华南理工大学半导体物理绪论课件

1、半 导 体 物 理华南理工大学电子与信息学院 蔡 敏 教授教材及参考书目半导体物理学刘恩科、朱秉升、罗晋生等编著，电子工业出版社半导体(美) R.A 史密斯著，高鼎三译半导体物理基础黄昆、韩汝琦著 半导体器件 物理与工艺(美)施敏(S.M.Sze)著，王阳元等译 半导体物理学刘文明著内容简介绪言半导体的晶体结构半导体能带半导体中载流子的统计分布半导体的导电性非平衡载流子半导体表面及MIS结构半导体的物理效应量子论、量子力学和量子场论的发展，不仅深化了人们对物质微观结构和相互作用的认识，而且也为核技术、微电子和光电子技术的发展奠定了基础。我们目前讲的信息技术指的是电子信息技术信息的载体是：电子

2、二十世纪是科学革命的世纪，重大的科学发现与理论创新不但改变了科学技术本身，也改变了人们的自然观、世界观，改变了人类社会的文明进程 信息论、控制论和系统论 二十世纪四十年代后期（1948）发展起来的信息论、控制论和系统论，为20世纪以来的通信技术、计算机技术、智能机器、公共工程、跨国公司经营、全球金融、生态环境与数字地球、生命与认知行为研究，乃至现代经济、管理、社会和军事科学等提供了新的理论与方法。世界第一只晶体管世界第一块集成电路（TI，1958)） J. S. Kilby集成电路的战略地位和关键作用信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，与材料和能源一起是人类社会的三大资源。知识经济的支

3、柱产业微电子产业和科学技术对我国以及世界经济都有着举足轻重的作用，成为一个国家综合国力的重要标志之一。微电子芯片和软件是信息产业的基础和核心。原始硅材料经过人们的设计和一系列特定的工艺技术加工创造，将体现信息采集、加工、运算、传输、存储和随动执行功能的信息系统集成并固化在硅芯片上，成为信息化的基础，一芯千金。现代经济发展的数据表明，GDP每增长100需要10元左右电子信息工业产值和1元集成电路产值的支持。以单位质量钢筋对GDP的贡献为1计算，则小汽车为5，彩电为30，计算机为1000，而集成电路的贡献率则高达2000。微电子技术和产业成为世界各国综合国际竞争力的标志之一。集成电路产业特点渗透力

4、强、附加价值高 IC由原材料加工到成为产品，附加价值大幅度增加。IC应用到国民经济各领域，使用价值也大大得以增加。市场敏感、更新周期短 IC市场敏感和周期短的根源是信息社会中电子整机的需求和更新换代牵引了IC市场发展，IC发展又推动了电子整机的进一步发展。技术密集、信息含量大 IC的产品设计、制造和封装所用技术与设备融合了材料、器件物理、计算机、光学、化学、真空、精密机械、理化分析等科学技术的最新成就。投资密集、经济效益好 IC的竞争就是设备、技术和人才的竞争，只有持续不断地增大投入，IC才能形成规模经济，产品才有竞争能力。生产的规模化带来IC产品的低成本和低价格化。当形成规模经济后，IC产业

5、将会产生很高的经济效益。 微电子技术发展规律1947年，贝尔实验室肖特莱等人发明了晶体管，这是微电子技术发展中一个重要里程碑。1958年，美国TI公司研制出了第一块数字IC，这可以说是半导体史上的革命性突破，随后20年该技术得到了飞速的发展。自1965年以来，集成电路发展遵循了Intel公司创始人Gordon E. Moore 预言的摩尔定律，即每18个月集成度翻一番。在21世纪前10年，微电子产业仍将以尺寸不断缩小的硅基CMOS工艺技术为主流。世界集成电路设计技术发展现状 世界集成电路加工工艺水平:2007年45纳米技术进入量产,2018年前后达到16纳米、12英寸加工工艺过渡（Low-k、

