關于物理學與新能源技術12一、引言微電子技術：微型電子電路技術微電子：微型的電子電路實現(xiàn)某種特定功能的電子線路，集中制造在一塊小小的半導體芯片上。把由若干個晶體管電阻電容等器件組成半導體基片上第2頁,共40頁，2024年2月25日，星期天3一、引言微電子技術是信息社會生活和工作的基礎。信息化的關鍵是計算機和通訊機，其基礎都是微電子技術。微電子技術已經(jīng)滲透到社會的各個領域，影響面極廣，發(fā)展微電子技術是當今高科技發(fā)展的關鍵問題。微電子技術的核心是集成電路技術；集成電路的標志性產品是CPU（即中央處理器）；它廣泛應用于人類社會的各個領域。如科技、經(jīng)濟、軍事、金融、文教乃至家庭生活。第3頁,共40頁，2024年2月25日，星期天41、微電子技術應用微電子技術被廣泛應用于社會的各個行業(yè)微電子技術與計算機技術相輔相成，推動了信息技術的高速度發(fā)展傳統(tǒng)工業(yè)的行業(yè)改造和技術更新使商業(yè)領域的傳統(tǒng)賬冊產生了根本的變化與其他技術的結合和滲透發(fā)展成新的技術現(xiàn)代化的軍事與國防也離不開微電子技術深刻地、廣泛地影響著人們的生活

第4頁,共40頁，2024年2月25日，星期天5微電子無處不在：公共汽車IC卡、銀行儲蓄卡和信用卡、小區(qū)智能卡、電子手表、語言賀卡和玩具、電子琴、手機、洗衣機、電視機、電話機等等日常生活用品中都有芯片（微電子）。第5頁,共40頁，2024年2月25日，星期天6

1948年BELL實驗室發(fā)明第一只晶體管——微電子技術第一個里程碑；

1959年硅平面工藝的發(fā)展和集成電路的發(fā)明——微電子技術第二個里程碑；

1971年微機的問世——微電子技術第三個里程碑。2、微電子技術發(fā)展及現(xiàn)狀第6頁,共40頁，2024年2月25日，星期天7人的頭發(fā)100微米

Intel803861.20微米工藝33MHzIntel804860.80微米工藝100MHzIntelPentium0.60微米工藝200MHzIntelPII0.35微米工藝500MHzIntelPIII0.25微米工藝800MHz最近已經(jīng)達到0.13微米2GMHz目前集成電路制造商進軍≤0.1微米工藝

電子元器件和線路越來越小、細，集成度越來越高，芯片運行的速度越來越高快。摩爾定律：集成度（容量）每1、2、1.5年（65、97年、媒體）翻一番，而價格保持不變甚至下降。大規(guī)模芯片生產已達到0.25微米工藝，0.06微米已應用于顯示，目前最窄：32納米。第7頁,共40頁，2024年2月25日，星期天83、向微米工藝的極限挑戰(zhàn)

目前，由Intel為代表的多家公司正在開發(fā)“極端紫外”光刻技術，用氙燈將波長降至0.01微米；IBM則致力于0.005微米波長的X射線光刻技術研究工作。光刻技術大規(guī)模集成電路的集成度是微電子技術的重要標志；單晶片的尺寸已經(jīng)從原來的5英寸發(fā)展到了今天的8英寸、12英寸。第8頁,共40頁，2024年2月25日，星期天9電子管晶體管場效應管（厚膜）薄膜晶體管二、基本元件結構第9頁,共40頁，2024年2月25日，星期天10電子管又稱“真空管”（VacuumTube）電子管擁有三個最基本的極陰極(Cathode,K)：釋放出電子流屏極(Plate，P)：吸引和收集陰極發(fā)射的電子（集極）柵極(Gird,G)：控制電子流的流量電子管的放大作用直熱式三極管燈絲（Filament）的制作材料鎢絲釷鎢合金氧化鹼土1．電子管第10頁,共40頁，2024年2月25日，星期天11第11頁,共40頁，2024年2月25日，星期天12第12頁,共40頁，2024年2月25日，星期天132．晶體管半導體是制造晶體管的基本材料本征半導體、自由電子和空穴共價電子與N型半導體、P型半導體p-n結二極管和三極管極其工作原理

第13頁,共40頁，2024年2月25日，星期天14第14頁,共40頁，2024年2月25日，星期天15場效應管與晶體管的區(qū)別1.晶體管是電流控制元件；場效應管是電壓控制元件。2.晶體管參與導電的是電子—空穴，因此稱其為雙極型器件；場效應管是電壓控制元件，參與導電的只有一種載流子，因此稱其為單級型器件。3.晶體管的輸入電阻較低，一般102~104

