物理学与微电子工业01

1、会计学1物理学与微电子工业物理学与微电子工业01半导体器件物理半导体器件集成电路微电子工业半导体工业物理磁性物理电介质物理半导体物理年份年份2000200520102015 15年合计年合计销售收入销售收入(亿美元亿美元)73016550023005年平均年增长率（年平均年增长率（%）34412533国内国内IC应用市场占有率应用市场占有率2%9%30%50%国际市场占有率国际市场占有率0.43%1%3%5%生产线技术水平生产线技术水平8/0.358/0.1812/0.1012/0.05 到到2010年总投资量年总投资量600亿美元，建成亿美元，建成20 40条条生产线，生产线，200个设计公

2、司及个设计公司及20家封装家封装/测试厂测试厂 带动上海带动上海700亿美元相关产业发展，成为第一亿美元相关产业发展，成为第一大产业大产业我国微电子发展展望 研究半导体器件中研究半导体器件中电子或空穴的运动规律电子或空穴的运动规律，如何通过，如何通过“能带裁剪工能带裁剪工程程“(构造特定形状的构造特定形状的势垒结构势垒结构)来控制载流子来控制载流子(电子、空穴电子、空穴)的运动，使其的运动，使其载流子的运动行为载流子的运动行为满足特定的要求满足特定的要求，以及在不同器件结构下，研究其不，以及在不同器件结构下，研究其不同方面的同方面的电性能和光性能电性能和光性能。人类研究半导体器件已经超过人类研

3、究半导体器件已经超过125年，迄今大约有年，迄今大约有60种主要的器件以及种主要的器件以及100种和种和主要器件相关的变异器件。但所有这些器件均可由几种基本器件结构所组成。主要器件相关的变异器件。但所有这些器件均可由几种基本器件结构所组成。金属金属-半导体用来做整流接触，半导体用来做整流接触，欧姆接触；利用整流接触当作欧姆接触；利用整流接触当作栅极（栅极（grid)、利用欧姆接触作漏、利用欧姆接触作漏极极(drain)和源极和源极(source)。p-n结是半导体器件的关键基础结是半导体器件的关键基础结构，结构，其理论是半导体器件物其理论是半导体器件物理的基础。可以形成理的基础。可以形成p-n

4、-p双极双极型晶体管，形成型晶体管，形成p-n-p-n结构的结构的可控硅器件可控硅器件。异质结异质结(HBT)是快速器件和是快速器件和光电器件的关键构成要素。光电器件的关键构成要素。用用MOS结构当作栅极，再用两结构当作栅极，再用两个个p-n结分别当作漏极和源极，结分别当作漏极和源极，就可以制作出就可以制作出MOSFET。Robert Noyce(Intel)Clair Kilby (TI)和卡查雷挪和卡查雷挪(Kazarinov)发表了发表了异质结构激异质结构激光光(heterostructure laser)，奠定了现代，奠定了现代激光激光二极管二极管的基础，使激光可以在室温下连续的基础，

5、使激光可以在室温下连续工作。工作。n1966年由密德（年由密德（Mead）发明）发明金半场效应晶金半场效应晶体管体管（MESFET），并成为单片微波集成），并成为单片微波集成电路电路monolitl ic microwave integrate circuit ,MMIC）的关键器件。）的关键器件。三种重要的微波器件相继被发明制造出来：三种重要的微波器件相继被发明制造出来：集度、超高速及更强的功能集度、超高速及更强的功能n1980年，年，Minura等人发明了等人发明了调制掺杂场效应调制掺杂场效应晶体管晶体管(modulation-doped field-effect transistor，M

6、ODFET)，如果选择适当的异，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质结材料，这将会是更快速的场效应晶体管。电子设计的抽象层次结构图电子设计的抽象层次结构图器件是半导体器件物理器件是半导体器件物理的研究对象！的研究对象！集成电路的内部电路集成电路的内部电路VddABOut 硅单晶片与加工好的硅片硅单晶片与加工好的硅片设计设计芯片检测芯片检测单晶、外单晶、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制造芯片制造过程过程封装封装测试测试系统需求系统需求 集成电路集成电路的设计过程：的设计过程： 设计创意设计创意 + + 仿真验证仿真验证集成电路芯片设计过程框架集成电路芯片设计过程框架From

7、吉利久教授吉利久教授是是功能要求功能要求行为设计（行为设计（VHDL）行为仿真行为仿真综合、优化综合、优化网表网表时序仿真时序仿真布局布线布局布线版图版图后仿真后仿真否否是是否否否否是是Sing off设计业设计业硅片制造工艺流程，光刻为核心0.010.11101980198519901995200020052010微米微米芯片复杂度芯片复杂度栅长栅长58%/年年20%/人年人年设计产率设计产率差距增大差距增大10G1G100M10M1M100K10K1K集成电路设计能力增长不能跟上芯片复杂度的增长速率集成电路设计能力增长不能跟上芯片复杂度的增长速率Foundry功能要求功能要求行为级行为级多

