01微电子概论绪论.

微电子学概论信息与通信工程学院邵雷[e-mail]参考书《微电子学概论》：张兴/黄如/刘晓彦，北京大学出版社，《半导体器件物理与工艺》，施敏，科学出版社上课时间1-8周星期二9-11节21B401中分2大节6：30-7：457：55-9：10讲解内容1）绪论1次课2）半导体物理2-3次课3）大规模集成电路，半导体器件1次课4）集成电路工艺1次课5）集成电路设计及软件1次课6)微电子技术的发展与趋势1次课穿插讲解电子产品（电脑，耳机，音箱，平板，手机））结构，组装，选购等内容。成绩1）平时3次小作业占30分2）期末大作业（论文）占70分3）不定期点名本课程的目的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,当代重要的微电子器件等基本概念，对微电子学的整体有一个比较全面的认识主要内容微电子技术简介半导体物理半导体器件及其物理基础大规模集成电路基础集成电路制造工艺集成电路设计几类重要的特种微电子器件微电子技术发展的规律和趋势电子产品的最新知识第一章绪论绪论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微电子学的特点电子学微电子学微电子学：Microelectronics微电子学——微型电子学核心——集成电路微电子学微电子学是研究在固体（主要是半导体）材料上构成的微小型化电路、电路及系统的电子学分支。作为电子学的分支学科，它主要研究电子或粒子在固体材料中的运动规律及其应用，并利用它实现信号处理功能的科学，以实现电路的系统和集成为目的，实用性强。微电子学又是信息领域的重要基础学科，在这一领域上，微电子学是研究并实现信息获取、传输、存储、处理和输出的科学，是研究信息获取的科学，构成了信息科学的基石，其发展水平直接影响着整个信息技术的发展。微电子科学技术的发展水平和产业规模是一个国家经济实力的重要标志。微电子学是一门综合性很强的边缘学科，其中包括了半导体器件物理、集成电路工艺和集成电路及系统的设计、测试等多方面的内容；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、测试和加工、图论、化学等多个领域。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。信息技术发展的方向是多媒体（智能化）、网络化和个体化。要求系统获取和存储海量的多媒体信息、以极高速度精确可靠的处理和传输这些信息并及时地把有用信息显示出来或用于控制。所有这些都只能依赖于微电子技术的支撑才能成为现实。超高容量、超小型、超高速、超高频、超低功耗是信息技术无止境追求的目标，是微电子技术迅速发展的动力。微电子学渗透性强，其他学科结合产生出了一系列新的交叉学科。微机电系统、生物芯片就是这方面的代表，是近年来发展起来的具有广阔应用前景的新技术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，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封装好的集成电路集成电路•集成电路的内部电路VddABOut硅单晶片与加工好的硅片集成电路芯片的显微照片64MSDRAM（华虹NEC生产）芯片面积5.89×9.7=57mm2，456pcs/w，1个IC中含有1.34亿只晶体管Vsspoly栅Vdd布线通道参考孔有源区N+P+集成电路的内部单元沟道长度为0.15微米的晶体管栅长为90纳米的栅图形照片50m100m头发丝粗细30m1m1m(晶体管的大小)30~50m(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集成电路设计与制造的主要流程框架设计芯片检测单晶、外延材料掩膜版芯片制造过程封装测试系统需求集成电路的设计过程：设计创意+仿真验证集成电路芯片设计过程框架From吉利久教授是功能要求行为设计（VHDL）行为仿真综合、优化——网表时序仿真布局布线——版图后仿真否是否否是Singoff—设计业——制造业—芯片制造过程由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层曝光刻蚀硅片测试和封装用掩膜版重复20-30次AA封装好的集成电路—封装与测试业—微电子科学技术的战略地位自然界和人类社会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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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千万台，微机总量约60亿台，每年由计算机完成的工作量超过40000亿人年工作量集成电路的发展趋势小型化价格急剧下降功耗降低故障率降低集成电路1~2元电子产品10元国民经济产值100元集成电路的战略地位首先表现在当代国民经济的“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%据美国半导体协会（SIA）分析电子信息服务业30万亿美元相当于1997年全世界GDP总和电子装备6-8万亿元集成电路产值1万亿美元GDP≈50万亿美元2012年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RIC≈1.5~2REIREI≈3RGDP根据IMFRIC≈1.7REIREI≈3RGNP15%9%3%FromS.M.SZE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1985-1990年间世界半导体商品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1990199219941996199820001416182022242628303234363840日日日日日日日日市场变化—日本市场缩减—市场份额90年代日本经济萧条的同时，集成电路市场份额严重下降。日、美产业结构调整的比较对我国发展信息产业的启示：在经历了60和70年代的经济“滞胀”，1979-1981年的经济衰退以及日本制造业强劲竞争力的攻击后，美国政府被迫在80年代初期开始实施以反通胀为目标，以刺激供给和创新为核心、以减少干预和管制为手段、以高技术产业成长为龙头的结构战略性调整时期，从自由贸易政策转向有利于扶植高新技术产业成长的“战略贸易政策”。自80年代初以来，美国在计算机和通信领域的投资年均增长率高达20%以上。1990年美国在这一产业的投资首次超过其他产业的投资，标志着美国已开始进入信息社会。1996年，美国对信息产业的投资是对其他工业设备投资的1。6倍，已占美国企业固定资本投资总额的35。7%，占世界同类投资的40%。据国际数据公司统计，1995年，美国用于信息产业的投资人均达850美元，比西欧高出两倍。日本一些经济学家认为，在信息产业领域，日本比美国落后10年左右。1992年以来美国经济出现了低失业率、低通胀率和股市繁荣为标志的经济增长态势，这就是美国《商业周刊》1996年12月一期文章中所指出的“新经济”。“新经济”同传统经济的重要区别在于：产业结构进一步高级化和软化，经济增长主要动力是高技术产业，特别是信息产业。在上个世纪70和80年代，日本经济的竞争力是最强的时期，日本忽视了进入世界技术领先国家行列后应继续进行的经济体制和结构调整，加上日本官商联系的制度结构使日企业在技术竞争中失利，也就失去了利用新的技术创新成果推动经济增长的机遇，日本经济陷入战后最长的经济衰退期。从泡沫经济破灭以来，1992-1995年日本经济的年均增长率未超过1%。虽然1996年增长率有所回升，但1997年很快降至0。9%左右。由于亚洲金融危机的影响，日本经济出现负增长，是自1974年以来首次出现的负增长，也是发达国家中增长业绩最差的。近几十年日美经济相对优势的变化，对于我国信息产业的发展给予很重要的启示，因为我国在工业化进程中已落后于发达国家，而现在面临经济信息化和全球化的契机。因此，充分发展信息产业，进行产业结构调整，以信息化带动工业化，发挥后发优势，实现跨越式发展，对于中国已经是刻不容缓。我国台湾地区60年代后期人均GDP—200-300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IT业高速发展97年人均GDP=13559美元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销售额利润利润率Intel公司294亿美元73亿美元24.8%我国一家以计算机销售生产为主的IT企业200亿人民币5亿人民币2.5%我国的VCD产业2%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。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。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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”程度和使用程度数控机床普通机床数字化技术改造价格相差10倍集成电路整机系统高附加值在成长期进入市场，增强市场竞争力微电子对传统产业的渗透与带动作用0500100015002000钢铁汽车彩电计算机集成电路对国民经济的贡献率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