微电子学概论课程教学大纲
《微电子学概论》课程教学大纲
课程名称：微电子学基础 / Conspectus of Microelectronics
课程代码：020727
学时：32 学分：2 讲课学时： 32 上机/实验学时： 0 考核方式：考查
先修课程：模拟电子技术
适用专业：电子信息工程等电类专业
开课院系：电子电气工程学院电子信息系
教材：张兴黄如刘晓彦主编.微电子学概论（第二版）.北京：北京大学出版社,2005年主要参考书：
[1] 郝跃主编.微电子学概论.北京：高等教育出版社,2003年
[2] 吴德馨主编.现代微电子技术.北京：化学工业出版社,2003年
[3] （美）Donald A.Neamen编.半导体器件导论.北京：清华大学出版,2006年
一、课程的性质和任务
本课程是电子信息工程类专业的一门专业基础课。
该门课程主要介绍了微电子学发展史、半导体器件、制造工艺、集成电路和SOC电路的设计以及计算机辅助设计技术。
该课程为学生进行微电子技术研究和集成电路的开发提供了理论基础。
二、教学内容和基本要求
对本课程的学习，要求掌握集成电路的器件、组成、制造工艺及基本设计方法。
教学内容如下：
第一章绪论
1.晶体管的发明和集成电路的发展史
2.集成电路的分类
3.微电子学的特点
第二章半导体物理和器件物理基础
1.半导体及其基本特性
2.半导体中的载流子
3. pn结
4.双极晶体管
5.MOS场效应管
第三章大规模集成电路基础
1.半导体集成电路概述
2.双极集成电路基础
3.MOS集成电路基础
第四章集成电路制造工艺
1.双极集成电路工艺流程
2.MOS集成电路工艺流程
3.光刻与刻蚀技术
4.氧化
5.扩散与离子注入
6.化学气象淀积
7.接触与互联
8.隔离技术
第五章集成电路设计
i.集成电路设计特点与设计信息描述
ii.集成电路的设计流程
iii.集成电路的设计规则和全定制设计方法iv.专用集成电路的设计方法
v.集中集成电路设计方法的比较
vi.可测性设计技术
第六章集成电路设计的EDA系统
1. VHDL及模拟
2.综合
3. 逻辑模拟
4．电路模拟
5．时序分析和混合模拟
6．版图设计
7．器件模拟
8．工艺模拟
9．计算机辅助测试（CAT）技术
第七章系统芯片（SOC）设计
1．系统芯片的基本概念和特点
2．SOC设计过程
第八章光电子器件
1．固体中的光吸收和光发射
2．半导体发光二极管
第九章微机电系统
1．基本概念
2. 几种重要的MEMS器件
3．MEMS加工工艺
4．MEMS技术发展的趋势
5．纳机电系统
第十章纳电子器件
1．纳电子器件概述
2．碳纳米管和半导体纳米管
3．量子电、量子线
4．单电子晶体管
5．分子结器件
6．场效应晶体管
7．逻辑器件及其电路
第十一章微电子技术发展的规律和趋势
1．基本规律
2．趋势和展望
三、实验（上机、习题课或讨论课）内容和基本要求
1.各章课后均有习题
2．关于微电子发展、集成电路设计、光电子、微机电系统及纳电子等方面撰写小论文。
五、对学生能力培养的要求
通过本课程的学习，学生应能基本掌握微电子学发展、半导体器件的物理基础、制造工艺及集成电路设计方法。
六、说明
1.在学习本课程之前要求学生已掌握基本的模拟电子技术知识
本课程的重点、难点是集成电路的设计和工艺流程。
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自1968年开始，硅技术为代表的信息技术领域的学术 论文超过了以钢铁技术为代表的机械领域的学术论文
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11个国家集成电路人才 培养基地
一. 微电子技术与半导体集成电路
微电子学- 信息科学的基础 研究在固体（半导体）材料上构成的微小型化电路、子系统及系统 的电子学分支，研究芯片级微电路系统的科学。研究电子或离子在 固体材料中的运动规律及其应用，并实现信号处理。
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课程内容及学时安排 2学分 32学时
第一章 概论 （多媒体）
3 学时
第二章 集成器件物理基础（部分多媒体）
12学时
第三章 集成电路制造工艺 （多媒体）
7 学时
第四章 集成电路设计（多媒体）
4 学时
第五章 微电子系统设计 （多媒体）
2 学时
第六章 集成电路C A D技术（计算机辅助设计) 4 学时
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除了自身对国民经济的巨大贡献之外
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采用交流传动改造后，电力机车可节电20%-30% 内燃机车可节油12%-14%
全国一半以上中等城市的自来水公司，在管网自动 检测和生产调度中使用计算机控制，可使自来水流 失率降低50%
