北大微电子与电路基础.pdf

1 微电子与电路基础微电子与电路基础微电子与电路基础微电子与电路基础 黄如黄如黄如黄如陈江陈江陈江陈江 北京大学信息科学技术学院北京大学信息科学技术学院北京大学信息科学技术学院北京大学信息科学技术学院 Ru Huang, IME, PKU 《微电子与电路基础》 课程简介 《微电子与电路基础》 课程简介 分立电路集成电路分立电路集成电路 ? 课程目的课程目的 ? 课程内容(课程提纲)课程内容(课程提纲) ? 讲授方式讲授方式 ? 参考书参考书 ? 考核方法考核方法 Ru Huang, IME, PKU 课程目的课程目的 ? 电路方面电路方面 ??初步掌握与电路相关的基础知识、数字电路、初步掌握与电路相关的基础知识、数字电路、初步掌握与电路相关的基础知识、数字电路、初步掌握与电路相关的基础知识、数字电路、 模拟电路、数模混合电路等基础知识模拟电路、数模混合电路等基础知识模拟电路、数模混合电路等基础知识模拟电路、数模混合电路等基础知识 ?? 微电子方面微电子方面微电子方面微电子方面 ??了解什么是微电子学、历史、现状和未来；了解什么是微电子学、历史、现状和未来；了解什么是微电子学、历史、现状和未来；了解什么是微电子学、历史、现状和未来； ??初步掌握初步掌握初步掌握初步掌握 ??半导体物理半导体物理半导体物理半导体物理 ??半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 ??集成电路工艺集成电路设计及设计自动化集成电路工艺集成电路设计及设计自动化集成电路工艺集成电路设计及设计自动化集成电路工艺集成电路设计及设计自动化 (EDA)(EDA)技术技术技术技术 ??微机电系统技术等微机电系统技术等微机电系统技术等微机电系统技术等 对微电子学有一个比较全面的初步认识对微电子学有一个比较全面的初步认识对微电子学有一个比较全面的初步认识对微电子学有一个比较全面的初步认识 Ru Huang, IME, PKU 课程内容课程内容 • • 绪论绪论绪论绪论 • • 半导体物理、半导体器件基础半导体物理、半导体器件基础半导体物理、半导体器件基础半导体物理、半导体器件基础 半导体半导体半导体半导体, , , ,晶体管晶体管晶体管晶体管, , , ,简单集成电路简单集成电路简单集成电路简单集成电路 • •集成电路制造工艺集成电路制造工艺集成电路制造工艺集成电路制造工艺 • •集成电路设计及其设计自动化集成电路设计及其设计自动化集成电路设计及其设计自动化集成电路设计及其设计自动化 • •系统芯片和微机电系统系统芯片和微机电系统系统芯片和微机电系统系统芯片和微机电系统MEMSMEMSMEMSMEMS • •微电子技术发展的规律和趋势微电子技术发展的规律和趋势微电子技术发展的规律和趋势微电子技术发展的规律和趋势 • • 线性电路线性电路线性电路线性电路 • • 模拟电路模拟电路模拟电路模拟电路 • • 数字电路数字电路数字电路数字电路 • • 数模混合电数模混合电数模混合电数模混合电 路路路路 Ru Huang, IME, PKU 课程进度课程进度 ?? ch1 ch1 绪论（绪论（绪论（绪论（1 1）））） ?? ch2 ch2 半导体物理、半导体器件基础（半导体物理、半导体器件基础（半导体物理、半导体器件基础（半导体物理、半导体器件基础（3 3）））） ?? ch3 ch3 线性电路（线性电路（线性电路（线性电路（2 2）））） ?? 无源元件：电阻、电容、电感、变压器无源元件：电阻、电容、电感、变压器无源元件：电阻、电容、电感、变压器无源元件：电阻、电容、电感、变压器 ?? 有源元件：电源和信号源、受控源等有源元件：电源和信号源、受控源等有源元件：电源和信号源、受控源等有源元件：电源和信号源、受控源等 ?? 基本分析方法基本分析方法基本分析方法基本分析方法 ?? ch4 ch4 模拟电路模拟电路模拟电路模拟电路(3)(3) ?? 基本概念基本概念基本概念基本概念 ?? 运算放大器运算放大器运算放大器运算放大器 ?? 