路功能分类
§数字集成电路(Digital IC)：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
（ b）单胞无需是基本的
晶体结构
§ 三维立方单胞
Ø 简立方、
体心立方、
面立方
固体材料的能带图
固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体
半导体的能带
▪ 本征激发
有效质量的意义
▪ 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 部势场的作用
▪ 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 时更为简便（有效质量可由试验测定）
W. Schokley J. Bardeen W. Brattain
获得1956年 Nobel物理 奖
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晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿
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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
微电子发展的规律
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
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Part 2
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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
Ø北京大学、南京大学、复旦大学、吉林大 学、厦门大学
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2020/11/14
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§微电子学：Microelectronics
Ø微电子学——微型电子学
Ø核心——集成电路
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， 现在内容扩展了，还包括微波方面的内容。 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。 固体电子学:主要是学习电子材料方面的研制、应用。
电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合
公式
不成立
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影响迁移率的因素： 有效质量 平均弛豫时间（散射〕
体现在：温度和 掺杂浓度
半导体中载流子的散射机制： 晶格散射（ 热 运 动 引 起） 电离杂质散射
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Part 5 半导体物理学
半导体概要
微电子学研究领域
•半导体器件物理 •集成电路工艺 •集成电路设计和测试
Ø教师：黄昆、谢稀德、高鼎三、林兰英 Ø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
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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
Ø主任：万里
§80年代：初步形成三业分离的状态
Ø制造业 Ø设计业 Ø封装业
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Part 3
▪ 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。
➢ 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Ⅲ、Ⅴ 族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质。
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
半导体的掺杂
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， 并成为带正电的离子。如Si中的P 和As
ENIAC
Electronic Numerical Integrator and Calculator
1946年2月14日
Moore School，
Univ. of Pennsylvania
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；平均无故微障电子运学概行论课时件 间：7min
np=ni2
ni与禁带宽度和温度有关
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多子：多数载流子
n型半导体：电子 p型半导体：空穴
少子：少数载流子
n型半导体：空穴 p型半导体：电子
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8. 过剩载流子
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 些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子
载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消 失的过程
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获得2000年Nobel物理奖
1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，1微2电个子学器概论件课件，Ge晶片
微电子发展史上的几个里程碑
§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
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Part 4
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？什么是半导体
固体材料：超导体: 大于106(cm)-1
从导电特性和 机制来分：
不同电10(阻特cm性)-1
不同输运机制
10(cm)-1
导 体: 106~104(cm)-1 半导体: 104~10-
绝缘体: 小于10-
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2. 半导体中的载流子：能够导电的自由粒子
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§集成电路：
§Integrated Circuit，缩写IC
Ø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
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§ 集成电路设计与制造的主要流程框架
系 统 需 求
设计
掩膜版
芯片制造 过程
芯片检测 封装 测试
单晶、外 延材料
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微电子科学技 术的战略地位
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§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
Ø1946年第一台计算机：ENIAC
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第一台通用电 子计算机：
RIC≈1.5~2REI REI≈3RGDP
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晶体管的发明
§理论推动
Ø19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
Ø量子力学 Ø材料科学
§需求牵引：二战期间雷达等武器的需求
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1947年12月23 日
第一个晶体管
NPN Ge晶体管
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集 成 电 路 的 分 类
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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。 §微电子学中的空间尺度通常是以微米
(m, 1m＝10－6m)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
本征半导体：n=p=ni
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电子：Electron，带负电的导电载流 子，是价电子脱离原子束缚 后 形成的自由电子，对应于导带 中占据的电子
空穴：Hole，带正电的导电载流子， 是价电子脱离原子束缚 后形成 的电子空位，对应于价带中的 电子空位
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半导体的能带结构
价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带：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
与理想情况的偏离
▪ 晶格原子是振动的 ▪ 材料含杂质 ▪ 晶格中存在缺陷
➢ 点缺陷（空位、间隙原子） ➢ 线缺陷（位错） ➢ 面缺陷（层错）
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， 该杂质称为间隙式杂质。
➢ 间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、 GaAs材料中的离子锂（0.068nm）。
导带 Eg
价带
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电子和空穴的有效质量m*
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
有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用
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施主：Donor，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 Si中掺的P 和As
§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
Ø 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
Ø 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
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集成电路按集成电路规模分类