6、铜互连）。系统芯片（System-on-Chip）正在成为集成电路产品的主流。超大规模集成电路IP复用（IP Reuse）和硬软件协同设计水平日益提高。集成电路设计业、制造业、封装业三业并举设计能力滞后于制造工艺，设计工具落后于设计水平全球IC市场呈四级化格局日本20.5%亚太地区26.3%美国31.5%欧洲21.7%世界IC产业已经形成了美国、日本、欧洲和亚太地区四大代表性市场。各国、地区集成电路发展模式美国：科技先导型、军工带动型、海外开拓型日本：技术引进赶超型、民用电子带动型、市场导向国际竞争型韩国：政府高强度支持型、引进外资技术型、跨越式发展型我国台湾省：标准加工工艺型、PC应用带动型

7、、Fabless与设计服务（现处于标准工艺加工世界第一、封装世界第一、设计世界第二；2002年起实施“矽导Silicon Soft计划”，大力推进SoC技术与产业）台湾地区的矽岛计划（Si-Soft）在计划构想中，最关键要素是人才、技术、和环境。预期产业规模，每年至少要培养2000名高级集成电路设计工程师。为此，每年拔60名教授名额，广邀SOC设计专长老师，培育SOC设计人才，发挥群聚效应。台湾大学为应对SOC发展，于2001年8月成立以培养集成电路设计与工艺人才为目的的电子工程学研究所，分成 “集成电路与系统”和“微电子工艺”两个方向，招收博士班与硕士班学生，每年150余人。台湾清华大学于2

8、000年11月成立集成电路设计技术研发中心，其宗旨为研发具有创新性、前瞻性、或先导性之SOC集成电路设计与测试技术，建立世界一流科技声望，协助提升台湾集成电路产业国际竞争力。 商业化如：电视机、洗衣机、电冰箱、VCDDVD等 美国日本亚洲四小龙中国大陆欧洲产业东移 全球制造业的发展趋势 商业化发明大众化如：电视机、洗衣机、电冰箱、VCDDVD等数据来源: 北京商报 (2002/8)产量全球份额中国:演进中的全球电子产品制造中心如下是部分产量居世界第一的电子产品及其全球市场份额人均GDP美元劳动密集型服装鞋帽玩具 农业资本密集型IC制造.显示器制造 知识密集型品牌与营销软件 电子游戏新产业附加价

9、值技术密集型电子组装业.计算机手机电视机冰箱经济发展推动产业不断升级100010,00030,000100中国的各大经济区域数据来源: iSuppli, 出口为 2002年数据, 其它为 2001年数据自东向西，自沿海到内陆，有着显著的经济梯度，也为中国发展电子信息产业提供了广阔的空间与纵深的市场长三角地区人口: 136 mlnGDP: US$256 bn出口: US$100 bn珠三角地区人口: 119 mlnGDP: US$344 bn出口: US$156 bn渤海湾地区人口: 181 mlnGDP: US$238 bn出口: US$45 bn台湾地区人口: 22 mlnGDP: US$2

10、85 bn出口: US$131 bn东北地区人口： 107 mlnGDP：US$128 bn出口： US$17 bn西部地区人口: 58 mlnGDP: US$40 bn出口: US$2 bn西南地区人口: 137 mlnGDP: US$72 bn出口: US$4 bn长江中上游地区人口: 348 mlnGDP: US$245 bn出口: US$11 bn北部平原人口: 189 mlnGDP: US$131 bn出口: US$8 bn中国IC的需求与产出间的缺口巨大全球15的需求，2.6的产出（2003年）单位：十亿美元中国集成电路产业正蓄势待发环渤海经济圈长三角经济圈珠三角经济圈中西部经济圈

11、2003年中国集成电路市场创下了41.0%的惊人增长率，成为全球市场的最亮点Source：CCID Consulting中国集成电路市场规模99-03 CAGR：39.4%Growth Rate Y/YRevenue:100M RMB预计到2015年国内集成电路市场规模将超过1万亿元中央高度关注及重要举措99年8月，全国技术创新大会召开，中共中央、国务院“关于加强技术创新，发展高科技实现产业化的决定”发表，为我国集成电路设计业的发展奠定基础；2000年1月，李岚清同志致信科技部、教育部、中科院领导，要求加强对集成电路和软件技术产业发展战略研究，提出对应措施；2000年6月，国务院发布“关于加快

