半导体产业概述.ppt
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微电子工艺学MicroelectronicProcessing张道礼张道礼教授教授Email:
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硅集成电路工艺基础硅集成电路工艺基础课外参考书:
课外参考书:
1.微微电电子子器器件件工工艺艺李李乃乃平平编编著著,华华工工理理工工大大学学出出版版社社,19952.半半导导体体制制造造基基础础GaryS.May,施施敏敏著著,代代永永平平译译,人人民邮电出版社,民邮电出版社,20073.微微电电子子制制造造科科学学原原理理与与工工程程技技术术CampbellS.A.著著,曾莹等译曾莹等译,电子工业出版社,电子工业出版社,2006(包括英文版)(包括英文版)4.微微电电子子化化学学技技术术基基础础刘刘玉玉玲玲等等著著,化化学学工工业业出出版版社社,2005成绩考核&致谢课程考核l平时课堂:
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20l期末考试:
60%致谢l承蒙参考书目、论文为课件提供了理论l承蒙许多网站提供了各种资料l承蒙其他课件各种提供声明l此课件仅仅用于课堂教学,不得用于其他商业用途为什么要学习该课程?
为什么要学习该课程?
理由很简单理由很简单自从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。
19802000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年止半导体工业的核心是什么?
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:
集成电路集成电路【IntegratedCircuit:
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。
ICIC的战略地位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%。
据美国半导体协会(据美国半导体协会(SIASIA)预测)预测电子信息服务业电子信息服务业30万亿美元万亿美元相当于相当于1997年全世界年全世界GDP总和总和电子装备电子装备6-8万亿元万亿元集成电路产值集成电路产值1万亿美元万亿美元GDP50万亿美元万亿美元2012年年世界世界GDP增长与世界集成电路产业增长情况比较(资料来源:
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)商业部)两个列子两个列子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%37.9%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技术创新和集成电路产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。
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。
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。
90年代日本经济萧条的同时,集成电路市场份额严重下降。
市场变化市场变化日本市场缩减日本市场缩减市场份额中国台湾地区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美元美元中国IT企业与Intel公司利润的比较同同样样,TI公公司司的的技技术术创创新新,数数字字信信号号处处理理器器(DSP)使使它它的的利利润润率率比比诺基亚高出诺基亚高出10个百分点。
个百分点。
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对国家安全与国防建设的作用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。
对信息社会的重要性对信息社会的重要性Internet基础设施l各种各样的网络:
电缆、光纤(光电子)、无线.l路由和交换技术:
路由器、交换机、防火墙、网关.l终端设备:
PC、NetPC、WebTV.l网络基础软件:
TCP/IP、DNS、LDAP、DCE.Internet服务l信息服务:
极其大量的各种信息l交易服务:
高可靠、高保密.l计算服务:
“网络微电子产业的战略重要性微电子产业的战略重要性2020年世界最大的30个市场领域:
其中与微电子相关的22个市场:
5万亿美元(NikkeiBusiness1999)是是否否回回答答你你的的疑疑问问?
半导体材料半导体材料从从狭狭义义上上来来讲讲:
微微电电子子工工业业中中的的半半导导体体材材料料主主要要是是指指:
锗锗(Ge)、硅硅(Si)、砷砷化化镓(镓(GaAs)。
)。
从从广广义义上上来来讲讲:
半半导导体体材材料料还还包包括括各各种种氧氧化物半导体,有机半导体等。
化物半导体,有机半导体等。
常用半导体材料比较常用半导体材料比较材料材料禁带宽度禁带宽度描述描述锗(锗(Ge)0.66eV最最早早用用于于半半导导体体器器件件制制造造的的材材料料之之一一,1947年发明的第一个晶体管就是用锗制造。
