半导体材料与器件-复习汇编.ppt

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半导体材料与器件-复习汇编.ppt

“摩尔定律之父” ——戈登摩尔;二、课程内容、安排及其要求;第二章 半导体材料概述 (6学时) 概括介绍半导体材料的发展历程;第六章 半导体照明 (3学时) 主要讲述有关照明的几个物理概念、高亮度LED原理、高亮度LED材料以及相关特性。;绪论 ;1.3 摩尔定律;摩尔定律;1995年,摩尔在《经济学家》杂志上撰文写道:现在令我感到最为担心的是 成本的增加,…这是另一条指数曲线.;“采用高k栅介质和金属栅极材料,是自20世纪60年代晚期推出多晶硅栅极金属氧化物半导体(MOS)晶体管以来,晶体管技术领域里最重大的突破。” ——戈登. 摩尔;;45nm(1μm=1000nm, 1nm为10亿分之一米) 不是指的芯片上每个晶体管的大小 也不是指用于蚀刻芯片形成电路时采用的激光光源的波长 而是指芯片上晶体管和晶体管之间导线连线的宽度,简称线宽。 半导体业界习惯上用线宽这个工艺尺寸来代表硅芯片生产工艺的水平。;早期的CPU都是采用铝线做传导的例如说奔腾2 、老赛扬等。后期的CPU都采用了铜线做传导,大家都知道铜比铝有更好的传导性。处理器性能的不断提高离不开优秀的核心微架构设计,而芯片生产工艺的更新换代是保证不断创新设计的处理器变为现实的基础。;每一次制作工艺的更新换代都给新一轮处理器高速发展铺平了大道: 线宽越小,晶体管也越小,让晶体管工作需要的电压和电流就越低,晶体管开关的速度也就越快,这样新工艺的晶体管就可以工作在更高的频率下,随之而来的就是芯片性能的提升。;当工艺每次提升的时候我们在字面上紧紧看到的是数字的提升,给大家的感觉好像是从65nm到45nm同以前从130nm到90nm,以及从90nm到65nm一样没有什么特别的。根据摩尔定律,就是每18个月,在同样面积的硅片上把两倍的晶体管“塞”进去,从单个晶体管的角度来看,为了延续摩尔定律,我们需要每两年把晶体管的尺寸缩小到原来的一半。;现在的工艺已经将晶体管的组成部分做到了几个分子和原子的厚度,组成半导体的材料已经达到了它的物理电气特性的极限。最早达到这个极限的部件是组成晶体管??栅极氧化物——栅极介电质,现有的工艺都是采用二氧化硅(SiO2)层作为栅极介电质。;源极(Source)和漏极(Drain)之间的部分叫做沟道(Channel),栅极氧化物上面是栅极(Gate)。晶体管的工作原理其实很简单,就是用两个状态表示二进制的“0”和“1”。源极和漏极之间是沟道,当没有对栅极(G)施加电压的时候,沟道中不会聚集有效的电荷,源极(S)和漏极(D)之间不会有有效电流产生,晶体管处于关闭状态。;可以把这种关闭的状态解释为“0”,当对栅极(G)施加电压的时候,沟道中会聚集有效的电荷,形成一条从源极(S)到漏极(D)导通的通道,晶体管处于开启状态,可以把这种状态解释为“1”。这样二进制的两个状态就由晶体管的开启和关闭状态表示出来了。;晶体管的开启/关闭的速度就是我们说的频率,如果主频是1GHz,也就是晶体管可以在1秒钟开启和关闭的次数达10亿次。从65nm开始,我们已经无法让栅极介电质继续缩减变薄,而且到45nm,晶体管的尺寸要进一步缩小,源极和漏极也靠得更近了,如果不能解决栅极向下的漏电问题以及源极和漏极之间的漏电问题,新一代处理器的问世可能变得遥遥无期。;这里要解释下。最先漏电严重的要从90nm工艺开始算起。在同样的电压下晶体管的数量越多电流的传导就越困难,只有加大电压才能解决,但是加大电压也势必会造成漏电。这就是为什么90nm的工艺功耗不降反升了。 ;;现有材料都到物理极限了,进一步缩小二氧化硅层是不可能的了,怎么办呢? 既然继续采用二氧化硅作为栅极介电质没有前途,那么就要另辟蹊径,有没有可以代替二氧化硅的材料呢? 就是寻找比二氧化硅更好的“绝缘体”,用以更好地分隔栅极和晶体管的其他部分,而且替代材料需要具有比二氧化硅更高的介电常数和更好的场效应特性。;高K—一种材料应具有良好的绝缘属性,同时在栅极和晶体硅衬底的通道之间(源极和漏极之间)产生很好的场效应。 K其实是电子学的工程术语,K源于希腊文Kappa,用于衡量一种材料存储电荷(正电荷或者负电子)的能力。类比于吸水的不同材料,海绵可以吸附和存储大量的水,木头可以存储一些水分,所以海绵比木头的“K值”更高。具有高K的材料可以比其他材料更好地存储电荷。;假定材料1的K值为1,材料2的K值为2。给定相同的电压V+,如果材料的厚度相同,K=2的材料存储电荷的能力是K=1的材料存储电荷能力的两

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