收音机的原理框图收音机的原理框图收音机的原理框图收音机的原理框图 Ru Huang, IME, PKU ??ch5 ch5 数字电路数字电路数字电路数字电路(3)(3) ?? 基本概念基本概念基本概念基本概念 ?? 电子钟、计算器的原理框图电子钟、计算器的原理框图电子钟、计算器的原理框图电子钟、计算器的原理框图 ?? ch6 ch6 数模混合电路数模混合电路数模混合电路数模混合电路(1)(1) ?? 基本概念、的原理框图基本概念、的原理框图基本概念、的原理框图基本概念、的原理框图 集成电路集成电路集成电路集成电路 ?? ch7 ch7 集成电路制造工艺（集成电路制造工艺（集成电路制造工艺（集成电路制造工艺（3 3）））） ?? ch8 ch8 集成电路设计及其设计自动化系统（集成电路设计及其设计自动化系统（集成电路设计及其设计自动化系统（集成电路设计及其设计自动化系统（4 4）））） ?? ch9 ch9 系统芯片和微机电系统系统芯片和微机电系统系统芯片和微机电系统系统芯片和微机电系统MEMSMEMS（（（（1 1）））） ?? ch10 ch10 微电子技术发展的规律和趋势（微电子技术发展的规律和趋势（微电子技术发展的规律和趋势（微电子技术发展的规律和趋势（1 1）））） Ru Huang, IME, PKU 授课、学生成绩评定方法授课、学生成绩评定方法 ? 课堂讲授为主课堂讲授为主 ? 学生成绩评定方法：期末考试占学生成绩评定方法：期末考试占70%，作业 占 ，作业 占30%。

? 授课教师授课教师 黄如黄如黄如黄如 ：：理科理科理科理科2 2号楼号楼号楼号楼27172717室，室，室，室，Tel: 62757761 Tel: 62757761 huangr@ huangr@ 陈江：陈江：陈江：陈江：c chenj@ henj@ Ru Huang, IME, PKU ? 助教助教 ? 殷俊：殷俊：yinjun@ , 62752546 ? 吴大可：吴大可：wudk@ , 62752546 ?课程主页课程主页 ? ? 参考书参考书 ?《微电子学概论》，张兴《微电子学概论》，张兴/黄如黄如/刘晓彦刘晓彦, 北京大学出版 社 北京大学出版 社, 2000年年1月月 ? 《电路基础》，陈江，讲义，网上下载《电路基础》，陈江，讲义，网上下载 9 绪 论绪 论 Ru Huang, IME, PKU 绪论绪论 ?? 电子学、微电子学、集成电路的基本电子学、微电子学、集成电路的基本电子学、微电子学、集成电路的基本电子学、微电子学、集成电路的基本 概念概念概念概念 ?? 集成电路的分类集成电路的分类集成电路的分类集成电路的分类 ?? 微电子学的基本特点微电子学的基本特点微电子学的基本特点微电子学的基本特点 ?? 电子技术、微电子技术的战略地位电子技术、微电子技术的战略地位电子技术、微电子技术的战略地位电子技术、微电子技术的战略地位 ?? 微电子技术的发展历史微电子技术的发展历史微电子技术的发展历史微电子技术的发展历史 ?? 微电子技术的发展现状微电子技术的发展现状微电子技术的发展现状微电子技术的发展现状 ?? 我国微电子发展概况我国微电子发展概况我国微电子发展概况我国微电子发展概况 Ru Huang, IME, PKU ?? 电子学电子学电子学电子学(electronics)(electronics)：研究用电：研究用电：研究用电：研究用电 子传输、存储、处理信息的学科子传输、存储、处理信息的学科子传输、存储、处理信息的学科子传输、存储、处理信息的学科 核心是电路核心是电路核心是电路核心是电路 ?? 分立电路：分立电路：分立电路：分立电路：将晶体管、二极管等有源 器件和电阻、电容等无源器件在电路板上连 接起来，实现一定的电路功能 将晶体管、二极管等有源 器件和电阻、电容等无源器件在电路板上连 接起来，实现一定的电路功能 Ru Huang, IME, PKU ?微电子学：微电子学：Microelectronics ?