《微电子学概论复习》课件

微电子学概论复习微电子学是现代电子信息技术的基础,涵盖电子器件、集成电路的设计和制造等重要内容本次复习旨在帮助学生全面掌握微电子学的基本原理和前沿发展趋势微电子学概论的定义与内容微电子学概论的定义微电子学的内容体系微电子学在各领域的应用微电子学是研究微电子器件及其集成电路的微电子学涉及半导体物理、电子线路、制造微电子学在计算机、通信、消费电子、工业基本原理和制造工艺的一门学科其核心内工艺等多个领域,是一门跨学科的综合性学控制等领域都有广泛应用,是现代信息技术容包括半导体材料、半导体器件和集成电路科,其内容包括微电子器件、微电子电路和的基础,对人类社会的发展产生了深远影响的工作原理及制造技术微电子系统等微电子器件的基本工作原理电子信号控制1利用电子信号来控制和调节电路的行为能量调制2通过改变电量来改变电路中的能量状态信号转换3将一种形式的信号转换为另一种形式微电子器件的基本工作原理主要包括电子信号控制、能量调制和信号转换这些功能为微电子器件提供了对电路进行精准控制和操纵的能力,为各种电子设备的实现奠定了基础半导体材料的基本性质晶体结构能带结构掺杂性光电特性半导体材料具有高度有序的晶半导体材料的能带结构决定了通过对半导体材料进行有控的半导体材料对光子具有很强的体结构,原子以规则的三维排其电导性能价带和导带之间掺杂,可以调整其电学特性,实吸收和发射能力,可用于制造列形成晶格这赋予了半导体存在能隙,这使得半导体在常现从n型到p型的转换,从而得光电探测器、发光二极管和激独特的电学、光学和热学特性温下具有介于导体和绝缘体之到各种功能性半导体器件光器等光电子器件间的电阻结的工作原理及特性pn构成原理1pn结由n型半导体和p型半导体界面区域组成,形成内建电场正向偏压2施加正向电压,内建电场减小,载流子可以跨越结区并产生电流反向偏压3施加反向电压,内建电场增强,形成耗尽区,截止电流很小二极管的结构与伏安特性结构正向特性12二极管由两个接触的半导体材当给予正向电压时,二极管导通,料组成,一个为正极阳极另一能够允许电流流动正向伏安个为负极阴极特性呈指数关系反向特性开关特性34当给予反向电压时,二极管截止,二极管可以利用其开关特性实几乎不允许电流流动反向伏现开关电路,是电子电路的基础安特性呈线性关系器件二极管的常见应用整流电路检波电路二极管在整流电路中被广泛使用,二极管的特性使其能够从复杂的可将交流电转换为直流电,是电源信号中检测出有用的信息,在无线电路的重要组成部分电接收电路中广泛应用开关电路光电应用二极管的导通和截止特性使其能发光二极管LED和光电二极管可够在开关电路中快速切换,如数字广泛应用于显示、照明和光电检电路和电源管理电路测等领域三极管的工作原理及特性三极管的结构三极管由发射极、基极和集电极组成,利用p-n-p或n-p-n的结构控制电流流向放大原理微弱的基极电流可以调控集电极和发射极之间的大电流,从而实现电流放大工作特性三极管可以在放大、开关和功率控制等方面发挥作用,是电子电路的核心器件性能参数三极管的增益、频响、功率、噪声等性能参数决定了其在不同电路中的应用三极管的基本放大电路共射放大电路1三极管在共射电路中工作,可实现电压、电流和功率放大共基放大电路2具有宽频带、大电流放大能力,常用于高频放大共集放大电路3电压放大倍数大,但输入阻抗较低,应用广泛三极管的基本放大电路包括共射、共基和共集三种工作方式每种方式都有其特点,如共射可实现电压、电流和功率放大,共基具有宽频带和大电流放大能力,共集则电压放大倍数大但输入阻抗较低工程师根据实际需求选择合适的放大电路拓扑集成电路的发展历程1950年代最初的集成电路只有几个元件,采用点状连接技术,整合度低1960年代集成电路技术取得突破性进展,制造工艺不断改进,整合度不断提高1970年代出现了大规模集成电路LSI,芯片上集成了上万个元件,应用范围广泛1980年代极大规模集成电路VLSI问世,集成度达到百万级,开启了微电子时代1990年代超大规模集成电路ULSI出现,集成度进一步提高到亿级以上,应用更加广泛集成电路的制造工艺晶片制造洁净环境从硅材料制造晶片是集成电路制造的集成