【正文】 － － － － － － － － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － ＋ ＋＋ ＋＋ ＋＋ ＋－－－－－－－－＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋＋ ＋ －－－－－－－－－－－－＋＋＋＋ 漂移運(yùn)動(dòng)： 少數(shù)載流子在內(nèi)電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)。 2022年 5月 25日 27 雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法 P 型半導(dǎo)體 N 型半導(dǎo)體 空間電荷 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí) 2022年 5月 25日 28 三、 PN 結(jié) 1. PN 結(jié)的形成 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)： 多數(shù)載流子由于濃度的差別而形成的運(yùn)動(dòng)。 2022年 5月 25日 26 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用 同時(shí)摻入 P型和 n型兩種雜質(zhì)，它們會(huì)相互抵消。 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí) 2022年 5月 25日 25 電離能的大?。? 硅中摻磷為 ，摻硼為 (eV)。 (2) 摻入三價(jià)的雜質(zhì)元素 自由電子的濃度 ?? 空穴的濃度。 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí) Ni=Pi=A T e Eg／ 2kT 2022年 5月 25日 24 二、非本征半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì) 使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。 溫度 ? →載流子的濃度 ? 自由電子釋放能量跳回共價(jià)鍵 —— 復(fù)合。 NPN Ge晶體管 獲得 1956年 Nobel物理獎(jiǎng) 2022年 5月 25日 22 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí) 一、本征半導(dǎo)體 1. 什么是本征半導(dǎo)體 是一種完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。在阻擋層內(nèi)存在內(nèi)電場(chǎng) E，如果光照射在結(jié)附近，由光子激發(fā)而形成光生載流子，由于內(nèi)電場(chǎng)的作用，光生載流子的電子就會(huì)跑到 N區(qū)，而空穴就跑到 P區(qū)，這時(shí)在 PN結(jié)兩側(cè)就會(huì)出現(xiàn)附加電位差，這一現(xiàn)象稱為 “ 光生伏特 ” 效應(yīng)。 人類(lèi)進(jìn)入電子化時(shí)代，如：無(wú)線通訊、雷達(dá)、廣播電視等。 ?核心是集成電路 2022年 5月 25日 7 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 2022年 5月 25日 8 幾個(gè)概念 半導(dǎo)體： Semiconductor 內(nèi)涵及外延均與微電子類(lèi)似，是早期的叫法 芯片： chip 沒(méi)有封裝的集成電路，但通常也與集成電路混用，作為集成電路的又一個(gè)名稱 集成系統(tǒng)芯片 SOC（ system on a chip） 微電子學(xué)和集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，指在單芯片上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的功能 2022年 5月 25日 9 集成度： 每塊集成電路芯片中包含的元器件數(shù)目。 條寬 集成電路能加工的最小線寬。 問(wèn)題：體積大、重量大、耗電大、可靠性差、壽命短。 ?整流效應(yīng) :在 1874年 ,德國(guó)的布勞恩觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場(chǎng)的方向有關(guān) ,即它的導(dǎo)電有方向性 ,在它兩端加一個(gè)正向電壓 ,它是導(dǎo)通的 。 自然界中的物質(zhì) 導(dǎo)體 絕緣體 半導(dǎo)體 價(jià)電子參與導(dǎo)電 摻雜增強(qiáng)導(dǎo)電能力 熱敏特性 光敏特性 常用的半導(dǎo)體：硅、鍺、砷化鎵等。 本征半導(dǎo)體載流子濃度較低，導(dǎo)電能力較弱。 (1) 摻入五價(jià)的雜質(zhì)元素 自由電子的濃度 ?? 空穴的濃度。 空穴為多數(shù)載流子。 鍺中摻磷為 ，摻硼為 (eV)。 若 NDNA,則為 n型半導(dǎo)體， n= NDNA ； 反之為 P型， p= NAND。 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí) 表面態(tài)理論 2022年 5月 25日 29 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － 內(nèi)電場(chǎng) 耗盡層 勢(shì)壘區(qū) PN 結(jié) ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)繼續(xù)進(jìn) 行 , 使 PN結(jié)加寬 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí) 2022年 5月 25日 30 多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)繼續(xù)進(jìn)行，使 PN 結(jié)加 寬，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)。 漂移運(yùn)動(dòng)使 PN 結(jié)變薄，內(nèi)電場(chǎng)削弱。 晶體管理論 2022年 5月 25日 36 三極管 2022年 5月 25日 37 從鍺到硅 解決了電子性能問(wèn)題 。 