微电子学微电子学——微型电子学微型电子学 Ru Huang, IME, PKU 电 子 学 电 子 学 微电子学微电子学 Ru Huang, IME, PKU ?微电子学 核心 微电子学 核心——集成电路集成电路 Ru Huang, IME, PKU ?集成电路：集成电路： ?Integrated Circuit，缩写，缩写IC ? 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， 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，“集成集成” 在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上 ?通过一系列特定的加工工艺来集成通过一系列特定的加工工艺来集成 ?封装在一个外壳内封装在一个外壳内 ?执行特定电路功能执行特定电路功能 Ru Huang, IME, PKU 封装好的集成电路封装好的集成电路 Ru Huang, IME, PKU ?微电子学微电子学 ?研究在固体（主要是半导体）材料上构 成的微小型化器件、电路及系统的电子 学分支学科 研究在固体（主要是半导体）材料上构 成的微小型化器件、电路及系统的电子 学分支学科 ?脱胎于电子学和固体物理学的边缘性的 技术学科 脱胎于电子学和固体物理学的边缘性的 技术学科 Ru Huang, IME, PKU 集成电路集成电路集成电路集成电路 •集成电路的内部电路集成电路的内部电路 Vdd A B Out Ru Huang, IME, PKU 硅单晶片与加工好的硅片 硅片： 硅单晶片与加工好的硅片 硅片：wafer 芯片：芯片：chip，，die Ru Huang, IME, PKU 集成电路芯片的显微照片集成电路芯片的显微照片 Ru Huang, IME, PKU Vsspoly 栅Vdd布线通道 参考孔 有源区 N + P + 集成电路的内部单元集成电路的内部单元集成电路的内部单元集成电路的内部单元 Ru Huang, IME, PKU 沟道长度为沟道长度为沟道长度为沟道长度为0.150.15微米的晶体管微米的晶体管微米的晶体管微米的晶体管 微电子学中的空间尺度通常是以微米和纳米为单位的微电子学中的空间尺度通常是以微米和纳米为单位的微电子学中的空间尺度通常是以微米和纳米为单位的微电子学中的空间尺度通常是以微米和纳米为单位的 Ru Huang, IME, PKU 50µ µm 100µ µ m 头发丝粗细头发丝粗细 30µ µm 1µ µm × × 1µ µm (晶体管的大小晶体管的大小) 30~50µ µm (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 类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较 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 Ru Huang, IME, PKU Ru Huang, IME, PKU ?集成电路设计与制造的主要流程框架集成电路设计与制造的主要流程框架 设计设计 芯片检测芯片检测 单晶、外 延材料 单晶、外 延材料 掩膜版掩膜版 芯片制造 过程 芯片制造 过程 封装封装测试测试 系统需求系统需求 设计业制造业封装测试业 Ru Huang, IME, PKU 集成电路的设计过程：集成电路的设计过程： 设计创意 + 仿真验证 设计创意 + 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 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 是 否 否 是 否 是 否 否 是 Sign off —设计业设计业— 电路知识 系统知识 电路知识 系统知识 Ru Huang, IME, PKU —制造业制造业—芯片制造过程芯片制造过程 AA Ru Huang, IME, PKU Ru Hua。