电路制造需要在洁净室内进行，基础，需要多个复杂的工艺步骤以避免尘埃和其他污染物的影响光刻工艺薄膜沉积利用光刻工艺在晶片上形成电路图案在制造过程中需要在晶片上沉积各种是核心的制造步骤之一功能性薄膜材料逻辑门电路的基本概念逻辑门的定义基本逻辑门电路真值表逻辑门是实现基本布尔运算的基本电路单元,常见的基本逻辑门包括AND门、OR门、每种逻辑门都有对应的真值表,用以描述输它根据输入信号的逻辑状态输出相应的逻辑NOT门等,能够实现基本的布尔代数运算入与输出之间的逻辑关系信号常见逻辑门电路及其真值表2416基本逻辑门组合逻辑门真值表与门、或门、非门是最基础的逻辑门电路NAND门、NOR门等组合基本逻辑门描述每种逻辑门电路的输入输出对应关系逻辑门电路是数字电子电路的基本构件常见的有与门、或门、非门等基本逻辑门，以及NAND、NOR等组合逻辑门每种逻辑门都有对应的真值表,表示输入和输出的对应关系组合逻辑电路的设计方法需求分析布尔表达式明确电路所需实现的功能需求,了解输入输出条件将真值表转化为对应的布尔表达式,简化运算1234真值表建立逻辑门电路设计根据需求,建立输入和输出之间的真值表,确定逻辑关系根据简化后的布尔表达式,选择相应的逻辑门电路实现时序逻辑电路的特点时域相关状态记忆12时序逻辑电路的行为取决于输时序逻辑电路可以存储和记忆入信号在时间上的变化情况之前的状态信息时序依赖时钟驱动34时序逻辑电路的输出取决于输时序逻辑电路通常由时钟信号入信号的时间顺序驱动,以同步电路的操作常见时序逻辑电路及其应用触发器计数器基本的存储单元,可以保存一位二进制信息广泛应用于计数器、寄利用触发器实现可对输入脉冲进行计数的电路应用于测量频率、存器等时序电路中速度、时间等领域移位寄存器时序分频器通过级联触发器实现数据的移位操作用于串行数据的转换与暂存,利用计数器电路实现对输入时钟脉冲的频率分频应用于各类电子广泛应用于通信系统设备的时钟同步放大电路的参数及其影响因素增益因素阻抗匹配带宽特性噪声特性放大电路的增益决定了输出信输入和输出端子的阻抗要适当放大电路的带宽决定了其能够放大电路的内部噪声会影响整号的放大倍数，包括电压增益、匹配，以最大限度地传输信号放大的频率范围，影响电路的个系统的信噪比，需要尽量降电流增益和功率增益等功率并减小反射频响性能低电路的噪声水平反馈放大电路的特点及应用反馈放大电路的特点反馈放大电路的应用反馈放大电路具有输入阻抗高、输出阻抗低、稳定性好以及抗干反馈放大电路广泛应用于各类电子设备,如音频和视频放大器、电扰能力强等特点通过适当的反馈网络设计,可以实现电路参数的池充电器、稳压电源等它们可以提高电路的性能,降低噪音和失稳定性和可预测性真,同时也简化了电路设计运算放大器的基本原理及应用高增益1运算放大器具有高达数十万倍的电压增益高输入阻抗2运算放大器几乎不会从输入端吸收电流低输出阻抗3可驱动大电流负载而不受影响运算放大器是一种理想的放大电路,广泛应用于电子系统的各个领域,如仪器测量、信号调理、模拟信号处理等其优异的性能使其成为模拟电子设计的基础模块和转换电路的基本结构A/D D/A1A/D转换电路2D/A转换电路将连续的模拟信号转换为离散将数字信号转换为连续的模拟的数字信号,常见的方法包括并信号,常见方法有加权电阻网、行比较、逐次逼近、sigma-R-2R梯形网、脉冲宽度调制等delta等转换精度应用场景34转换精度受分辨率、线性度、A/D和D/A转换电路广泛应用于稳定性等因素影响,需要在成本、测量、信号处理、多媒体等领功耗等指标间进行权衡域,是模拟与数字电路的关键接口存储器的基本原理及分类存储原理存储器利用电子元件存储和读取数字信息,通过控制电子状态实现数据的存储与访问存储分类常见存储器类型包括ROM、RAM、SRAM、DRAM等,根据存储特性和应用场景不同而分类存储架构存储器由存储单元阵列、地址译码电路、读写电路等构成,实现数据的存储和访问存储器的读写操作读操作1从存储单元中获取数据地址选择2根据地址选中目标单元数据传输3将数据从存储器传输到CPU写操作4将数据写入存储单元存储器的读写操作是微电子学中的重要概念读操作包括地址选择和数据传