物理学与新能源技术

关于物理学与新能源技术1第一页，共四十页，编辑于2023年，星期二2一、引言微电子技术：微型电子电路技术微电子：微型的电子电路实现某种特定功能的电子线路，集中制造在一块小小的半导体芯片上。把由若干个晶体管电阻电容等器件组成半导体基片上第二页，共四十页，编辑于2023年，星期二3一、引言微电子技术是信息社会生活和工作的基础。信息化的关键是计算机和通讯机，其基础都是微电子技术。微电子技术已经渗透到社会的各个领域，影响面极广，发展微电子技术是当今高科技发展的关键问题。微电子技术的核心是集成电路技术；集成电路的标志性产品是CPU（即中央处理器）；它广泛应用于人类社会的各个领域。如科技、经济、军事、金融、文教乃至家庭生活。第三页，共四十页，编辑于2023年，星期二41、微电子技术应用微电子技术被广泛应用于社会的各个行业微电子技术与计算机技术相辅相成，推动了信息技术的高速度发展传统工业的行业改造和技术更新使商业领域的传统账册产生了根本的变化与其他技术的结合和渗透发展成新的技术现代化的军事与国防也离不开微电子技术深刻地、广泛地影响着人们的生活

第四页，共四十页，编辑于2023年，星期二5微电子无处不在：公共汽车IC卡、银行储蓄卡和信用卡、小区智能卡、电子手表、语言贺卡和玩具、电子琴、手机、洗衣机、电视机、电话机等等日常生活用品中都有芯片（微电子）。第五页，共四十页，编辑于2023年，星期二6

1948年BELL实验室发明第一只晶体管——微电子技术第一个里程碑；

1959年硅平面工艺的发展和集成电路的发明——微电子技术第二个里程碑；

1971年微机的问世——微电子技术第三个里程碑。2、微电子技术发展及现状第六页，共四十页，编辑于2023年，星期二7人的头发100微米

Intel803861.20微米工艺33MHzIntel804860.80微米工艺100MHzIntelPentium0.60微米工艺200MHzIntelPII0.35微米工艺500MHzIntelPIII0.25微米工艺800MHz最近已经达到0.13微米2GMHz目前集成电路制造商进军≤0.1微米工艺

电子元器件和线路越来越小、细，集成度越来越高，芯片运行的速度越来越高快。摩尔定律：集成度（容量）每1、2、1.5年（65、97年、媒体）翻一番，而价格保持不变甚至下降。大规模芯片生产已达到0.25微米工艺，0.06微米已应用于显示，目前最窄：32纳米。第七页，共四十页，编辑于2023年，星期二83、向微米工艺的极限挑战

目前，由Intel为代表的多家公司正在开发“极端紫外”光刻技术，用氙灯将波长降至0.01微米；IBM则致力于0.005微米波长的X射线光刻技术研究工作。光刻技术大规模集成电路的集成度是微电子技术的重要标志；单晶片的尺寸已经从原来的5英寸发展到了今天的8英寸、12英寸。第八页，共四十页，编辑于2023年，星期二9电子管晶体管场效应管（厚膜）薄膜晶体管二、基本元件结构第九页，共四十页，编辑于2023年，星期二10电子管又称“真空管”（VacuumTube）电子管拥有三个最基本的极阴极(Cathode,K)：释放出电子流屏极(Plate，P)：吸引和收集阴极发射的电子（集极）栅极(Gird,G)：控制电子流的流量电子管的放大作用直热式三极管灯丝（Filament）的制作材料钨丝钍钨合金氧化硷土1．电子管第十页，共四十页，编辑于2023年，星期二11第十一页，共四十页，编辑于2023年，星期二12第十二页，共四十页，编辑于2023年，星期二132．晶体管半导体是制造晶体管的基本材料本征半导体、自由电子和空穴共价电子与N型半导体、P型半导体p-n结二极管和三极管极其工作原理

