现代半导体器件物理与工艺

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现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论1现代半导体器件物理与工艺

概论

Physics and Technology of Modern

Semiconductor Devices

2004,7,30

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论2/

课程概论

课程名：现代半导体器件物理与工艺 学分：4

时间：秋季学期1-16周 先修课程：

z 固体物理学z 半导体物理

z

热力学与统计物理学z 量子力学

z 模拟电子技术基础z

数字电子技术基础

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论3/学习目标

掌握半导体物理基本理论

掌握基本器件物理知识 掌握IC制造工艺知识 Pspice建模

了解什么是微电子学和研究什么方面 了解微电子学的过去、现状和未来

初步了解集成电路设计、集成电路CAD方法等基本概念

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论4/

教材和参考资料

半导体器件物理与工艺施敏苏州大学出版社

半导体制造技术Michael Quirk et al. 电子工业出版社 微电子学概论张兴北京大学出版社

固体物理

黄昆高等教育出版社

Handbook of Semiconductor Fabrication Technology New York :Marcel Dekker,c2000 半导体中的杂质深能级

A.G.米尔恩斯

科学出版社

以及其他的papers 、conferences 、handouts

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现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论5/成绩考核&致谢

课程考核

z 平时实验：20％z 课外阅读：20％z

期末考试：60%

致谢

z 承蒙参考书目、论文为课件提供了理论z 承蒙许多网站提供了各种资料z

承蒙其他课件各种提供

声明

z

此课件仅仅用于课堂教学，不得用于其他商业用途

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论6/

课程内容

概论

Introduction

第一部分半导体物理Semiconductor Physics

第二部分半导体器件Semiconductor Devices

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论7/第一部分半导体物理

概述

Introduction

第一章热平衡时的能带和载流子浓度

Band Level and Carriers density in Thermal Equilibrium

第二章载流子输送现象

Carriers Transport Phenomena

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论8/

第二部分半导体器件

第四章p-n 结PN Junction

第五章双极型晶体管及相关器件

Bipolar Junction Transistor & Related Devices

第六章MOSFET 及相关器件

M etal O xide S emiconductor F ield E ffect T ransistor & Related Devices

第七章MESFET 及相关器件

M etal S emiconductor F ield E ffect T ransistor & Related Devices 第八章微波二极管、量子效应和热电器件

Microwave Diode, Quantum Effect & Pyroelectric Devices

第九章光电器件Photoelectric Devices

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现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论9/第三部分半导体工艺

半导体产业介绍 硅片制作中的沾污控制 测量学和缺陷检查 晶体生长和外延 薄膜淀积 图形曝光与光刻

杂质掺杂

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论10/

半导体器件物理研究什么？

研究半导体器件中电子或空穴的运动规律，如何通过“能带裁剪工程“(构造特定形状的势垒结构)来控制载流子(电子、空穴)的运动，使其载流子的运动行为满足特定的要求。以及在在不同器件结构下，研究其不同方面的电性能和光性能。

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论11/为什么要学习该课程？

身为一个应用物理、电机工程、电子工程或材料科学领域的学生，你可能会自问:为什么要学习这门课程？？？？？？？？

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论12/

理由很简单

自从1998年以来，电子工业是世界上规模最大的工业，其全球销售量超过一万亿美元。而半导体器件正是此工业的基础。另外，要更深入地了解电子学的相关课程，拥有半导体器件的最基本的知识是必要的，它也可以使你对现代这个由电子技术发展而来的信息时代有所贡献。

1980－2000年的全球国民生产总值（WGP ）及电子、汽车、半导体和钢铁工业的销售量，并外插此曲线到2010年止

4现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论13/半导体工业的核心是什么？

从上图中可以得知：

电子工业和半导体工业已经超过传统的钢铁工业、汽车工业，成为21世纪的

高附加值、高科技的产业。电子工业的高速发展依赖于半导体工业的快速提高，

而在半导体工业中其核心是集成电路（电集成、光集成、光电集成），集成电路

在性能、集成度、速度等方面的快速发展是以半导体物理、半导体器件、半导体

制造工艺的发展为基础的。核心是：集成电路【Integrated Circuit ：IC 】

通过一系列特定的平面制造工艺，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关系，“集成”在一块半导体单晶片上，并封