8、工艺模块多工艺模块 p、DSP、E2PROM & Flash、A/D、D/AWafer级级封装后封装后成品级成品级逻辑级逻辑级版图级版图级MASK研究开发支持研究开发支持 Foundry建设建设Foundry的建设必须采用系统工程的方法的建设必须采用系统工程的方法基本特征：基本特征：67%13%18%2%AsiaNorthAmericaJapanEurope 2000年年Foundry业务地区分布业务地区分布（Semico Research Corp., 2-2000,counrtesy of Amkor Wafer Fabrication Services）Foundry类加工芯片数

9、量占世界集成电路芯片总产量的比例类加工芯片数量占世界集成电路芯片总产量的比例（资料来源：（资料来源：Dataquest）因此美国著名的预测与咨询公司因此美国著名的预测与咨询公司Dataguest： 未来属于未来属于Foundry台积电（台积电（TSMC）：如）：如ATI和和nVIDIA公司设计的图形处理芯片，公司设计的图形处理芯片，或者或者VIA，SIS，ALI设计的主板南北桥芯片组基本都是由设计的主板南北桥芯片组基本都是由TSMC和和UMC这两家公司负责生产。这两家公司负责生产。TSMC是由台湾是由台湾“半导体教父半导体教父”张忠谋先生创建。张忠谋先生创建。 台联电（台联电（UMC）：）：1

10、980年，岛内第一家集成电路公司。在曹兴诚年，岛内第一家集成电路公司。在曹兴诚的带领下，如今联电已成为仅次于台积电的台湾第二大半导体企的带领下，如今联电已成为仅次于台积电的台湾第二大半导体企业，同时也是世界上第二大专业芯片代工厂。业，同时也是世界上第二大专业芯片代工厂。中芯国际（中芯国际（SMIC）：中芯国际成立于）：中芯国际成立于2000年，公司总部位于中国上海，拥有三年，公司总部位于中国上海，拥有三座芯片代工厂，包括一座后段铜制程代工厂。技术能力包括逻辑电路、混合信号座芯片代工厂，包括一座后段铜制程代工厂。技术能力包括逻辑电路、混合信号 /射频电路、高压电路、系统级芯片、嵌入式及其他存储器

11、射频电路、高压电路、系统级芯片、嵌入式及其他存储器, 硅基液晶和影像感测硅基液晶和影像感测器等。器等。上海宏力上海宏力(GSMC)：宏力于：宏力于2000年年11月月18日奠基，一期项目总投资为日奠基，一期项目总投资为16.3亿美元，亿美元，目前已建成两座目前已建成两座12吋规格的厂房，其中一厂吋规格的厂房，其中一厂A线线(8吋线吋线)已投入生产，已投入生产，2004年年下半年月生产能力达下半年月生产能力达27,000片八吋硅片，技术水平将达片八吋硅片，技术水平将达0.13微米。微米。和舰科技（和舰科技（HJTC）:和舰于和舰于2001年年11月斥资月斥资15亿美元建立，坐落于风景优美、驰亿美

12、元建立，坐落于风景优美、驰名中外的名中外的“人间天堂人间天堂”-苏州工业园区，占地苏州工业园区，占地1.3平方公里，是一家具有雄厚外资，平方公里，是一家具有雄厚外资，制造尖端集成电路的一流晶圆专工企业。制造尖端集成电路的一流晶圆专工企业。Vsspoly 栅Vdd布线通道参考孔有源区N+P+ 50 m100 m头发丝粗细头发丝粗细 30 m1 m 1 m(晶体管的大小晶体管的大小)3050 m(皮肤细胞的大小皮肤细胞的大小)90年代生产的集成电路中晶体管大小与人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类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较从上图中可以得知：从上图中可以得知：

13、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，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（而在半导体工业中其核心是集成电路（电集成、光集成、光电集成电集成、光集成、光电集成），集成电路），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。制造工艺的发展为基础的。

14、核心是：核心是：集成电路集成电路【Integrated Circuit：IC】 通过一系列特定的通过一系列特定的平面制造工艺平面制造工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电，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，容等无源器件，按照一定的电路互连关系，“集成集成”在一块半导体单晶片上，并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。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发展平台。按 应应用领域分数字模拟字模拟混

15、非 线线性电线性电路模 拟拟电时序逻辑电路组合逻辑电路数字电字按功能分类GSIULSIVLSILSIMSISSI按 规规模分薄膜混合集成电膜厚膜混合集成电膜混合集成电合BiCMOSBiMOS型BiMOSCMOSNMOSPMOS型MOS双 极极单片集成电路按 结结构分集成电成?集成电路的战略地位首先表现在当代集成电路的战略地位首先表现在当代国民经济的国民经济的“食物链食物链”关系关系?进入信息进入信息化社会的判据：化社会的判据：半导体产值半导体产值占工农业总产值的占工农业总产值的0.5%1985-1990年间世界半导体商品市场份额年间世界半导体商品市场份额日本公司日本公司美国公司美国公司39%3

