《微电子学概论Cha》课件

《微电子学概论》课程介绍本课程将带领您探索微电子学的奥秘，从基本原理到前沿技术，为您打开通往科技发展前沿的大门什么是微电子学？集成电路电路设计微电子学主要研究微型电子器件微电子学与电路设计息息相关，的制造、性能和应用它为现代电子设备提供了基础应用广泛微电子学在计算机、手机、汽车、医疗等领域都发挥着重要作用微电子学的发展历程世纪年代20401晶体管的发明世纪年代20502集成电路的诞生世纪年代20603大规模集成电路世纪年代20704微处理器诞生世纪年代20805超大规模集成电路世纪年代至今20906纳米级集成电路微电子学的应用领域消费电子航空航天医疗器械手机、电脑、电视、游戏机等卫星、导弹、飞机等光机、机、机等X CTMRI集成电路的构成集成电路（）是将多个电子元件，例如晶体管、电阻器IC、电容器等，集成在一个半导体芯片上，并封装在一个外壳中，形成一个完整的电路系统集成电路的构成包含以下几个重要部分芯片集成电路的核心，由半导体材料制成，包含•****了所有的电子元件封装将芯片与外部电路连接的结构，保护芯片，•****并提供外部接口引脚封装上用于连接外部电路的金属导线，用于•****传输信号和供电集成电路制造工艺流程设计设计电路图，并将其转换为掩模版晶圆制造通过光刻、蚀刻等工艺，在晶圆上制造出电路结构封装将晶圆切割成芯片，并将其封装成集成电路测试对封装后的集成电路进行测试，确保其功能正常晶体管的基本原理电流控制结PN晶体管通过控制电流的流动晶体管的核心是结，其形PN来实现放大功能，从而在电成的电场控制电流流动，实路中起到关键作用现放大或开关功能放大功能通过控制输入电流，可以放大输出电流，实现信号的增强和处理半导体材料硅锗12最常见的半导体材料，应早期的半导体材料，目前用广泛应用较少砷化镓3高速电子器件的材料，具有更高的电子迁移率结的基本特性PN导通特性截止特性结正向偏置时，电子从区流向区，空穴从区流向结反向偏置时，电子从区流向区，空穴从区流向PN N P P N PN PNNP区，电流很大区，电流很小二极管的工作原理结正向偏置反向偏置PN二极管的核心是结，由型半导体当正向电压加在结上时，电子和当反向电压加在结上时，电子和PNPPN PN和型半导体组成结形成后，电空穴会向结区移动，从而减少空间电空穴会远离结区，空间电荷区变宽，N PN子和空穴会相互扩散，在结区形成一荷区，导致电流通过导致电流几乎无法通过个空间电荷区二极管的应用整流稳压将交流电转换为直流电，应限制电压，确保电路稳定工用于电源适配器、充电器等作，应用于稳压电源、电压设备保护等限流开关防止电流过大，保护电路元控制电流的通断，应用于电件，应用于电流保护、过载子开关、信号控制等保护等栅极控制原理栅极电压场效应控制特性栅极电压控制着晶体管的导通与截止栅极电压的变化会在沟道中形成一个通过改变栅极电压，可以精确地控制状态当栅极电压高于一定阈值时，电场，这个电场会影响沟道中载流子晶体管的电流，从而实现对电路的控晶体管导通，电流可以从源极流向漏的流动，从而改变晶体管的电流制和调节极当栅极电压低于阈值时，晶体管截止，电流无法流动晶体管的基本结构晶体管是现代电子设备的核心元件，由半导体材料制成，通常由三个区域组成发射极、基极和集电极发射极和集电极都是导电性较好的区域，而基极则是一个薄而导电性较差的区域晶体管通过控制基极电流来控制发射极电流和集电极电流之间的关系，实现信号放大或开关功能各类晶体管的特性双极结型晶体管场效应晶体管BJT