场效应器件物理0绪论1

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1、2021/8/30XIDIANUNIVERSITY绪论场效应器件物理张丽2021/8/30XIDIANUNIVERSITY2现代集成电路人才的知识结构物理知识：量子力学→固体物理→半导体物理→半导体器件物理电路知识：数字电路→模拟电路→数字集成电路→模拟集成电路系统知识：信号与系统→计算机体系结构，通信系统原理，信息处理工艺知识：半导体工艺原理→材料与封装工具知识：Cadence/Synophsis/Mentor等开发出的EDA软件工具。逻辑电路级：VHDL、VerilogHDL硬件描述语言和分析综合工具晶体管级：SPICE、HPICE、SPECTRE等电路分析工具。2021/8/3

2、0XIDIANUNIVERSITY3本课程要求听课要求预习教材，记好记录注重概念原理，兼顾公式数据先期基础半导体物理：能带论，载流子输运双极型器件物理：pn结教材D.ANeamen《半导体物理与器件》参考书施敏《半导体器件物理》、RichardS.Muller《集成电路器件电子学》（电子工业出版社）考核方式平时成绩20％考试80％2021/8/30XIDIANUNIVERSITY4集成电路概况定义封装好的集成电路集成电路芯片的显微照片集成电路（IC，IntegratedCircuits）是电路的单芯片实现；是微电子技术的核心；集成电路：通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源

3、器件和电阻、电容、电感等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体晶片上，并封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能的微结构。2021/8/30XIDIANUNIVERSITY5集成电路概况内部电路和版图芯片工艺：0.6um，CMOS主频：100MHz晶体管数目：320万Intel奔腾CPU内部显微照片集成电路的内部电路VddABOut2021/8/30XIDIANUNIVERSITY6集成电路概况制备单晶制备晶圆制备芯片制备测试封装Wafer（晶圆）Chip（芯片）2021/8/30XIDIANUNIVERSITY7集成电路概况发展：摩尔定律Moore’sLaw：Intel

4、公司创始人之一，GordenE.Moore博士在研究存贮器芯片上晶体管增长数的时间关系预测半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年翻一番1975年又提出修正说，芯片上集成的晶体管数量将每两年翻一番引自Electronics,April19,1965.Moore预测曲线的原始手稿2021/8/30XIDIANUNIVERSITY8集成电路概况发展：趋势圆片面积越来越大特征尺寸越来越小单位面积晶体管数目越来越多电源电压越来越低布线层数越来越多2021/8/30XIDIANUNIVERSITY9集成电路概况发展：集成电路园片(Wafer)IntelPentium4IntelXeon™Int

5、elItaniumWafer（晶圆）Chip（芯片）直径增大1倍，面积增大3倍；300mm硅片相对于200mm硅片，直径为1.5倍，面积为1.52=2.25倍，芯片数为2.64倍2021/8/30XIDIANUNIVERSITY10集成电路概况发展：特征尺寸特征尺寸：芯片中最小线条宽度MOS器件的最小栅长，工艺技术水平的标志。2003年制造芯片的尺寸控制精度（180nm）已经达到头发丝直径的1万分之一，相当于驾驶一辆汽车直行400英里，偏离误差不到1英寸！2021/8/30XIDIANUNIVERSITY11硅基IC发展的可能极限1nm是研究的极限：1nm相当于13个硅原子并排放在一

6、起的尺度，再往下就没有理论研究的意义了；1－4nm是物理极限：量子效应已经很明显，会使器件无法工作，即使有新型器件结构出现，也将无法用于超大规模集成电路；4nm是制造极限：工艺水平无法实现更小的尺寸需求，在这个极限以下就只能做理论研究，而无法制作样品了；9nm是成本效益的极限：这种器件即使能研制出来，它的成本已经超过尺寸减小带来的好处，性价比下降，没有实用价值。目前22nm工艺已经投入使用，14纳米工艺正在研制，离9nm的成本效益极限已经不远了。2021/8/30XIDIANUNIVERSITY12关于距离量级的感性认识微电子学：研究电子在半导体和IC中的物理现象、物理规律，并致力于

7、这些现象规律的应用，包括器件物理、器件结构、材料制备、集成工艺、电路与系统设计、测试封装等。1m=102cm=103mm=106um=109nm=1010A=1012pm=1015fm2021/8/30XIDIANUNIVERSITY13（FET：FieldEffectTransistor只有一种载流子导电，又叫单极型）MOSFETMetal-Oxide-SemiconductorFETpn-JFETpnJunctionFETMESFETMetal-Sem