16、7.9%51.4%50%人均人均IC产值年增长率产值年增长率 人均电子工业年增长率人均电子工业年增长率 人均人均GNP年增长率年增长率 日本日本美国美国 日本日本美国美国 日本日本美国美国2.2%1.1%0.1%80年代后期年代后期-90年代初美国采取了一系列增强微电子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，重新夺回领先技术创新和集成电路产业发展的措施，重新夺回领先地位。地位。90年代以来美国经济保持持续高速增长主要得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，而其基础是益于信息产业的发展，而其基础是集成电路产业与技集成电路产业与技术创新。术创新。v两个

17、例子两个例子1990199219941996199820001416182022242628303234363840 日 本 美 国 欧 洲 亚 洲市场变化市场变化日本市场缩减日本市场缩减市场份额v90年代日本经济萧条的同时，集成电路市场年代日本经济萧条的同时，集成电路市场份额严重下降。份额严重下降。我国台湾地区我国台湾地区60年代后期人均年代后期人均GDP200-300美元美元（1967年为年为267美元）美元）70-80年代大力发展集成电路产业年代大力发展集成电路产业90年代年代IT业高速发展业高速发展97年人均年人均GDP=13559美元美元 在信息经济时代，产品以其信在信息经济时代，产

18、品以其信息含量的多少及处理信息能力的息含量的多少及处理信息能力的强弱，决定着附加值的高低强弱，决定着附加值的高低决决定着在国际经济分工中的地位定着在国际经济分工中的地位 销销售售额额 利利润润 利利润润率率 Intel公公司司 294亿亿美美元元 73亿亿 美美元元 24.8% 我我国国一一家家以以计计算算机机销销售售生生产产为为主主的的IT企企业业 200亿亿人人民民币币 5亿亿 人人民民币币 2.5% 我我国国的的VCD产产业业 2% 我国我国IT企业与企业与Intel公司利润的比较公司利润的比较同样，同样，TI公司的技术创新，数字信号处理器（公司的技术创新，数字信号处理器（DSP）使它的

19、利润率比诺基亚高出）使它的利润率比诺基亚高出10个百分点。个百分点。微电子对传统产业的渗透与带动作用微电子对传统产业的渗透与带动作用数控机床数控机床普通机床普通机床数字化技术改造数字化技术改造价格相差价格相差10倍倍集成集成电路电路整机系统整机系统高附加值高附加值在成长期进入在成长期进入市场，增强市市场，增强市场竞争力场竞争力微电子对传统产业的渗透与带动作用微电子对传统产业的渗透与带动作用没有微电子的电子工业只能是劳动密集型的没有微电子的电子工业只能是劳动密集型的组装业，不能形成高附加值的知识经济，中组装业，不能形成高附加值的知识经济，中国的硅谷将是无芯的硅谷国的硅谷将是无芯的硅谷各各类类武武

20、器器装装备备经经费费预预算算中中的的电电子子含含量量* *( (单单位位：% %) ) 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 飞飞机机 37.6 40.1 40.3 39.4 39.1 38.8 37.8 38.9 39.1 导导弹弹 52.9 55.2 59.3 59.9 59.6 60.3 60.1 59.5 59.9 空空间间 59 57.6 58.8 58.9 58.8 60 60.9 61.6 61.9 舰舰船船 36.2 31.1 34.9 31.4 32.8 32.1 34.8 34.9 34 各各种种炮炮和和武武器器 15.7

21、 17.5 19.3 19.8 20.4 20.8 20.6 20.8 22.7 车车辆辆 14.3 14.4 16.4 22.8 26.6 25.8 24.8 28.4 29.4 国国防防预预算算中中的的电电子子含含量量 40.7 41.2 41.4 41.4 42 42.5 42.9 43.6 43.6 注注: *电电子子含含量量=电电子子采采购购费费+科科研研费费/国国防防武武器器装装备备采采购购费费+科科研研费费资资料料来来源源 微电子对国家安全与国防建设的作用微电子对国家安全与国防建设的作用市场市场 销售额销售额 （10 亿美元）亿美元） 市场市场 销售额销售额 （10 亿美元）亿美元） 手提数据通讯手提数据通讯* 630 超薄显示器超薄显示器* 170 个人电脑个人电脑* 470 IC 卡卡* 165 移动电话服务移动电话服务* 380 地面微波广播地面微波广播* 160 CPU* 300 DNA 生物芯片生物芯片 160 数据存储产品数据存储产品* 270 多用途通讯设备多用途通讯设备* 155 磁存储磁存储* 250 半导体设备半导体设备* 150 电子商务电子商务* 250 电力交通工具电力交通工具 150 网络信息服务网络信息服务* 230 墙壁式超薄电视墙壁