微电子器件(绪论)

微微电电子子器器件件钟钟智智勇勇办公室：办公室：微电子楼微电子楼217217室室电话：电话：8320144083201440EE--mail:mail:[e-mail]@uestc.edu.cn答疑时间：周三晚上答疑时间：周三晚上8:008:00--10:0010:00绪论1、课程介绍2、半导体器件的发展简史3、半导体器件的基本构件4、半导体器件中的基本关系与方程一、课程介绍•课程内容•为什么学习本课程•怎样学习本课程•课程的有关安排1.1、微电子器件与半导体器件的关系半导体器件（SemiconductorDevice）指是利用半导体材料（单晶）制备的具有特定功能的电子器件。微电子器件（MicroelectronicDevices）主要是指能在芯片上实现的电阻、电容、电感、半导体器件等电子器件。另一种说法是，微电子器件是指芯片中的线宽在微米量级的器件，更小的称作纳米电子器件。1、课程内容半导体器件微电子器件1.2、半导体器件研究内容¾研究半导体器件中载流子（电子或空穴）的运动规律¾进而研究器件性能与器件结构以及材料特性间的关系9迄今大约有60种主要的半导体器件以及100种和主要器件相关的变异器件¾研究半导体器件中载流子运动行为的控制方法1.pn结2.双极性晶体管（BJT)3.MOS晶体管建议阅读与深入学习内容4.异质结微电子器件5.有机微电子器件6.新器件（纳米-自旋电子器件）学习三种典型器件的学习三种典型器件的基本工作原理、结构基本工作原理、结构与电特性（与电特性（交直流特交直流特性等性等）的关系）的关系，为进，为进一步学习打下坚实的一步学习打下坚实的理论基础。理论基础。1.3、本课程的学习内容2.1从课程体系看•本课程是“电子科学与技术（微电子技术）”与“集成电路设计与集成系统”专业的一门专业主干课。是从事微电子、集成电路等研究、开发的专业基础课程之一9IC的基础9数字集成电路的建库等9模拟集成电路、射频集成电路设计9近代集成电路设计和制造的重要理论基础2、为什么学习本课程2.2从产业发展看电子工业是主导产业设计制造封装测试需求应用电子产业的核心是集成电路，而半导体器件是集成电路的基础难物理机理多公式多1.复习半导体物理知识2.多看、多思，准确把握基本物理概念及机理1.理解推导思路2.尽可能地亲自推导相关公式3.注意各公式的使用条件1.结合物理机理，理解与掌握公式中各参数之间关系2.相关知识的灵活应用3、本课程的学习方法4、本课程的讲述思路本课程目的：三种器件的基本结构，工作原理，主要特性外电场作用下载流子在器件内的运动规律定性分析（掌握物理机理）定量分析（掌握器件性能与相关参数关系）掌握研究与分析微电子器件特性的基本方法4.1、教材与参考书教材：微电子器件（第3版），陈星弼，张庆中，2011年参考书：1.半导体器件基础，B.L.Anderson,R.L.Anderson,清华大学出版社，2008年2.半导体器件基础，RobertF.Pierret,电子工业出版社，2004年3.集成电路器件电子学（第三版），RichardS.Muller,电子工业出版社，2004年4.半导体器件物理与工艺（第二版），施敏，苏州大学出版社，2002年5.半导体物理与器件（第三版），DonaldA.Neamen,清华大学出版社，2003年6.PhysicsofSemiconductorDevices(3thEdition),SMSze,Wiley-Interscience,20074、课程的相关安排与要求4.2、其它总学时数：72学时其中课堂讲授：60学时，实验：12学时成绩构成：期末考试：70分、期中考试：10分、平时：10分、实验：10分考试形式：闭卷考试提示：1.带计算器上课2.本课程不是短时间就能搞定的课程1904年：真空二极管1907年：真空三极管11电子管的发明电子管的发明二、半导体（电子）器件的发展历程2晶体管的发明•1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组,W.Schokley，J.Bardeen、W.H.Brattain。•Bardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验。•1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管。3集成电路的发明•1952年5月，英国科学家G.W.A.Dummer第一次提出了集成电路的设想。•1958年以TI的科学家基尔比(ClairKilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，并于1959年公布了该结果。•Intle公司德诺宜斯（RobertNoyce）同时间发明了IC的单晶制造概念。RobertNoyce(Intel)ClairKilby(TI)电子管晶体管集成电路4半导体器件发展史上的重要里程碑•布朗(Braun)在1874年发现金属和金属硫化物(如铜铁矿，copperpyrite)接触的阻值和外加电压的大小及方向有关。•在1907年，朗德(Round)发现了电致发光效应(即发光二极管，1ight-emittingdiode，LED)，观察到当在碳化硅晶体两端外加10V的电压时，晶体会发出淡黄色的光。•1952年伊伯斯(Ebers)为复杂的开关器件—可控硅器件(thyristor)提出了一个基本的模型。•以硅p-n结制成的太阳能电池(solarcell)则在1954年被阕平(Chapin)等人发明。太阳能电池是目前获得太阳能昀主要的技术之一，它可以将太阳光直接转换成电能。•1957年，克罗马(Kroemer)提出了用异质结双极型晶体管(heterjunctionbipolartransistor，HBT)来改善晶体管的特性，这种器件有可能成为更快的半导体器件。半导体器件发展史上的重要里程碑（续）•1958年江崎(Esaki)则观察到重掺杂(heavilydoped)的p-n结具有负电阻的特性，此发现促成了隧道二极管(tunneldiode，或穿透二极管)的问世．