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人类社会的材料(主要) 宽禁带半导体材料(GaAs)
微电子学概论
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教学目的
了解微电子学发展历史及在科学技术、国民经济、国家安全
的重要战略作用。
对微电子技术发展过程中的一些基本规律、发展前景的展望
和进行预测；对充分反映微电子技术领域的最新成果、体现前 沿性和时代性等进行了解。
在半导体物理基础上，对半导体器件基础、大规模集成电路
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集成电路的作用
§小型化 §价格急剧下降 §功耗降低 §故障率降低
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§其次，统计数据表明，发达国家在发 展过程中都有一条规律
Ø 集成电路（IC）产值的增长率（RIC）高于电子 工业产值的增长率（REI）
Ø 电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率 （RGDP）
Ø 一般有一个近似的关系
▪ 杂质处于两种状态：中性态和离化态。 当处于离化态时，施主杂质向导带提供 电子成为正电中心；受主杂质向价带提 供空穴成为负电中心。
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按结构形式的分类
§单片集成电路：
Ø它是指电路中所有的元器件都制作 在同一块半导体基片上的集成电路
Ø在半导体集成电路中最常用的半导 体材料是硅，除此之外还有GaAs等
§混合集成电路：
Ø厚膜集成电路 Ø薄膜集成电路
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按电路功能分类
§数字集成电路(Digital IC)：它是指处理数字 信号的集成电路，即采用二进制方式进行数 字计算和逻辑函数运算的一类集成电路
（ b）单胞无需是基本的
晶体结构
§ 三维立方单胞
Ø 简立方、
体心立方、
面立方
固体材料的能带图
固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体
半导体的能带
▪ 本征激发
有效质量的意义
▪ 自由电子只受外力作用；半导体中的电子 不仅受到外力的作用，同时还受半导体内 部势场的作用
▪ 意义：有效质量概括了半导体内部势场的 作用，使得研究半导体中电子的运动规律 时更为简便（有效质量可由试验测定）
W. Schokley J. Bardeen W. Brattain
获得1956年 Nobel物理 奖
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微电子科学与工程专业课程教学大纲
微电子科学与工程专业实验课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分；课程名称：微电子科学与工程专业实验所属专业：微电子科学与工程课程性质：专业实验课学分：3（二）课程简介、目标与任务；微电子科学与工程专业实验课主要训练学生的动手能力及解决实际问题的能力，为学生以后走向社会所从事的相关工作打下坚实基础。
课程目标与任务：熟练掌握相关的实验设备的操作以及FPGA开发板的使用。
会利用相关实验设备对半导体器件进行性能表征，包括半导体材料的膜厚，晶体管的输入输出特性，传感器参数表征等。
（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接；先修课程：半导体物理、固体电子器件、普通物理实验关系：半导体物理与固体电子器件是理解半导体器件特性的关键基础课程，在理解半导体器件特性原理的基础上开展微电子专业实验有助于理解实验过程中的一些实验现象。
普通物理实验培养了学生的动手能力，使得学生在实验操作方面有一定基础常识，从而有助于更高级的专业实验的开展。
（四）教材与主要参考书。
自编的微电子专业实验讲义二、课程内容与安排第一个实验：FPGA 设计——闪烁灯1、熟悉verilog HDL 语言的基本语法2、熟悉Cyclone V 芯片；3、学会Quartus II 和相关模拟软件Modesim-Altera 10.3 的应用；4、学会向Cyclone V 芯片烧录程序。
第二个实验：FPGA 设计——模式流水灯1、学会程序的时序分析；2、学会if-esle 等语的用法；3、了解Cyclone V 芯片中各个引脚功能第三个实验：FPGA 设计——数码管计数1、学会case 等较为复杂语法应用；2、理解数码管共阳极工作方式，及与LED 不同之处；3、学会设计可以实现较为复杂功能的程序第四个实验：FPGA 设计——模块化设计1、学会将复杂功能划分为若干简单功能模块的组合；2、理解主模块与子模块之间的联系以及调用关系；3、学习理解并行操作的思维。
