《微电子导论》课件

微电子导论课程概览欢迎各位同学选修《微电子导论》课程本课程旨在帮助大家建立微电子学科的基础知识框架，深入了解当代半导体芯片技术的核心概念与发展动态我们将系统介绍微电子学科的理论基础、制造工艺、器件原理以及产业应用，帮助大家形成全面的学科认知学习过程中将结合课堂讲授、实验演示和案例分析，多角度构建知识体系本课程既关注基础理论，也跟踪技术前沿，着重培养大家的专业素养和创新思维希望通过这门课程的学习，激发大家对微电子技术的研究兴趣，为未来深入学习打下坚实基础微电子学科的定义与学科交叉微电子技术物理学微电子技术是研究、设计与生产微米及纳米提供半导体物理、量子力学等基础理论支级电子器件及其系统的科学与工程技术，以持，解释载流子行为、能带结构等微观现半导体集成电路为核心，涵盖了从材料到系象，为器件创新提供理论指导统的全产业链技术计算机科学材料科学提供电路设计方法、验证工具与计算架构理研究半导体材料的结构、性质及制备方法，论，同时也是微电子最主要的应用领域之如硅、锗、砷化镓等材料的晶体结构、缺一，两者相互促进发展陷、电学特性等，决定了器件性能的上限微电子技术的发展历程1947年三极管诞生贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿发明了第一个晶体管，开创了半导体时代，为此获得了年诺贝尔物理学奖19561958年集成电路发明德州仪器的杰克基尔比和仙童半导体的罗伯特诺伊斯先后发明了集成电··路，将多个元器件集成在单一硅片上，奠定了现代微电子工业基础1971年微处理器诞生英特尔推出全球首款商用微处理器，集成了个晶体管，奠定了40042300通用计算芯片的基础2007年至今移动与AI芯片时代智能手机和人工智能推动芯片设计进入新时代，异构计算架构成为主流，芯片集成度和复杂度达到前所未有的水平从电子管到集成电路电子管时代晶体管时代集成电路时代世纪初至年代，电子管是主要的电年后晶体管逐渐取代电子管，体积年后集成电路技术实现了在单一硅204019471958子开关元件虽然功能实现简单，但体显著缩小，功耗大幅降低，可靠性提片上集成多个晶体管及其互连，进入大积庞大、功耗高、稳定性差，计算机如高晶体管电路开始应用于计算机和通规模集成时代现代芯片可集成数十亿需要占用整个房间，包含信设备，但仍需手工连接各元件晶体管，实现复杂功能ENIAC18000多个电子管功率消耗约瓦功率消耗微瓦至数瓦•

0.5•功率消耗数百瓦•体积数毫米体积纳米级晶体管••体积拳头大小•可靠性中等，寿命延长至数万小时可靠性极高，失效率极低••可靠性低，平均寿命约小时•1000集成电路基本分类IC数字模拟混合信号IC ICIC处理二进制信号（和处理连续变化的信号，结合数字和模拟电路于0），用于计算、逻辑运如声音、温度、电压等一体，如模数转换器1算和数据存储典型代物理量包括放大器、和数模转换器ADC表包括、、存振荡器、稳压器等，实现信号之间CPU GPUDAC储器、等的转换FPGA优势能够处理自•优势噪声容限然界中的连续信号优势桥接现实世••高，工艺标准化程界与数字处理应用音频设备、•度高传感器、功率控制应用通信系统、•应用计算机、数消费电子、医疗设•字设备、控制系统备半导体材料基础硅（Si）锗（Ge）目前最主流的半导体材料，地球上含量丰富具有适中的能隙（

1.1eV），良好的最早使用的半导体材料，载流子迁移率高于硅，但能隙较窄（

0.67eV），温度稳热稳定性和机械强度，可形成高质量的氧化层定性差，制造工艺复杂•应用90%以上的集成电路•应用高频器件，红外探测器•特点成熟工艺，成本相对较低•特点高速，但温度敏感砷化镓（GaAs）氮化镓（GaN）典型的III-V族化合物半导体，直接带隙（