输两个步骤,将数据从存储单元传输到CPU写操作则是将数据写入目标存储单元这些基本的存储器访问方式为计算机系统的数据处理和存储提供了基础微处理器的基本结构及工作原理基本结构1微处理器由中央处理器（CPU）、存储器（ROM和RAM）和输入/输出接口等部分组成，通过总线电路相互连接工作机制2CPU从存储器中读取指令，并根据指令执行相应的运算或数据传输操作，完成信息处理和控制工作指令系统3微处理器拥有一组丰富的指令集,包括算术逻辑指令、传送指令、跳转指令等,满足各种信息处理需求微处理器的指令系统微处理器组成指令格式指令集微处理器主要包括控制单元、算术逻辑单元、微处理器指令一般包括操作码、地址码和立微处理器拥有丰富的指令集,包括算术逻辑寄存器组等部分,可以执行各种指令完成数即数等部分,用于告诉处理器执行什么操作、指令、数据传输指令、程序控制指令等,满据处理和程序控制在什么地方操作足不同的应用需求微处理器的外围接口电路存储器接口输入输出接口定时器接口中断控制接口微处理器需要与随机存取存储微处理器还需要与各种外围设定时器接口电路可以提供定时中断控制接口电路可以处理来器RAM和只读存储器ROM备如键盘、显示器、打印机中断信号,帮助微处理器进行自外围设备的中断请求,使微进行连接,以存储程序代码和等进行数据交换输入输出实时控制和程序调度处理器能够及时响应外部事件数据存储器接口电路负责地接口电路负责这些设备的连接址译码、数据与地址总线的连和数据传输接等微处理器的应用举例工业自动化电子设备微处理器在工厂生产线、机器人控制等中扮演关键角色,实现自动化手机、电脑、家用电器等消费电子产品都内置微处理器,提供智能化操作和精密控制功能和用户体验医疗器械汽车电子微处理器在医疗设备如心脏起搏器、体温计等中应用广泛,提高了诊车载微处理器管理发动机、制动、安全等关键系统,提升汽车性能和断和治疗的精确性可靠性集成电路的发展趋势集成度提高工艺进步集成电路正朝着集成度越来越高的方向发展,先进的制造工艺如FinFET、EUV光刻等不断可容纳更多元器件和功能这使得电子设备推动集成电路尺度的缩小,性能和效率的提越来越小型化、轻量化和智能化升多功能融合可靠性提高新兴技术如人工智能、5G等与集成电路深集成电路正向着更高的可靠性和稳定性发展,度融合,带来更多创新应用异构集成也成以满足关键领域如航空航天、医疗等的需求为发展方向之一集成电路设计的常见方法电路设计布局设计通过电路分析、仿真和优化,设计出功将电路元件合理布局,确保电路的高密能可靠、性能优异的电路度集成和良好的散热性能芯片制造测试验证采用先进的工艺技术将设计转化为实对设计好的电路进行全面的测试,确保际的集成电路芯片其功能和性能指标符合要求微电子学在现代工业中的应用微电子学是现代工业的基础技术之一从汽车电子到智能家居,从工业自动化到航空航天,微电子器件无处不在,为各行各业带来了革命性的变革未来,微电子技术将进一步与人工智能、物联网等技术深度融合,推动工业智能化转型,提高生产效率和产品质量,助力制造业高质量发展微电子学发展中的重要里程碑集成电路的发明晶体管的发明MOSFET的诞生微处理器的出现1958年,杰克•基尔比发明了第1947年,巴丁、布拉顿和肖克1960年,卡尔森和阿特伍德发1971年,英特尔公司推出第一一个集成电路,标志着微电子利发明了第一个晶体管,开创明了金属氧化物半导体场效应款微处理器4004,标志着微电学的崛起这一革命性的发明了电子器件从真空管向固体器晶体管MOSFET这种高性子学进入了数字时代微处理极大地提高了电路集成度和可件的转变这为微电子学的发能器件在集成电路中广泛应用,器的发展极大地促进了计算机靠性展奠定了基础推动了微电子学的快速进步技术的进步本课程的学习重点与难点学习重点学习难点复习策略本课程的学习重点包括掌握微电子器件的基本课程涉及的电路原理复杂,需要学生对电针对本课程的学习重点和难点,学生需要通本工作原理、半导体材料性质、集成电路的磁学、量子力学等相关基础有较深入的理解过大量习题练习、分析各类典型电路等方式制造工艺等基础知识同时,集成电路的设计与制造工艺也是一大巩固知识点,并注重理论与实践的结合挑战。