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的特点
集成电路的分类
导论
晶体管的 发明
集成电路 发展历史
集成电路 的分类
微电子学 的特点
集成电路的分类
器件结构类型 集成电路规模 使用的基片材料 电路形式 应用领域
器件结构类型分类
导论
晶体管的 发明
集成电路 发展历史
集成电路 的分类
微电子学 的特点
集成电路（IC）产值的增长率（RIC）高于电子 工业产值的增长率（REI）
电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率 （RGDP）
一般有一个近似的关系
RIC≈1.5~2REI REI≈3RGDP
微电子学发展情况
导论
晶体管的 发明
集成电路 发展历史
集成电路 的分类
微电子学 的特点
世界GDP和一些主要产业的发展情况
晶体管的 发明
集成电路 发展历史
集成电路 的分类
微电子学 的特点
1947年12月13日 晶体管发明 1958年 的一块集成电路 1962年 CMOS技术 1967年 非挥发存储器 1968年 单晶体管DRAM 1971年 Intel公司微处理器
摩尔定律
导论 晶体管的
发明 集成电路
发展历史 集成电路
高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电 子学发展的方向
微电子学的渗透性极强
它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的 交叉学科，例如微机电系统(MEMS)、生物芯 片等
作业
微电子学？
导论 晶体管的
微电子学核心？
发明 微电子学主要研究领域？
集成电路 发展历史
微电子学特点？
集成电路 集成电路？
的分类
例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等
微电子学概论(第一章)
– 目前，全世界计算机不包括微机在内 有几百万台，微机总量约6亿台，每年 由计算机完成的工作量超过4000亿人 年工作量
1.1 晶体管的发明
1833年英国物理学家法拉第发现氧化银的 电阻率随温度升高而增加。之后一些物理 学家又先后发现了同晶体管有关的半导体 的三个物理效应，即晶体硒在光照射下电 阻变小的光电导效应、晶体硒和金属接触 在光照射下产生电动势的半导体光生伏特 效应和金属与硅单晶接触产生整流作用的 半导体整流效应。
各种浆料通过丝网印刷的方法涂敷到基板 上，形成电阻或互连线图形，图形的形状 、尺寸和精度主要由丝网掩膜决定。每次 完成浆料印刷后要进行干燥和烧结。
薄膜集成电路是指利用薄膜工艺制作电阻 、电容元件和金属互连线。它采用的工艺 主要有真空蒸发、溅射等，各种薄膜的图 形通常采用光刻、腐蚀等工序实现。
1.1 晶体管的发明
小组对N和P型硅以及N型锗的表面设计了 一个类似光生伏特实验的装置，证实了肖 克莱的半导体表面空间电荷假说以及电场 效应的预言。之后，小组人员把一片P型 硅的表面处理成N型，滴上一滴水使之与 表面接触，在水滴中插入一个涂有蜡膜的 金属针，在水与硅之间施加8MHz的电压， 从硅中流到针尖的电流被改变，从而实现 了功率放大。
1.3.2 按集成电路规模分类
划分集成电路规模的标准
类别
SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI
数字集成电路
MOS IC 双极IC
＜102
＜100
102～103 100～500
103～105 500～2000
105～107 107～109
＞2000
2019微电子学概论第一课
• 微电子学 • 简明历史 • 研究内容 • 发展规律
提纲
• 微电子学
• 简明历史 • 研究内容 • 发展规律
提纲
什么是微电子？（第一印象）
CPU
显卡 内存
手游
手机 主板 电脑 平板
智能机器人
Windows 8
iOS 网游
谷歌
ETC
医疗设备
IC卡
液晶电视机
安卓
支付宝 USB POS机
微信 华为
当前微电子技术的发展热点
• 生物探测芯片 • 神经网络计算（人工智能）
– 忆阻器(Memoristor)
• 超高频电路
– 石墨烯(Graphene)
• 超低功耗逻辑/存储
– 量子隧穿晶体管 – 自旋电子学晶体管
• 量子计算
– 自旋电子学晶体管
• 智能穿戴
– 柔性电子学(Flexible Electronics)
什么是微电子学？（再定义）
微电子学是一门通过微小型化系统来 传输和处理信息研究内容 • 发展规律
提纲
第一个晶体管
• 1947年12月23日 • NPN型Ge晶体管 • 发明人：
– W. Schokley – J. Bardeen – W. Brattain
