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微电子学概论

微电子学概论. 绪 论. 什么是微电子学 微电子学的发展历史 我国微电子学发展概况. 微电子学： Microelectronics 微电子学 —— 微型电子学 核心 —— 集成电路. 集成电路： Integrated Circuit ，缩写 IC 通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能. 封装好的集成电路. Vdd. A. B. Out. 集成电路. 集成电路的内部电路. 硅单晶片与加工好的硅片.

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Presentation Transcript

  1. 微电子学概论

  2. 绪 论 • 什么是微电子学 • 微电子学的发展历史 • 我国微电子学发展概况

  3. 微电子学：Microelectronics • 微电子学——微型电子学 • 核心——集成电路

  4. 集成电路： • Integrated Circuit，缩写IC • 通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能

  5. 封装好的集成电路

  6. Vdd A B Out 集成电路 • 集成电路的内部电路

  7. 硅单晶片与加工好的硅片

  8. 集成电路芯片的显微照片

  9. 64M SDRAM （华虹NEC生产） 芯片面积5.89×9.7=57mm2， 456pcs/w，1个IC中含有1.34亿只晶体管

  10. 集成电路的内部单元

  11. 栅长为90纳米的栅图形照片 沟道长度为0.15微米的晶体管

  12. 100 m 头发丝粗细 50m 30m 30~50m (皮肤细胞的大小) 1m  1m (晶体管的大小) 90年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较

  13. 系统需求 设计 掩膜版 芯片制造过程 芯片检测 封装 测试 单晶、外延材料 • 集成电路设计与制造的主要流程框架

  14. 功能要求 行为设计（VHDL） 否 行为仿真 是 综合、优化——网表 否 时序仿真 是 布局布线——版图 后仿真 否 是 Sing off 集成电路芯片设计过程框架 集成电路的设计过程： 设计创意 + 仿真验证 —设计业—

  15. 按电路功能分类 • 数字集成电路(Digital IC)：它是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路 • 模拟集成电路(Analog IC)：它是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路 • 线性集成电路：又叫做放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等 • 非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路 • 数模混合集成电路(Digital - Analog IC) ：例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等

  16. 集成电路的分类

  17. 微电子科学技术的发展历史

  18. 晶体管的发明 • 理论推动 • 19世纪末20世纪初发现半导体的三个重要物理效应 • 光电导效应 • 光生伏特效应 • 整流效应 • 量子力学 • 材料科学 • 需求牵引：二战期间雷达等武器的需求

  19. 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

  20. 获得1956年Nobel物理奖 1947年12月23日 第一个晶体管 NPN Ge晶体管 W. Schokley J. Bardeen W. Brattain

  21. 晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿

  22. 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年以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比(Clair Kilby)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

  23. 获得2000年Nobel物理奖 1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片

  24. 微电子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 • 1967年Kahng、S. Sze ——非挥发存储器 • 1968年Dennard——单晶体管DRAM • 1971年Intel公司微处理器——计算机的心脏 • 目前全世界微机总量约6亿台，在美国每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量。美国欧特泰克公司认为：微处理器、宽频道连接和智能软件将是21世纪改变人类社会和经济的三大技术创新

  25. 第一个CPU：4004

  26. Pentium III CPU芯片

  27. 微电子发展的规律 • 不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力 • 集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小 倍，这就是摩尔定律

  28. 微电子技术发展的ROADMAP 基于市场竞争，不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力。在新技术的推动下，集成电路自发明以来四十年，集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小 倍。这就是由Intel公司创始人之一Gordon E. Moore博士1965年总结的规律，被称为摩尔定律。

  29. 8080 8086 80286 80386 80486 Pentium PentiumPro 微处理器的性能 100 G 10 G Giga 100 M 10 M Mega Kilo 导入期 成熟期 Moore’sLaw 1970 1980 1990 2000 2010

  30. 集成电路技术是近50年来发展最快的技术 微电子技术的进步 按此比率下降，小汽车价格不到1美分 From S.M.SZE

  31. 我国微电子发展概况

  32. 我国微电子学的历史 • 1955年5所学校在北大联合创建半导体专业 • 北京大学、南京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学 • 教师：黄昆、谢稀德、高鼎三、林兰英 • 学生：王阳元、许居衍、陈星弼 • 1977年在北京大学诞生第一块大规模集成电路

  33. 我国微电子学的历史 • 1982年，成立电子计算机和大规模集成电路领导小组 • 主任：万里 • 80年代：初步形成三业分离的状态 • 制造业 • 设计业 • 封装业

  34. 我国年微电子发展展望 • 我国IC骨干企业地区分布及销售情况

  35. 我国年微电子发展展望 • 上海IC产业发展战略目标 • 到2010年总投资量600亿美元，建成20 ~ 40条生产线，200个设计公司及20家封装/测试厂 • 带动上海700亿美元相关产业发展，成为第一大产业

  36. 我国年微电子发展展望 • 上海中芯国际： • 14.76亿美元，8英寸，0.25微米，4.2万片/月 • 上海宏力 • 16.37亿美元，8英寸，0.25微米，4万片/月 • 北京华夏半导体 • 13亿美元，8英寸，0.25微米 • 天津Motorola MOS17 • 14.75亿美元，8英寸，0.25微米，6000片/周

  37. 我国微电子发展展望 • 北京讯创 • 2亿美元，6英寸，0.35 ~ 0.6微米，3万片/月 • 上海贝岭 • 6英寸，7.88亿元，0.5 ~ 0.35微米数模混合集成电路，1.5万片/月 • 杭州士兰 • 6英寸

  38. 我国年微电子发展展望 • 未来十年将是我国微电子产业的黄金时期

  39. 结束语 石器时代 ~ 35000年 铜器时代 ~ 1800年 铁器时代 ~ 3200年 硅器时代 XX 年？ 3000BC 1200BC 1968 5000 4000 3000 2000 1000 0 1000 2000 3000 4000

  40. 结束语 • 2000年：以集成电路为基础的电子信息产业成为世界第一大产业 • 硅是地球上除氧以外含量最丰富的元素，但它现在已经成为知识创新的载体，价值千金。这是典型的“点石成金” • 采取正确的战略，就可以在集成电路领域就有可能后来居上 • 至少在今后50年，微电子技术仍会高速发展

  41. 谢 谢

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