装在一个保护外壳内，能执行特定的功能复杂电子系统。

半导体器件物理为其提供了基础知识，是半导体工业的发展平台。

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论14/IC的战略地位集成电路的战略地位首先表现在当代国民经济的“食物链”关系。进入信息化社会的判据：半导体产值占工农业总产值的0.5%。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论15/据美国半导体协会（SIA）预测电子信息服务业30万亿美元

相当于1997年全世界GDP 总和

电子装备6-8万亿元

集成电路产值1万亿美元

GDP ≈50万亿美元

2012年

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论16/

世界GDP 增长与世界集成电路产业增长情况比较（资料来源：ICE 商业部）

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现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论17/两个列子

1985-1990年间世界半导体商品市场份额

日本公司美国公司

39%37.9%

51.4%

50%人均IC 产值年增长率人均电子工业年增长率人均GNP 年增长率日本>美国

日本>美国

日本>美国

2.2% 1.1%0.1%

80年代后期-90年代初美国采取了一系列增强微电子技术创新和集成电路产业发展的措施，重新夺回领先地位。90年代以来美国经济保持持续高速增长主要得益于信息产业的发展，而其基础是集成电路产业与技术创新。

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论18/

90年代日本经济萧条的同时，集成电路市场份额严重下降。

1990

1992

1994

1996

1998

2000

14

16182022

242628303234363840 日本 美国 欧 洲 亚洲

市场变化—日本市场缩减—

市场份额

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论19/

中国台湾地区60年代后期人均GDP—200-300美元

（1967年为267美元）

70-80年代大力发展集成电路产业

90年代IT 业高速发展

97年人均GDP=13559美元

现代半导体器件物理与工艺

桂林电子科技大学概论20/

中国IT 企业与Intel 公司利润的比较

销售额利润 利润率 Intel 公司

294亿美元 73亿 美元 24.8%

我国中关村一家

很著名的以计算机销售生产为主的IT 企业 200亿人民币5亿 人民币

2.5% 我国的VCD 产业

2%

同样，TI 公司的技术创新，数字信号处理器（DSP ）使它的利润率比诺基亚高出10个百分点。

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现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论21/

几乎所有的传统产业与微电子技术结合，用集成电路芯片进行智能改造，都可以使传统产业重新焕发青春；

全国各行业的风机、水泵的总耗电量约占了全国发电量的30%，仅仅对风机、水泵采用变频调速等电子技术进行改造，每年即可节电500亿度以上，相当于三个葛洲坝电站的发电量(157亿度/年)；

固体照明工程，对白炽灯进行高效节能改造，并假设推广应用30%，所节

省的电能相当于三座大亚弯核电站的发电量(139亿度/年)。

微电子对传统产业的渗透与带动作用

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论22/

对国家安全与国防建设的作用

在农业社会：大刀长矛等冷兵器； 在工业化社会：枪、炮等热兵器

信息化社会：IC 成为武器的一个组成元，电子战、信息战。

美国国防部各类武器装备经费预算中的电子含量*(单位：%)

199319941995199619971998

1999

20002001飞机 37.640.140.339.439.138.8 37.838.939.1 导弹 52.9

55.2

59.359.959.660.3 60.159.559.9 空间 59 57.658.858.958.860 60.961.661.9 舰船

36.2

31.134.931.432.832.1 34.834.934 各种炮和武

器

15.7

17.519.319.820.420.8 20.620.822.7 车辆

14.3

14.416.422.826.6

25.8 24.8

28.429.4 国防预算中

的电子含量

40.7

41.2

41.4

41.4

42 42.5 42.9

43.6

43.6

注: *电子含量=电子采购费+科研费/国防武器装备采购费+科研费资料来源:

《30th Annual TEN-YEAR FORECAST Conference of Defense, NASA and Related Electronic Opportunities (fys 1995-2004) 》,Oct. 1994

现代半导体器件物理与工艺

桂林电子科技大学概论23/

对信息社会的重要性

Internet 基础设施

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