1.42eV），电子迁移率是硅的6倍，适合宽禁带半导体（

3.4eV），具有高击穿电场和热导率，适合高功率、高温应用和蓝高速、高频和光电应用色LED•应用射频芯片，激光器，太阳能电池•应用功率器件，高频放大器，LED照明•特点高速，但成本高，晶圆尺寸小•特点高功率密度，高温稳定性好半导体物理基础能带理论半导体的能带结构决定了其电学特性本征与掺杂半导体通过掺杂控制载流子类型和浓度PN结半导体器件的基本单元半导体材料的能带结构特点是导带与价带之间存在适当宽度的禁带，其中电子从价带跃迁到导带形成自由电子和空穴，成为电流传导的载流子本征半导体中载流子浓度较低，通过掺杂工艺可以引入杂质原子，形成型（电子为主要载流子）或型（空穴为主要载流子）半导体N P当型与型半导体接触形成结时，载流子扩散形成耗尽区和内建电场，这是半导体整流、放大等功能的基础在温度、光照或外加电场作P N PN用下，半导体中的载流子浓度和运动状态会发生变化，从而实现各种器件功能晶体管基础原理双极型晶体管场效应晶体管BJT FET由两个结组成，分为和两种类型工作原理基于少利用电场控制导电沟道，分为结型和绝缘栅型PN NPNPNP JFET数载流子的注入和扩散，通过基极的小电流控制集电极的大电以多数载流子导电为主，输入阻抗高，功耗低MOSFET流，实现电流放大三个电极源极、栅极、漏极•S GD三个区域发射极、基极、集电极•E BC工作区域截止、线性、饱和•工作模式截止、放大、饱和•特点电压控制器件，适合集成•特点电流控制器件，功耗较大•成为现代集成电路的基本构件，特别适合数字电路MOSFET主要应用于模拟电路，如音频放大、振荡器等微电子核心器件MOSFETMOS结构金属氧化物半导体三层结构--栅控机理电场控制沟道形成和导通互补结构与的搭配使用NMOS PMOS金属氧化物半导体场效应晶体管是现代集成电路的基础器件其核心是结构金属栅极（现代工艺多采用多晶硅）、二氧化--MOSFET MOS硅绝缘层和半导体衬底当栅极施加电压时，在半导体表面感应出反型层，形成源极到漏极的导电沟道使用型衬底，型源漏区，导电沟道主要由电子构成；则相反，使用型衬底，型源漏区，导电沟道由空穴构成两种器件在NMOS PN PMOSNP电学特性上互补，结合形成互补金属氧化物半导体结构，成为数字电路的主流技术，具有高集成度、低功耗的特点CMOS集成电路的基本制造流程概述清洗与准备晶圆清洗、氧化、抛光光刻光刻胶旋涂、曝光、显影刻蚀与扩散离子注入、刻蚀、掺杂薄膜沉积氧化、金属化、介质沉积封装与测试切割、引线键合、塑封集成电路制造是一个复杂的工艺流程，需要在超净环境中完成首先对硅晶圆进行清洗和表面准备，然后通过光刻技术将电路图形转移到晶圆表面光刻后进行刻蚀工艺，形成特定的结构，并通过扩散或离子注入实现掺杂接下来通过化学气相沉积CVD或物理气相沉积PVD等方法沉积各种薄膜，包括导体、半导体和绝缘体这些工艺步骤会重复多次，形成复杂的三维结构最后对晶圆进行测试，切割成单个芯片，然后进行封装，形成可用的集成电路产品整个流程可能包含数百个工艺步骤，对精度和纯度要求极高光刻技术原理与挑战曝光光源光罩掩模版从汞灯到深紫外再到极紫外光EUV光刻胶选择与曝光模式分辨率提升光学投影系统多重曝光、浸没式光刻与相衬技术高数值孔径镜头与精密机械控制光刻技术是微电子制造的核心，决定了集成电路的最小特征尺寸其基本原理是通过掩模版（又称光罩）将电路图形投影到涂有光刻胶的晶圆表面光刻胶在光照后发生化学反应，使曝光区域与未曝光区域产生溶解性差异，从而在显影后形成所需的图形光刻分辨率受限于使用光源的波长，根据瑞利判据最小线宽=k1×λ/NA，其中λ是波长，NA是数值孔径，k1是工艺因子为突破物理极限，光刻技术经历了从436nm汞灯、365nm i线、248nm KrF激光、193nm ArF激光到