隧道二极管以及所谓的隧穿现象(tunnelingphenomenon，或穿透现象)对薄膜间的欧姆接触或载流子穿透理论有很大贡献。•1960年由姜(Kahng)及亚特拉(Atalla)发明的MOSFET，是先进集成电路昀重要的器件。•1962年霍尔(HalI)等人第一次用半导体做出了激光(1aser)。•1963年克罗马(Kroemer)、阿法罗(Alferov)和卡查雷挪(Kazarinov)发表了异质结构激光(heterostructurelaser)，奠定了现代激光二极管的基础，使激光可以在室温下连续工作。半导体器件发展史上的重要里程碑（续）•1963年冈(Gunn)提出的转移电子二极管(transferred-electrondiode，TED)，又称为冈二极管(Gunndiode)，被广泛应用到侦测系统、远程控制和微波测试仪器。•姜士敦(Johnston)等人发明的碰撞电离雪崩渡越时间二极管（IMPATTdiode）,是目前可以在毫米波频率下产生昀高连续波（continuouswave,CW）功率器件。•1966年由密德（Mead）发明金半场效应晶体管（MESFET），并成为单片微波集成电路monolitlicmicrowaveintegratecircuit,MMIC）的关键器件。半导体器件发展史上的重要里程碑（续）•1967年姜(Kahng)和施敏发明了一种非挥发性半导体存储器(nonvolatilesemiconductormemory，NVSM)，可以在电源关掉以后，仍然保持其储存的信息。成为应用于便携式电子系统如手机、笔记本电脑、数码相机和智能卡方面昀主要的存储器。•1970年波意尔(Boyle)和史密斯(Smith)发明电荷耦合器件(charge-coupleddevice，CCD)它被大量地用于手提式摄像机(videcamera)和光检测系统上。•1974年张立纲等明了共振式隧道二极管(resonanttunnelingdiode，RTD)，它是大部分量子效应(quantum-effect)器件的基础．量子效应器件因为可以在特定电路功能下，大量地减少器件数量，所以具有超高密集度、超高速及更强的功能．•1980年，Minura等人发明了调制掺杂场效应晶体管(modulation-dopedfield-effecttransistor，MODFET)，如果选择适当的异质结材料，这将会是更快速的场效应晶体管。半导体器件发展史上的重要里程碑（续）•1994年，Yano等人发明室温下工作的单电子存储器，其将成为1TB昀先进的半导体存储器的基础•1998年，IBM公司与日本NEC公司合作，采用原子力显微镜技术研制成功碳纳米管晶体管。•1998年，普林斯顿大学研制成功室温下工作的硅基单电子量子点晶体管。•2004年，杨福良等人研制成功栅长仅为5nm的纳米线FinFET•……进一步参阅：肖德元，陈国庆，半导体器件发展历程及其展望，固体电子学研究与进展，Vol.26,No.4,2006,p510-515公元半导体器件作者/发明者1874金属-半导体接触Braun1907发光二极管Round1947双极性晶体管BardeenBrattainShockley1949P-N结Shockley1952太阳能电池ChapinFullerPearson1958隧道二极管Esaki1960MOSFETKshngAtalla1967非挥发性半导体存储器Kahng施敏总结：主要半导体器件发明日期与发明人•1965年4月，仙童半导体公司的戈登·摩尔(GordenMoore)在《电子学》杂志上发表文章预言：集成电路芯片上集成的晶体管数量将每年翻一番。•1975年，摩尔又在国际电信联盟的学术年会上提交了一篇论文，根据当时的实际情况把增长率修正为每两年（更准确的时间是两者的平均：18个月）翻一番。集成电路的发展规律——摩尔定律摩尔定律会失效吗？未来发展趋势硅微电子器件与技术的三个发展方向¾特征尺寸继续等比例缩小¾集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC)¾微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等BetterDesign/architectureMultipleGatesforsuperiorfieldcontrolBetterMaterials?StrainedSi,SiGeBottomGateSourceDrainTopGateChannelCarbonNanotubesVGVDINSULATORISiliconNanowiresOrganicMoleculesNewPrinciples?SPINTRONICSEncodebitsinelectron’sSpin--ComputationbyrotatingspinsGMR(Nobel,2007)MRAMsSTT-RAMsQUANTUMCELLULARAUTOMATAEncodebitsinquantumdotdipolesBIO-INSPIREDCOMPUTINGExploit3-Darchitectureandmassiveparallelism纳米线计算机推迟摩尔法则大限Nanowirenanocomputerasafinite-statemachine,www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1323818111/-/DCSupplemental由麻省理工大学研究会公司和哈佛大学科学家与工程师组成的一个跨学科研究小组合作，用“自下而上”的方法将极微细的纳米线晶体管进行复杂的组装，制造出一种超小、超低能耗的控制处理器，在制造超小电子计算机系统上迈出了关键一步，同时也将逼近的“摩尔法则”的大限远远推开金属半导体1、金属－半导体接触{欧姆接触整流接触金、半接触是昀早的半导体器件（1874年），可做肖特基二极管典型应用：在MESFET中，以整流型接触做栅极（gate)，利用欧姆接触做漏极（