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简介
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微电子学概论 第一课 微电子学的概念和历史 课程安排 二学分，32课时，每周二下午1:00~3:00 考核形式： 卷面考试 60% 小论文 30% 平时成绩 10% 参考书： 《微电子学概论》，张兴等人编著，北京大学出版社 2010年2月第三版 主讲：黎明教授 助教： 张昊 1301214158@pku.edu.cn 提纲 微电子学 简明历史 研究内容 发展规律 提纲 微电子学 简明历史 研究内容 发展规律 什么是微电子？（第一印象） 什么是微电子？（深深的沉思中） 微电子 = 微+电子 微电子已经深入到现代生活中的各个角落 微电子学已经成为多个学科互相交叉的综合性学科，需要更多关于电子学、力学、声学、光学、电磁学、信号处理、热力学与统计物理、量子力学、化学、生物、医学、数学、图论、认知学、艺术等学科的融合。 电子学的基本元件 电子学系统的基础元件 电子管时代的电子产品 现代微电子产品 什么是微电子学？（第一次定义） Micro(微小的)-electronics(电子学) 电子学(electronics)：研究信息获取、处理、传输、存储、控制的学科。 微电子学：研究在固体（主要是半导体）材料上构成的微小型化电路、子系统及系统的电子学分支。 微电子学的基础 微电子学的基本原理 信息的表现形式 物理和化学的信息：声音、图像、温度、湿度、加速度、速度、压力、压强、光强、酸碱度… 信息的数字化：“0”和“1” 代表事物的两种对立状态； 可以用电压的开启关闭来表示； 理论上可以将任何模拟信号数字化； 信息处理的技术基础 语言：通过空气传播处理连续的声音符号 文字：通过线条组合对信息进行符号化 印刷术：通过纸张印刷存储和传播信息 电磁波：通过电磁波实现远距离传播信息 微电子学：通过“0”和“1”的电学表达存储、传播和处理信息 微电子学系统如何处理信息 微电子学为代表的第三次技术革命 第一次技术革命：蒸汽机（1774），卡特 机械代替了人力 第二次技术革命：电磁学（1820），奥斯特 实现了能量形态的自由转换 第三次技术革命：代表性技术：微电子学技术 实现了信息状态的自由转换 微电子技术是信息技术革命的技术基础 第三大资源 材料（物质）、能源（能量）和信息是人类物质文明和精神文明赖以发展的三大支柱。 信息：客观事物状态和运动特征的一种普遍表现形式。 凡是在一种情况下减少不确定性的任何事物都叫信息。（哲学上的） 被一定方式排列起来的（有意义的）信号序列叫做信息。（物理上的） 宇宙的一切活动都包含了丰富的信息量，人类文明的发展依赖于信息的产生、处理和交换等活动。 什么是微电子学？（再定义） 提纲 微电子学 简明历史 研究内容 发展规律 第一个晶体管 1947年12月23日 NPN型Ge晶体管 发明人： W. Schokley J. Bardeen W. Brattain 第一块集成电路 为什么集成电路如此重要？ 缩小电子设备体积和降低成本的唯一途径。 第一块平面集成电路 1959年7月第一块平面单片集成电路：Fairchild公司的Noyce 在Si 衬底制备了平面集成电路：氧化物隔离，Al互联 第一块CPU 1971年，Intel推出第一块CPU，型号为4004，主频108k，2300个晶体管，制造工艺10微米 半导体工业的发端 肖克莱于1955年创立“肖克莱半导体研究室”，招募到著名的“八叛逆”。 Gordon Moore Sheldon Roberts Eugene Kleiner Robert Noyce Victor Grinich Julius Blank Jean Hoerni Jay Last 1957年，八叛逆离开肖克莱，创建了硅谷的第一家半导体公司“仙童半导体”。 Noyce与Moore于1968年创立了Intel。 集成电路发展史上的几个里程碑 1962年Wanlass、C.T. Sah——CMOS技术 现在集成电路产业中占95%以上 最接近自然界系统思想的技术 1967年Kahng、S. Sze ——非挥发存储器 大数据时代的基石 1968年Dennard——单晶体管DRAM 商业化个人电脑的敲门砖 1971年Intel公司微处理器——计算机的心脏 一切计算系统的核心 目前全世界微机总量超过6亿台 1997年 ALLVIA ——深硅通孔(TSV) 3D IC和柔性电子的关键技术 无处不电子的前提 微处理器、宽频连接和智能软件（设备）是21世纪改变人类社会和经济的三大技术创新 当前微电子技术的发展热点 生物探测芯片 神经网络计算（人工智能） 忆阻器(Memoristor) 超高频电路 石墨烯(Graphene) 超低功耗逻辑/存储 量子隧穿晶体管 自旋电子学晶体管 量子计算 自旋电子学晶体管 智能穿戴 柔性电子学(Flexible Electronics) 拓扑绝缘体(Topological Insulator) 提纲 微电子学 简明历史 研究内容 发展规律 微电子学研究的内容 微电子学的金字塔结构 微电子学的应用领域 微电子学的核心内容 集成电路的分类 双极集成电路：主要由双极晶体管构成 NPN型双极集成电路 PNP型双极集成电路 金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管(单极晶体管)构成 NMOS PMOS CMOS(互补MOS) 双极-MOS(BiMOS)集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂 集成电路的规模 微电子学器件 定义：可以构成集成电路的最小功能单元。 最具代表性的器件：场效应晶体管（MOSFET） 分立电路 将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源元件在电路板上连接起来，实现一定的电路功能，叫做分立电路 集成电路(Integrated Circuit – IC) 将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源元件，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 通过一系列特定的加工工艺来集成 封装在一个外壳内 执行特定电路功能 若干集成电路组合成系统 集成电路的生产流程 设计 掩膜（版图设计） 掩膜在集成电路制造中的作用 材料生长 芯片制造 封装和测试 集成电路中的晶体管 提纲 微电子学 简明历史 研究内容 发展规律 微电子产业的战略地位 关系到国家安全和国防安全 是拉动国民生产总值的最有力发动机 决定着在国际经济分工中地位 影响在第三次技术革命中的竞争力 半导体工业发展趋势 微电子产业对全行业的辐射 微电子技术发展的摩尔定律 摩尔定律的技术秘密 衡量集成度的特征尺寸 特征尺寸缩小带来的优势 集成电路速度提高 芯片上集成器件数增大 集成电路的功能提高 单位晶体管成本降低 微电子产业的主要形态 我国微电子产业概况 市场规模快速成长 缺乏核心制造技术 缺乏规模以上IDM，代工厂以及设计公司 小结 微电子学是研究微小型电路及系统的一门综合性应用科学。 微电子学的核心基础是集成电路技术。 集成电路产业发展遵循着摩尔定律。 本章重点 基本概念 微电子、集成电路、集成度、摩尔定律 集成电路的几种主要分类方法 按器件类型 按规模 一些英文缩写词 IC、VLSI、ULSI等
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