年发明的第一个晶体管就是用锗制造。
硅(硅(Si)1.12eV1.目前最主要的半导体材料;目前最主要的半导体材料;2.容易形成高质量的氧化层;容易形成高质量的氧化层;3.禁带宽度比锗大,工作温度高;禁带宽度比锗大,工作温度高;4.价格便宜,低成本。
价格便宜,低成本。
砷化镓砷化镓(GaAs)1.42eV1.电子迁移率高,主要用于高速器件;电子迁移率高,主要用于高速器件;2.热稳定性低,缺陷高,低本征氧化度。
热稳定性低,缺陷高,低本征氧化度。
器件的基础结构器件的基础结构人类研究半导体器件已经超过135年,迄今大约有60种主要的器件以及100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。
金属-半导体用来做整流接触,欧姆接触;利用整流接触当作栅极、利用欧姆接触作漏极(drain)和源极(source)。
p-n结是半导体器件的关键基础结构,其理论是半导体器件物理的基础。
可以形成p-n-p双极型晶体管,形成p-n-p-n结构的可控硅器件。
异质结是快速器件和光电器件的关键构成要素。
用MOS结构当作栅极,再用两个p-n结分别当作漏极和源极,就可以制作出MOFET。
晶体管的发明晶体管的发明1946年1月,Bell实验室正式成立半导体研究小组,W.Schokley,J.Bardeen、W.H.Brattain。
Bardeen提出了表面态理论,Schokley给出了实现放大器的基本设想,Brattain设计了实验。
1947年12月23日,第一次观测到了具有放大作用的晶体管。
集成电路的发明集成电路的发明1952年5月,英国科学家G.W.A.Dummer第一次提出了集成电路的设想。
1958年以(德州仪器公司)TI的科学家基尔比(ClairKilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路,并于1959年公布了该结果。
Intle公司德诺宜斯(RobertNoyce)同时间发明了IC的单晶制造概念。
RobertNoyce(Intel)ClairKilby(TI)其他的重要里程碑其他的重要里程碑布朗(Braun)在1874年发现金属和金属硫化物(如铜铁矿,copperpyrite)接触的阻值和外加电压的大小及方向有关。
在1907年,朗德(Round)发现了电致发光效应(即发光二极管,1ight-emittingdiode,LED),观察到当在碳化硅晶体两端外加10V的电压时,晶体会发出淡黄色的光。
1952年伊伯斯(Ebers)为复杂的开关器件可控硅器件(thyristor)提出了一个基本的模型。
以硅pn结制成的太阳能电池(solarcell)则在1954年被阕平(Chapin)等人发明。
太阳能电池是目前获得太阳能最主要的技术之一,它可以将太阳光直接转换成电能。
1957年,克罗马(Kroemer)提出了用异质结双极型晶体管(heterjunctionbipolartransistor,HBT)来改善晶体管的特性,这种器件有可能成为更快的半导体器件。
1958年江崎(Esaki)则观察到重掺杂(heavilydoped)的p-n结具有负电阻的特性,此发现促成了隧道二极管(tunneldiode,或穿透二极管)的问世隧道二极管以及所谓的隧穿现象(tunnelingphenomenon,或穿透现象)对薄膜间的欧姆接触或载流子穿透理论有很大贡献。
1960年由姜(Kahng)及亚特拉(Atalla)发明的MOSFET,是先进集成电路最重要的器件。
1962年霍尔(HalI)等人第一次用半导体做出了激光(1aser)。
1963年克罗马(Kroemer)、阿法罗(Alferov)和卡查雷挪(Kazarinov)发表了异质结构激光(heterostructurelaser),奠定了现代激光二极管的基础,使激光可以在室温下连续工作。
其他的重要里程碑其他的重要里程碑1963年冈(Gunn)提出的转移电子二极管(transferred-electrondiode,TED),又称为冈二极管(Gunndiode),被广泛应用到侦测系统、远程控制和微波测试仪器。
姜士敦(Johnston)等人发明的碰撞电离雪崩渡越时间二极管(IMPATTdiode),是目前可以在毫米波频率下产生最高连续波(continuouswave,CW)功率器件。
1966年由密德(Mead)发明金半场效应晶体管(MESFET),并成为单片微波集成电路monolitlicmicrowaveintegratecircuit,MMIC)的关键器件。
三种重要的微波器件相继被发明制造出来:
其他的重要里程碑其他的重要里程碑1967年姜(Kahng)和施敏发明了一种非挥发性半导体存储器(nonvolatilesemiconductormemory,NVSM),可以在电源关掉以后,仍然保持其储存的信息。
成为应用于便携式电子系统如手机、笔记本电脑、数码相机和智能卡方面最主要的存储器。
1970年波意尔(Boyle)和史密斯(Smith)发明电荷耦合器件(charge-coupleddevice,CCD)它被大量地用于手提式摄像机(videcamera)和光检测系统上。
1974年张立纲等明了共振式隧道二极管(resonanttunnelingdiode,RTD),它是大
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- 半导体产业 概述