微电子学概论(第一章).ppt

微电子学概论 任课教师：邱成军 第一章 微电子学发展史 科学技术作为革命的力量，推动着社会向前发展。当前，我们正经历着一场新的技术革命，虽然第三次技术革命包含了新材料、新能源、生物工程、海洋工程、航空航天技术和电子信息技术等等，但影响最大、渗透性最强、最具有新技术革命代表性的乃是以微电子技术为核心的电子信息技术。 第一章 微电子学发展史 微电子技术发展的理论基础是19世纪末到20世纪30年代期间建立起来的现代物理学。这期间的重要发现包括1895年德国科学家伦琴发现的X射线、1896年贝克勒尔发现放射性、1897年英国科学家汤姆逊发现电子、1898年居里夫人发现镭、1900年普朗克建立量子论、1905和1915年爱因斯坦提出的狭义相对论和广义相对论等。 第一章 微电子学发展史 正是这一系列的发明和发现揭示了微观物理 世界的基本规律，导致了海森伯、薛定格等建立起量子力学的理论体系，为现代电子信息技术革命奠定了理论基础。 1.1 晶体管的发明 1833年英国物理学家法拉第发现氧化银的电阻率随温度升高而增加。之后一些物理学家又先后发现了同晶体管有关的半导体的三个物理效应，即晶体硒在光照射下电阻变小的光电导效应、晶体硒和金属接触在光照射下产生电动势的半导体光生伏特效应和金属与硅单晶接触产生整流作用的半导体整流效应。 1.1 晶体管的发明 1946年1月，Bell实验室成立了固体物理研究小组。在系统的研究过程中，该小组成功提出了表面态理论，开辟了新的研究思路，兼之对电子运动规律的不断探索，经过无数次实验，第一个点接触型晶体管终于在1947年12月诞生。 1.1 晶体管的发明 首先，小组的领导人肖克莱提出了一个假说，认为半导体表面存在一个与表面俘获电荷相等而符号相反的空间电荷层，使半导体表面与内部体区形成一定的电势差，该电势差决定了半导体的整流功能；通过电场改变空间电荷区电荷会导致表面电流的改变，产生了放大作用。 1.1 晶体管的发明 小组对N和P型硅以及N型锗的表面设计了一个类似光生伏特实验的装置，证实了肖克莱的半导体表面空间电荷假说以及电场效应的预言。之后，小组人员把一片P型硅的表面处理成N型，滴上一滴水使之与表面接触，在水滴中插入一个涂有蜡膜的金属针，在水与硅之间施加8MHz的电压，从硅中流到针尖的电流被改变，从而实现了功率放大。 1.1 晶体管的发明 经过改进，最后的结构是在一个楔形的绝缘体上蒸金，然后用刀片将楔尖上的金划开一条小缝，即将金分割成间距很小的两个触点，将该楔形体与锗片接触，在锗片表面形成间距约为0.005cm的两个接触点，它们分别作为发射极和集电极，衬底作为基极，其具体结构如图1-1所示。 1.1 晶体管的发明 同年，肖克莱又提出了利用两个P型层中间夹一N型层作为半导体放大结构的设想，并于1950年发明了单晶锗NPN结型晶体管。此后，结型晶体管基本上取代点接触型晶体管。 1.2 集成电路的发展历史 集成电路（Integrated Circuit，缩写为IC）是指通过一系列特定的加工工艺，将多个晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路连接集成在一块半导体单晶片（如硅或GaAs等）或陶瓷等基片上，作为一个不可分割的整体执行某一 特定功能的电路组件。 1.2 集成电路的发展历史 世界上第一块集成电路是在锗衬底上制作的相移振荡和触发器，共有12个器件。器件之间的隔离采用的是介质隔离，即将制作器件的区域用黑蜡保护起来，之后通过选择腐蚀在每个器件周围腐蚀出沟槽，形成多个互不连通的小岛，在每个小岛上制作一个晶体管；器件之间互连线采用的是引线焊接的方法。 1.2 集成电路的发展历史 集成电路的迅速发展，除了物理原理之外还得益于许多新工艺的发明。重大的工艺发明主要包括：1950年美国人奥尔和肖克莱发明的离子注入工艺、1956年美国人富勒发明的扩散工艺、1960年卢尔发明的外延生长工艺、1970年斯皮勒发明的光刻工艺。这些关键工艺为晶体管从点接触结构向平面型结构过渡并使其集成化提供了基本的技术支持。 1.2 集成电路的发展历史 从此，电子工业进入了IC时代，经过40余年的发展，集成电路已经从最初的小规模发展到目前的巨大规模集成电路和系统芯片，单个电路芯片集成的元件数从当时的十几个发展到目前的几亿个甚至几十亿个。 早期研制和生产的集成电路都是双极型的。1962年以后又出现了由金属-氧化物-半导体（MOS）场效应晶体管组成的MOS集成电路。 1.2 集成电路的发展历史 实际上，远在1930年，德国科学家Lilienfield 就提出了关于MOS场效应晶体管的概念、工作原理以及具体的实施方案，但由于当时材料和工艺水平的限制，直到1960年，Kang和Atalla才研制出第一个利用硅半导体材料制成的MOS晶体管，