13.5nm极紫外光EUV的演进EUV光刻是当前最先进技术，能实现5nm以下工艺节点，但设备复杂度和成本极高，一台EUV光刻机价格超过

1.5亿美元材料纯度与薄膜沉积材料纯度要求半导体级硅的纯度达到9个9（

99.9999999%），杂质浓度低于10^-9，相当于在1吨水中只含1毫克杂质这种超高纯度是通过区熔法等技术实现的化学气相沉积CVD利用气态前驱物在高温下发生化学反应，在衬底表面形成固态薄膜包括低压CVD、等离子体增强CVD等多种变体，适用于沉积多晶硅、氮化硅、氧化硅等材料物理气相沉积PVD通过物理方法（如蒸发、溅射）使目标材料原子转移到衬底表面主要用于金属薄膜沉积，如铝、铜互连层与CVD相比，PVD通常在较低温度下进行，但方向性更强薄膜厚度控制现代工艺可实现原子级精度的薄膜控制，栅氧化层厚度仅几个纳米通过原位监测和精确时间控制，确保薄膜的均匀性和重复性，是决定器件性能的关键因素扩散与离子注入技术热扩散技术离子注入技术对器件性能的影响早期的掺杂技术，利用高温下杂质原子使用高能加速器将杂质离子加速并直接掺杂精度直接影响器件的电学特性，包的热运动扩散到半导体中工艺简单但注入到半导体材料中，精度高、可控性括阈值电压、漏电流和频率响应等关键控制精度低，横向扩散明显强，已成为主流掺杂技术参数温度范围能量范围几到几浅结形成减小短沟道效应•800-1200℃•keV MeV•杂质源固体、液体或气体剂量控制掺杂梯度控制优化器件导通性能••10^11~10^16ions/cm²•适用场景深结构、大面积掺杂精确掺杂分布浓度、深度可控超浅结技术纳米级器件的关键•••刻蚀技术湿法刻蚀干法刻蚀使用液体化学试剂溶解目标材料，具有采用气相等离子体或反应性气体，实现选择性高、成本低的特点定向刻蚀，适合高精度工艺各向同性横向与纵向刻蚀速率相各向异性垂直方向刻蚀为主••同适用于亚微米级结构•适用于特征尺寸较大的结构•类型反应离子刻蚀、深反应•RIE（）1μm离子刻蚀DRIE常用试剂、、等•KOH H3PO4HF主要技术参数刻蚀工艺需要综合考虑多个技术指标，平衡各种需求刻蚀速率影响生产效率•选择比目标材料与掩蔽层刻蚀率比值•均匀性确保整片晶圆一致性•损伤控制减少表面和侧壁损伤•晶圆测试与封装晶圆测试使用探针台对晶圆上的每个芯片进行电学测试，通过自动化测试设备检测ATE芯片功能、性能和可靠性不良芯片会被标记，避免后续封装浪费晶圆测试通常包括直流参数测试、功能测试和高温测试等多个环节芯片切割通过精密的晶圆切割机（划片机）将测试后的晶圆切割成单个芯片（裸片）切割可采用金刚石锯或激光切割技术，需要精确控制切割深度和速度，避免产生微裂纹影响芯片可靠性封装形式根据应用需求选择不同封装形式，传统的引脚式封装已逐渐被表面贴DIP装技术替代现代封装包括塑料封装、陶瓷封装、球栅阵列SMT、芯片级封装等BGA CSP先进封装技术如倒装芯片、芯片堆叠和扇出型晶圆级封装Flip