010110 0 1 01 1 0
微电子器件
微电子学为代表的第三次技术革 命
• 第一次技术革命：蒸汽机（1774），卡特
– 机械代替了人力
• 第二次技术革命：电磁学（1820），奥斯 特
– 实现了能量形态的自由转换
• 第三次技术革命：代表性技术：微电子学 技术
– 实现了信息状态的自由转换 – 微电子技术是信息技术革命的技术基础
030432001微电子学导论
《微电子学导论》课程教学大纲课程代码：030432001课程英文名称：Introduction of Microelectronics课程总学时：24 讲课：24 实验：0 上机：0适用专业：电子科学与技术专业大纲编写（修订）时间：2010.7一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标微电子学导论是高等工业学校电子科学与技术专业开设的一门引导学生了解本专业学习与研究内容的技术基础课，主要讲授与集成电路及集成系统相关的基本知识、基本理论和基本方法的一般性知识，在电子科学与技术专业培养计划中，它起到开启专业基础理论课学习的作用。
本课程在教学内容方面除基本知识、基本理论和基本方法的教学外，通过案例分析，着重培养学生的学习兴趣,明确专业的学习目标,使学生在进一步学习专业课程前作必要的准备。
通过本课程的学习，学生将达到以下要求：1．掌握微电子科学技术的发展历程、集成电路的分类及微电子学的特点、半导体物理与器件基础、集成电路基础、集成电路制造工艺、集成电路的设计基础、集成电路CAD以及系统芯片设计等相关方面的基本学习与研究范畴；2．树立正确的设计思想，了解国家当前的有关技术经济政策；3．基本具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术的一般能力；4．了解集成电路工艺与设计的新发展。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求1.基本知识：掌握机微电子科学技术的发展历程、集成电路的分类及微电子学的特点、半导体物理与器件基础、集成电路基础、集成电路制造工艺、集成电路的设计基础、集成电路CAD以及系统芯片设计等相关方面的基本学习与研究范畴。
2.基本理论和方法：掌握集成电路设计的基本原则，可采用的设计方法的种类及划分方式。
3.基本技能:加强查阅、收集、整理参考资料的能力，增强自学能力。
（三）实施说明1．教学方法：课堂讲授中要重点对基本概念、基本方法和解题思路的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；增加讨论课，调动学生学习的主观能动性；注意培养学生提高利用标准、规范及手册等技术资料的能力。
028《微电子技术概论》课程教学大纲
2002年9月10日
系
审核
意见
物理（系）龚小燕（签名）
2002年9月15日
学院审核意见
张金仓（签名）理学院（公章）
2002年9月20日
适用对象：本科生
4.先修课程：普通物理
5.首选教材：微电子技术概论张兴黄如北京大学出版社2000年1月
二选教材：
参考书目：微电子技术毕克允等国防工业出版社2000年2月
6.考核形式：闭卷考试
7.教学环境：课堂
课程教学目的及要求
教学目的：
为渴望了解微电子技术的非微电子专业的学生讲授关于微电子的相关基础知识，这将有助于信息技术领域科技人才的综合培养，探索系统设计、芯片设计和计算机技术于一体的人才培养新途径。
教学要求：
要求学生了解半导体物理、半导体器件物理、大规模集成电路方面的基础知识，了解集成电路的制造工艺、设计特点、设计规则和设计方法，了解微电子技术的现状、发展规律和发展趋势。
课程
内容
及
学时
分配
课程
内容
及
学时
分配
（一）半导体物理和器件物理基础（12学时）
半导体及其基本特性，PN结，双极型晶体管，MOS场效应晶体管。
重点：PN结理论晶体管放大原理
难点：能带理论
（二）大规模集成电路基础（8学时）
半导体集成电路概述，集成电路分类，双极型集成电路，MOS集成电路。
重点Байду номын сангаас双极型和MOS集成电路
难点：电路动态特性分析
（三）集成电路制造工艺（7学时）
氧化、扩散、光刻、隔离等技术，双极型集成电路制造工艺，MOS集成电路工艺流程，新工艺新技术。
第一章微电子学概论
《微电子技术基础》 电子工业出版社 2001年第一版
双极、场效应用晶体管原理 高等学校电子信息类规划教 材、全国电子信息类专业 “九五”部级重点教材。
第一章
《半导体制造基础》 Gary S.M., Simon M.S. 施敏著 代永平译 2007年
《半导体器件物理基础》
曾树荣 著 北京大学出版社 2002年 第一版
第一章
部分参考书籍
张兴，黄如，刘晓彦
《微电子学概论》 北京大学出版社 2000年第一版 涵盖了半导体物理和器件 物理基础知识，集成电路 基础知识、设计、制造、 最新技术以及发展趋势， 内容系统全面.