；場效應管的輸入電阻高，可達109~1014

場效應管的分類結型場效應管JFETMOS型場效應管JFET3、場效應管第15頁,共40頁，2024年2月25日，星期天16

N溝道增強型MOS場效應管結構增強型MOS場效應管漏極D→集電極C源極S→發(fā)射極E柵極G→基極B襯底B電極—金屬絕緣層—氧化物基體—半導體因此稱之為MOS管Sect第16頁,共40頁，2024年2月25日，星期天17

N溝道耗盡型MOS場效應管結構耗盡型MOS場效應管+++++++

耗盡型MOS管存在原始導電溝道Sect第17頁,共40頁，2024年2月25日，星期天18

結型場效應管（JFET)結構P+P+NGSDN溝道結型場效應管導電溝道結型場效應管第18頁,共40頁，2024年2月25日，星期天194、薄膜晶體管(TFT)ATO=Al2O3/TiO2超晶格第19頁,共40頁，2024年2月25日，星期天20Ga-dopedZnO第20頁,共40頁，2024年2月25日，星期天21第21頁,共40頁，2024年2月25日，星期天22“集成電路”(IntegratedCircuit，IC)

把由若干個晶體管、電阻、電容等器件組成的、實現(xiàn)某種特定功能的電子線路，集中制造在一塊小小的半導體芯片上集成度發(fā)展神速

1962：幾個、1965：近100個（IC）

1967：100~1000個（中規(guī)模IC）

1967-1973：1000—10000個（LSIC）

1978：達10萬~100萬個單元（VLSIC）

目前集成度已突破千萬單元三、集成電路第22頁,共40頁，2024年2月25日，星期天23100個晶體管以下的集成電路稱為小規(guī)模集成電路100—1000個晶體管的集成電路稱為中規(guī)模集成電路1000個晶體管以上的集成電路稱大規(guī)模集成電路10萬個晶體管以上的集成電路稱超大規(guī)模集成電路第23頁,共40頁，2024年2月25日，星期天24第一代（以厘米為尺度的電子管）電子管計算機（1946-1957）第二代（以毫米為尺度的半導體）晶體管計算機（1959-1964）第三代小規(guī)模集成電路計算機（1964-1970）第四代大規(guī)模集成電路計算機（1970-）第24頁,共40頁，2024年2月25日，星期天25第25頁,共40頁，2024年2月25日，星期天26超大規(guī)模集成電路

Intel386芯片1.2微米、幾十萬個晶體管

P40.09微米、4200萬個晶體管第26頁,共40頁，2024年2月25日，星期天27集成電路中的基本元件結構陰極陽極集電極基極發(fā)射極源極柵極漏極

NPNPN+N+

金屬N+

P型襯底P型襯底P型襯底P型阱

PN結二極管NPN晶體管nMOS晶體管半導體材料和半導體集成電路N+、P+，重摻雜第27頁,共40頁，2024年2月25日，星期天28雙極集成電路工藝

砷注入SiO2SiO2

p-Si襯底

（a）埋層制備半導體集成電路工藝技術舉例子第28頁,共40頁，2024年2月25日，星期天29雙極集成電路工藝

N外延層P襯底N+

埋層

(b)外延層制備半導體和半導體集成電路第29頁,共40頁，2024年2月25日，星期天30雙極集成電路工藝光致抗蝕劑鈍化層N外延層

N+

P

（c）隔離區(qū)窗口制備半導體集成電路工藝技術第30頁,共40頁，2024年2月25日，星期天31雙極集成電路工藝溝道隔斷區(qū)硼離子注入

NNN+

P

(d)氧化物隔離區(qū)制備(1)半導體和半導體集成電路第31頁,共40頁，2024年2月25日，星期天32雙極集成電路工藝

NNSiO2P+N+P+

溝道隔斷區(qū)

P

(e)氧化物隔離區(qū)制備(2)

半導體集成電路工藝技術第32頁,共40頁，2024年2月25日，星期天33雙極集成電路工藝基區(qū)硼離子注入

光致抗蝕劑

NSiO2P基區(qū)P+

N+埋層

(f)基區(qū)制備

半導體集成電路工藝技術第33頁,共40頁，2024年2月25日，星期天34雙極集成電路工藝光致抗蝕劑

SiO2…

P+

N+埋層

(g)基區(qū)引線孔制備

半導體集成電路工藝技術第34頁,共40頁，2024年2月25日，星期天35雙極集成電路工藝砷離子注入發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)埋層N+集電區(qū)