ChipSiP提供了更高的集成度和性能这些技术解决了高端芯片的散热、FOWLP电气性能和微型化需求数字集成电路基础系统级设计复杂系统功能与架构芯片与电路设计2寄存器、存储器、总线等核心模块逻辑电路设计组合逻辑、时序逻辑电路逻辑门电路与、或、非等基本逻辑单元晶体管和工艺实现5CMOS工艺中的实际电路结构数字集成电路是现代信息技术的核心其基本单元是逻辑门，包括与门、或门、非门等，通过CMOS晶体管实现从单个逻辑门出发，构建组合逻辑电路（如加法器、解码器）和时序逻辑电路（如触发器、计数器），进而形成更复杂的功能模块随着集成电路技术的发展，单个芯片上的晶体管数量呈指数增长，符合摩尔定律从1971年英特尔4004的2300个晶体管，到现代处理器的数十亿晶体管，密度提高了百万倍以上这种指数级发展推动了计算性能的提升和应用领域的扩展，但也面临功耗、散热和量子效应等物理极限的挑战模拟与混合信号IC模拟集成电路混合信号集成电路技术挑战处理连续变化的电信号，保持与真实世在同一芯片上集成模拟和数字电路，实模拟与数字电路集成面临多种工艺和设界物理量的直接对应关系现信号转换和处理计难题运算放大器信号放大、滤波、比较模数转换器将模拟信号转为噪声耦合数字开关噪声干扰模拟信••ADC•数字号电压调节器提供稳定电源•数模转换器将数字信号转为工艺兼容性不同类型电路需求冲突振荡器产生特定频率信号•DAC••模拟测试复杂性模拟测试需要特殊设备相位锁定环频率同步与倍频••相位锁定环时钟生成与同步•PLL供电隔离需要分离的电源和地平面•模拟设计注重噪声控制、线性度和失真传感器接口连接物理传感器与数字•度等参数，设计难度大，依赖经验混合信号设计需要系统级优化，平衡数处理字与模拟性能和ASIC FPGAASIC专用集成电路FPGA现场可编程门阵列根据特定应用需求定制的集成电由可编程逻辑块、可编程互连和路，经过完整的设计、验证和制块组成的半定制化集成电路I/O造流程从设计开始，经过综使用硬件描述语言编程，可以快RTL合、布局布线、掩膜制作和晶圆速实现原型验证优点是灵活性制造等步骤优点是性能高、功高、开发周期短（数天至数耗低、体积小，缺点是研发周期周）、可反复修改；缺点是功耗长（个月）、成本高（掩膜较高、面积利用率低、单位成本6-18费用数百万元）、固化后不可修高、性能受限改技术对比与选择适合大批量生产（万片）的成熟产品，如手机基带芯片、消费电子；ASIC10适合小批量、需要灵活更新或现场重构的应用，如通信设备原型、工业FPGA控制两者各有优劣，选择取决于项目需求、时间预算和成本考量近年来，结构化和硬核技术正在缩小两者之间的差距ASIC FPGA与嵌入式系统SOC处理单元SOC架构包含内核（等）、、CPU ARM/RISC-V DSPGPU系统级芯片将处理器、存储System onChip等计算资源，处理不同类型的数据和任务1器、接口和专用功能电路集成于单一硅片，实现完整系统功能存储资源片上、、等，与片外、SRAM ROMFlash DRAM形成存储层次体系NAND Flash专用功能单元通信接口视频编解码器、安全引擎、传感器接口等应用特定电路，提高性能与效率集成、、以太网、等外设接口，以USB PCIeWiFi及片内总线系统系统级芯片代表了集成电路发展的高级阶段，将原本分散在多个芯片上的功能整合到单一硅片，大幅降低系统体积、功耗和成本典型SOC SOC包含处理器内核、内存控制器、各类接口和专用加速器等，是智能手机、平板电脑等嵌入式系统的核心现代手机如高通骁龙、苹果系列和华为麒麟等，集成了、、、、、基带处理器等多种功能模块此类高度集成化设计SOC