FET电流控制电流，具有较高的电压控制电流，具有较高的电流增益和功率放大能力输入阻抗和较低的功耗金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET最常见的类型，具有更高的集成度和更低的成本FET放大电路及应用信号放大1增强信号强度，提高信噪比阻抗匹配2调整信号源和负载之间的阻抗信号处理3滤波、整形、调制等信号处理功能数字电路的基本概念二进制表示逻辑门数字电路使用二进制表示信息，其中每个信号只有两种状逻辑门是数字电路的基本构建块，它们执行基本的逻辑运态或算，如与、或、非等01逻辑门电路逻辑门电路是数字电路中最基本的组成部分，它们是实现各种逻辑运算的基本单元常见的逻辑门电路包括与门、或门、非门、异或门、同或门等逻辑门电路主要由半导体器件构成，通过输入信号的组合来控制输出信号的逻辑状态组合逻辑电路设计设计需求1确定电路功能和输入输出逻辑表达式2使用逻辑门描述电路功能逻辑图3用逻辑门符号表示电路结构电路实现4选择合适的芯片和元件测试验证5测试电路性能和可靠性时序逻辑电路状态记忆1时序逻辑电路利用反馈机制来存储状态信息，例如触发器时钟信号2时钟信号控制电路的运作，决定电路状态的更新时间状态转移3根据输入信号和当前状态，时序逻辑电路可以进行状态转移，实现不同的功能存储器的基本原理存储器概念存储单元存储器用于存储数据和指令，是存储器由许多存储单元组成，每计算机系统中不可或缺的组成部个单元存储一个二进制位（）bit分读写操作存储器可以进行读写操作，将数据写入存储单元或从存储单元中读取数据存储器的分类及应用按存储介质分按存取方式分按用途分半导体存储器随机存取存储器（）主存储器••RAM•磁存储器只读存储器（）辅存储器••ROM•光存储器顺序存取存储器高速缓存•••微处理器的基本结构微处理器是计算机的核心部件，它负责执行指令和控制数据的处理微处理器通常包含以下基本结构算术逻辑单元（）负责进行算术和逻辑运算•ALU控制单元（）负责控制微处理器的运行•CU寄存器组用于存储临时数据和指令•地址总线用于寻址内存和外设•数据总线用于传输数据•指令译码器将指令转换为机器语言•时钟为微处理器提供定时信号•微处理器的性能指标12时钟频率字长衡量处理器运行速度的指标处理器一次能处理的数据位数34指令集缓存大小处理器可执行的指令种类和数量用于加速数据访问的存储区域大小微处理器的指令系统指令集指令格式微处理器执行操作的指令集它指令的结构，包括操作码、操作是微处理器设计的基础数等部分指令周期微处理器执行一条指令所需的时间，包括取指令、译码、执行和写回等步骤微处理器的开发流程设计阶段确定目标架构，定义指令集，编写微处理器核心代码验证阶段通过仿真和测试验证设计正确性，确保功能符合预期实现阶段将设计转化为硬件电路，选择合适的工艺，进行版图设计测试阶段对制造完成的芯片进行功能和性能测试，确保质量合格封装阶段将芯片封装成可使用的组件，便于连接和使用模拟电路的概述连续信号处理广泛应用设计复杂性模拟电路处理连续变化的信号，如音模拟电路广泛应用于电子设备，例如模拟电路设计需要深厚的理论基础和频、视频和传感器数据音频放大器、电源、传感器接口等实践经验，需要考虑信号完整性、噪声抑制等因素运算放大器的基本原理高增益高输入阻抗运算放大器具有极高的电压运算放大器的输入阻抗很高增益，通常在到，这意味着它从信号源汲取10^510^8之间，这意味着即使微小的的电流很少，几乎不会对信输入信号也能被放大成很大号源造成负载的输出信号低输出阻抗运算放大器的输出阻抗很低，这意味着它能够为负载提供足够的电流，而不会出现明显的电压降运算放大器的应用放大信号滤波运算放大器可以放大微弱的运算放大器可以被用来设计信号，使之能够被处理和利各种滤波器，消除信号中的用噪声和干扰信号调理控制系统运算放大器可以对信号进行运算放大器可以用于构建反整形、偏移和缩放，使其符馈控制系统，实现对各种物合后续电路的需要理量的精确控制电源电路的基本原理直流电源稳压电路12将交流电转换为直流电，保持输出电压稳定，不受为电子设备提供稳定的电输入电压或负载变化的影源响滤波电路3去除电源中的噪声和干扰，确保信号的纯净度电源电路的设计需求分析1确定电源电压、电流、功率等参数电路设计2选择合适的电源芯片、滤波器等元件电路仿真3使用仿真软件验证电路性能电路测试4实物测试，调试完善课程总结与展望本课程介绍了微电子学的基本原理、主要器件、集成电路制造工艺以及应用领域通过学习，学生们将掌握微电子学的基础知识，并能够理解现代电子设备背后的基本工作原理。