12、我国集成电路与软件产业发展的若干意见”国发2000（18号）文件；国家科教领导小组批准科技部提出的“十五”集成电路和软件重大科技专项。十二五时期，国家科技重大专项加快实施，战略性新兴产业发展的新要求，将推动集成电路核心技术实现突波，持续带动产业的大发展。随着4号文件中关于财税、投融资、技术研发和人才等方面的实施细则陆续落实，各地方政府相继出台配套政策，集成电路产业发展环境将得到进一步完善。集成电路最重要是两大因素：一个叫市场，一个叫人才。中国市场很大，人才济济。中国集成电路发展非常宽广。集成电路产业化基地为集成电路的发展，高技术的发展提供了一个技术服务平台。这个平台既是研发的平台，又是孵化的平

13、台。这个平台提供的是整合资源和公共服务。这个平台可以充分集中和利用公用资源。集成电路的发展前景，它的竞争力，它的潜力，它的创造力都表现在知识产权，就是表现在人的头脑当中，这就需要创新。温家宝总理视察上海集成电路设计产业化基地时指出集成电路产业链正在形成 目前我国半导体产业已初步形成了电路设计、芯片制造和封装业共同发展的、具有一定规模、面貌一新的发展格局。特别是包括上海、江苏、浙江在内的长江三角洲，初步形成了开发、设计、芯片制造、封装测试及支撑业和服务在内的完整的IC产业链。 京津环渤海湾地区的设计优势比较明显, 芯片制造也有一定实力。珠江三角洲地区已经云集了二百多家IC设计、IC封装测试、IC

14、制造，整机制造和风险投资企业，显示了在市场杠杆的调节下，已经初步形成了以深圳为中心比较完整的IC产业链，而这其中，深圳的IC设计公司更是因快速发展而倍受瞩目。 随着国家西部大开发战略的实施，西部将不断迎来新的发展机遇。目前，国家七大设计基地之一的西安IC设计基地已初具规模，IC制造业也开始显露头脚。 我国集成电路市场继续成为全球最有活力和发展前景的市场区域，进而带动我国集成电路产业快速发展。预计2015年我国集成电路产业销售收入达到3300亿元，年均增长18%，满足国内近30%的市场需求。产业竞争力进一步增强，涌现出5-10家销售收入超过20亿元的设计企业，1-2家销售收入超过200亿元的芯片

15、制造企业，2-3家销售收入超过70亿元的封装测试企业。十五863重大科技专项集成电路设计专项的指导思想和战略目标体现国家意志，集聚一流人才，发挥后发优势，抢抓国际IT产业结构重组的难得机遇，在国家重大科技专项的旗帜下高起点地推进具有战略前瞻意义的超大规模集成电路设计技术及产业的自主创新与历史跨越；探索拔尖人才成长与团队创新机制，探索自主知识产权核心芯片开发与产业化机制，探索国际接轨的集成电路设计企业孵化与培育机制；在2010年我国成为世界第二集成电路消费大国的同时，成为名副其实的集成电路设计大国。863专项发展目标一批基地：国家级集成电路设计产业化基地二大重点：系统芯片SoC与微处理器CPU三

16、个方向：信息安全、网络通信、信息家电四项服务：MPW、IP核联盟、EDA工具、 国际合作五类成果：人才、标准、专利、产品、企业国家集成电路人才培养体系半导体主流技术1982 1987 1992 1997 20021997年：半导体中IC占87%IC中Si-IC 占 98%Si-IC 中Si-MOS 占87%100%80604020CMOSNMOSBip/AnalogBip/LogicBiCMOS5%86%GaAs=1%硅技术主流硅技术半导体技术“路线图”小就是美A=L22)性能上升 造价下降 1)功能提高 成本不变21线条缩小:1）成本不变 集成的器件数量翻番2）造价下降 集成电路性能翻番成本不变 功能提高造价下降 性能上升smaller feature and di