2022年 5月 25日 38 從小規(guī)模到大規(guī)模 下面請(qǐng)看在發(fā)展過(guò)程的 IC圖 : 2022年 5月 25日 39 1958 Texas Instruments The First IC.(TI公司發(fā)明 ) The Microelectronic Revolution Begins 第一個(gè)集成電路 . 微電子技術(shù)革命從此開(kāi)始 . ? 1952年 5月 ， 英國(guó)科學(xué)家 G. W. A. Dummer首次提出集成電路的設(shè)想 ? 1958年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 。 2022年 5月 25日 41 集成電路 集成電路 Vdd A B Out 集成電路的內(nèi)部電路 2022年 5月 25日 42 硅單晶片與加工好的硅片 直徑可達(dá) 450mm 2022年 5月 25日 43 1961 Fairchild Camera amp。A702) 第一個(gè)線性運(yùn)算 放大器材 ( 181。 80年 801882年 8028 85年 803888年 8048 93年 Pentium 2022年 5月 25日 52 1977 IBM An Unexpected Breakthrough The First 64K Bit Dynamic RAM 第一個(gè) 64K DRAM. 2022年 5月 25日 53 1979 Motorola One of the Most Powerful 16Bit Microprocessors The 68000 功能最強(qiáng)的 16位 微處理器 68000 它與 Intel公司的 8086808880286構(gòu)成第三代 16位微機(jī) IBM PC系列機(jī)。m 8088 Intel 386 1971年第一個(gè) 微處理器 4004 2022多個(gè)晶體管 10μm 的 PMOS工藝 1982年 286微處理器 頻率 6MHz、 8MHz、 10MHz和 微處理器的發(fā)展 2022年 5月 25日 57 Pentium ? 1989年 4月、 25到 50 MHz、 32 Bit ? 120萬(wàn)晶體管 ? 1993年 3月、 32 Bit、 310萬(wàn)晶體管、 60到 166 MHz ? Intel 486 微處理器的發(fā)展 2022年 5月 25日 58 P6 (Pentium Pro) in 1996 150 to 200 MHz clock rate 196 mm**2 5500K transistors (external cache) micron 4 layers metal VDD 20W typical power Dissipation 387 pins 微處理器的發(fā)展 2022年 5月 25日 59 微處理器的發(fā)展 2022年 5月 25日 61 多核處理器 2022年 5月 25日 62 多核處理器 AMD四核 “ Barcelona”處理器 采用 300mm晶圓， 45納米技術(shù)制造 2022年 5月 25日 63 集成電路實(shí)物 2022年 5月 25日 64 從成群電子到單個(gè)電子 量子隧道效應(yīng) – 當(dāng)兩個(gè)半導(dǎo)體之間的絕緣體的厚度足夠小時(shí)（ 1~10nm)， 電子會(huì)有一定的概率穿越它。 2022年 5月 25日 66 集成電路的設(shè)計(jì)與制造 2022年 5月 25日 67 集成電路設(shè)計(jì)與制造的主要流程框架 設(shè)計(jì) 芯片檢測(cè) 單晶、外延材料 掩膜版 芯片制造過(guò)程 封裝 測(cè)試 系統(tǒng)需求 2022年 5月 25日 68 集成電路的設(shè)計(jì)過(guò)程 設(shè)計(jì)創(chuàng)意 + 仿真驗(yàn)證 集成電路芯片設(shè)計(jì)過(guò)程框架 From 吉利教授 是 功能要求 行為設(shè)計(jì)（ VHDL） 行為仿真 綜合、優(yōu)化 ——網(wǎng)表 時(shí)序仿真 布局布線 ——版圖 后仿真 否 是 否 否 是 Sing off 2022年 5月 25日 69 芯片制造過(guò)程 1 2022年 5月 25日 70 芯片制造過(guò)程 2 由氧化、淀積、離子注入或蒸發(fā)形成新的薄膜或膜層 曝 光 刻 蝕 硅片 測(cè)試和封裝 用掩膜版 重復(fù) 2030次 2022年 5月 25日 71 集成電路芯片的顯微照片 2022年 5月 25日 72 集成電路工藝簡(jiǎn)介 集成電路制造工藝 ,包括： 外延生長(zhǎng)、 掩模制版、 光刻、 刻蝕 摻雜、 絕緣層、金屬層形成 等等。 氣相外延生長(zhǎng) SiCl4+2H2→Si+4HCl↑ 氣態(tài)雜質(zhì) 15002022度，生長(zhǎng)速度為 ~1μm/min。幾乎可以在 GaAs基片上生長(zhǎng)無(wú)限多的外延層，襯底在垂直方向上的結(jié)構(gòu)變化具有特殊的物理性質(zhì)。 2022年 5月 25日 79 有那些方法 ? 掩模的制版工藝 2022年 5月 25日 80 鉻 (Cr)板陣列版圖 IC掩膜掩模 ：用石英玻璃做成平坦的薄片，表面上涂一層600～ 800197。 先把版圖分層畫(huà)在紙上，版圖畫(huà)得很大，可以達(dá)到 50 50㎝ 2或 100 100㎝ 2，用照相機(jī)拍照。 2022年 5月 25日 81 掩模的制版工藝 （ 2）圖案發(fā)生器 PG(Pattern Generator)方法 規(guī)定版圖的基本圖形為矩形。 2022年 5月 25日 82 掩模的制版工藝 （ 3） X射線制版 由于 X射線 (Xray)具有比可見(jiàn)光短得多的波長(zhǎng) ， 可用來(lái)制作更 高分辯率的掩模版 。高級(jí)的電子束制版設(shè)備的分辨率可達(dá) 50nm，這意味著電子束的步進(jìn)距離為 50 nm，轟擊點(diǎn)的大小也為 50 nm。 2022年 5月 25日 85 光刻的要求 對(duì)光刻的基本要求： （ 1） 高分辨率 （ 2） 高靈敏度 （ 3） 精密的套刻對(duì)準(zhǔn) （ 4） 大尺寸硅片上的加工 （ 5） 低缺陷 2022年 5月 25日 86 光刻步驟 光刻步驟 : （ 1） 涂光刻膠 （ 2）曝光 （ 3）顯影與后烘 （ 4）刻蝕 2022年 5月 25日 87 圖形轉(zhuǎn)換：光刻 光刻三要素 ： 光刻膠 、 掩膜版和光刻機(jī) 光刻膠又叫光致抗蝕劑 ， 它是由