第十三页，共四十页，编辑于2023年，星期二14第十四页，共四十页，编辑于2023年，星期二15场效应管与晶体管的区别1.晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。2.晶体管参与导电的是电子—空穴，因此称其为双极型器件；场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子，因此称其为单级型器件。3.晶体管的输入电阻较低，一般102~104；场效应管的输入电阻高，可达109~1014场效应管的分类结型场效应管JFETMOS型场效应管JFET3、场效应管第十五页，共四十页，编辑于2023年，星期二16N沟道增强型MOS场效应管结构增强型MOS场效应管漏极D→集电极C源极S→发射极E栅极G→基极B衬底B电极—金属绝缘层—氧化物基体—半导体因此称之为MOS管Sect第十六页，共四十页，编辑于2023年，星期二17N沟道耗尽型MOS场效应管结构耗尽型MOS场效应管+++++++耗尽型MOS管存在原始导电沟道Sect第十七页，共四十页，编辑于2023年，星期二18结型场效应管（JFET)结构P+P+NGSDN沟道结型场效应管导电沟道结型场效应管第十八页，共四十页，编辑于2023年，星期二194、薄膜晶体管(TFT)ATO=Al2O3/TiO2超晶格第十九页，共四十页，编辑于2023年，星期二20Ga-dopedZnO第二十页，共四十页，编辑于2023年，星期二21第二十一页，共四十页，编辑于2023年，星期二22“集成电路”(IntegratedCircuit，IC)

把由若干个晶体管、电阻、电容等器件组成的、实现某种特定功能的电子线路，集中制造在一块小小的半导体芯片上集成度发展神速

1962：几个、1965：近100个（IC）

1967：100~1000个（中规模IC）

1967-1973：1000—10000个（LSIC）

1978：达10万~100万个单元（VLSIC）

目前集成度已突破千万单元三、集成电路第二十二页，共四十页，编辑于2023年，星期二23100个晶体管以下的集成电路称为小规模集成电路100—1000个晶体管的集成电路称为中规模集成电路1000个晶体管以上的集成电路称大规模集成电路10万个晶体管以上的集成电路称超大规模集成电路第二十三页，共四十页，编辑于2023年，星期二24第一代（以厘米为尺度的电子管）电子管计算机（1946-1957）第二代（以毫米为尺度的半导体）晶体管计算机（1959-1964）第三代小规模集成电路计算机（1964-1970）第四代大规模集成电路计算机（1970-）第二十四页，共四十页，编辑于2023年，星期二25第二十五页，共四十页，编辑于2023年，星期二26超大规模集成电路

Intel386芯片1.2微米、几十万个晶体管

P40.09微米、4200万个晶体管第二十六页，共四十页，编辑于2023年，星期二27集成电路中的基本元件结构阴极阳极集电极基极发射极源极栅极漏极

NPNPN+N+

金属N+

P型衬底P型衬底P型衬底P型阱

PN结二极管NPN晶体管nMOS晶体管半导体材料和半导体集成电路N+、P+，重掺杂第二十七页，共四十页，编辑于2023年，星期二28双极集成电路工艺

砷注入SiO2SiO2

p-Si衬底

（a）埋层制备半导体集成电路工艺技术举例子第二十八页，共四十页，编辑于2023年，星期二29双极集成电路工艺

N外延层P衬底N+

埋层

(b)外延层制备半导体和半导体集成电路第二十九页，共四十页，编辑于2023年，星期二30双极集成电路工艺光致抗蚀剂钝化层N外延层

N+

P

（c）隔离区窗口制备半导体集成电路工艺技术第三十页，共四十页，编辑于2023年，星期二31双极集成电路工艺沟道隔断区硼离子注入

NNN+

P

(d)氧化物隔离区制备(1)半导体和半导体集成电路第三十一页，共四十页，编辑于2023年，星期二32双极集成电路工艺

NNSiO2P+N+P+

沟道隔断区

P

(e)氧化物隔离区制备(2)

半导体集成电路工艺技术第三十二页，共四十页，编辑于2023年，星期二33双极集成电路工艺基区硼离子注入

光致抗蚀剂

NSiO2P基区P+

N+埋层

(f)基区制备

半导体集成电路工艺技术第三十三页，共四十页，编辑于2023年，星期二34双极集成电路工艺光致抗蚀剂

SiO2…

P+

N+埋层

(g)基区引线孔制备

半导体集成电路工艺技术第三十四页，共四十页，编辑于2023年，星期二35双极集成电路工艺砷离子注入发射区基区集电区埋层N