曹培栋，亢宝位著
谢君堂，曲秀杰等著 《微电子技术应用基础》 北京理工大学出版社 2006年 第一版
集成电路的分类
集成电路的制造特点
第一章
21世纪社会发展的三大支柱产业学-信息的存储和传输依赖微电子技术和集成电路
各种信息产品的基础就是微电子 微电子技术和集成电路带动了一些列的高科技产业发展
第一章
§1.1
微电子技术与集成电路的发展历程
微电子科学是最典型的高新技术，虽然 只有短短50多年的发展历史，但是它已 经发展成为整个信息科学技术和产业的 基础和核心，同时它又是发展极其迅速 的一门技术。 计算机的发展历程就是最生动的例证！！！ 微电子技术和集成电路改变了社会生产方式和生活方式。 甚至影响了世界经济和政治格局。
1956年 获诺贝尔物理奖
第一章
约翰· 巴丁 John Bardeen
1928年，威斯康新大学麦迪逊分校电机工程系获学士学位， 1929年，获硕士学位，毕业后留校担任电机工程研究助理。 1930年，在匹兹堡海湾实验研究所从事地球磁场等研究。 1933年，在普林斯顿大学的魏德曼指导下研究固体物理学。 1935年，任哈佛大学研究员； 1936年，获普林斯顿大学博士学位。 1941年，在华盛顿海军军械实验室工作； 1945年，贝尔电话公司实验研究所研究半导体及金属导电 机制、半导体表面性能等问题。 1947年，和布拉顿发明点接触半导体三极管； 1956年，获诺贝尔物理学奖。 1957年，和库珀、施里弗共同创立了BCS理论，对超导电性 做出合理的解释。 1972年，再次获得诺贝尔物理学奖。第一位也是目前为止 唯一两次获诺贝尔物理学奖的人。
微电子概论教案
教案2007 ~ 2021 学年第一学期院〔系、部〕机电工程学院教研室物理与电子科学系课程名称微电子概论专业、年级、班级05电科〔1〕〔2〕〔3〕班主讲教师熊志伟职称、职务助教使用教材微电子概论教师姓名：熊志伟职称：助教07 年9月3 日教师姓名：熊志伟职称：助教07 年9 月7 日教师姓名：熊志伟职称：助教07 年9 月14 日教师姓名：熊志伟职称：助教07 年9 月17 日教师姓名：熊志伟职称：助教07年9 月21 日教师姓名：熊志伟职称：助教07 年9 月28 日教师姓名：熊志伟职称：助教07 年10 月5 日教师姓名：熊志伟职称：助教07 年10 月12 日教师姓名：熊志伟职称：助教07 年10 月15 日I2L教师姓名：熊志伟职称：助教07 年10 月19 日教师姓名：熊志伟职称：助教07 年10 月26 日教师姓名：熊志伟职称：助教07 年10 月29 日教师姓名：熊志伟职称：助教07 年11 月2 日教师姓名：熊志伟职称：助教07 年11 月9 日编号：15教师姓名：熊志伟职称：助教07 年11 月13 日编号：16教师姓名：熊志伟职称：助教07年11 月16 日编号：17教师姓名：熊志伟职称：助教07 年11 月23 日教师姓名：熊志伟职称：助教07 年11 月27 日教师姓名：熊志伟职称：助教07 年11 月30 日教师姓名：熊志伟职称：助教07 年12 月7 日教师姓名：熊志伟职称：助教07 年12 月11 日教师姓名：熊志伟职称：助教07 年12 月14 日教师姓名：熊志伟职称：助教07 年12 月25 日教师姓名：熊志伟职称：助教07 年12 月28 日。