ACPU GPUNPU DSPISP不仅提升了系统性能，还优化了功耗管理，延长了电池使用时间随着、等技术发展，正向更高性能、更低功耗、更强安全性方向演进5G AISOC新型存储器件发展传统存储技术新型非易失存储器存算一体技术目前计算设备主要使用三种存储技术为克服传统技术的局限，多种新型存储器正传统冯诺依曼架构中，计算与存储分离，·在发展数据传输成为性能瓶颈存算一体技术尝试（静态随机存取存储器）基于触发SRAM在存储器中直接进行计算，减少数据移动器结构，速度最快，面积大，功耗高，用于（磁阻随机存取存储器）利用磁MRAM处理器缓存性材料的磁阻效应，非易失，写入快，功耗低基于新型存储器的存算一体架构特别适合神（动态随机存取存储器）基于电容DRAM经网络等数据密集型计算，如利用阵存储电荷，需要定期刷新，密度高，速度中（阻变随机存取存储器）基于材料RRAMRRAM列实现矩阵乘法，可显著提高应用的能效等，用作主内存电阻可控变化，高密度，低功耗AI比此方向代表了计算架构的重要创新方（闪存）基于浮栅晶体管，非易失（相变存储器）利用相变材料在Flash PCRAM向性，写入慢，擦写寿命有限，用于长期存储非晶态和晶态间转换，兼具密度和接Flash近的速度DRAM（铁电随机存取存储器）利用铁FeRAM电材料的极化特性，低功耗，高耐久性定律与尺度极限Moore1965年摩尔定律提出1英特尔联合创始人戈登·摩尔预测，集成电路上的晶体管数量大约每两年翻一番，性能随之提升，成本相应下降21970-2000年黄金时期摩尔定律准确预测了30年微电子发展，晶体管尺寸从微米级缩小到亚微米级，芯片性能指数级提升2000-2020年减速期3随着尺寸接近物理极限，技术难度和成本急剧上升，摩尔定律开始放缓，从18个月翻倍延长到24-30个月42020年后后摩尔时代传统尺寸缩小面临量子隧穿、热墙效应等物理极限，新结构、新材料、新封装和新架构成为主要创新方向摩尔定律引领了半个多世纪的微电子技术发展，推动了全球信息技术革命然而，随着晶体管尺寸接近原子级别，物理极限日益明显量子隧穿导致漏电增加，晶格原子数量不足以形成可靠的器件特性，散热问题限制了功耗提升面对这些挑战，产业正在多方向探索一方面继续推进先进工艺，如2nm甚至1nm节点研发；另一方面通过三维堆叠、异构集成、专用架构、并行计算等方式获取性能提升后摩尔时代的创新将更加多元化，从单纯的物理尺寸缩小转向系统级优化与创新架构纳米工艺与三维集成（）3D IC先进制程技术1向及以下制程节点推进2nm垂直堆叠技术通过硅通孔实现芯片立体集成异构集成不同功能单元最优组合先进制程技术持续向更小尺寸发展，台积电、三星等领先企业已量产工艺，研发工艺这些工艺采用了光刻技术、5nm2nm EUV器件结构和多重曝光等创新，克服物理限制然而，成本急剧上升，研发周期延长，单纯依靠尺寸缩小的收益正在递减FinFET/GAAFET三维集成技术成为补充路径，通过垂直方向扩展芯片空间关键技术包括硅通孔、晶圆键合和微凸点互连等不仅提高了集成度，TSV3D IC还缩短了互连长度，改善信号延迟和功耗，特别适合存储器堆叠、图像传感器和异构系统集成从高带宽存储器到苹果的芯片互HBM M1Ultra连封装，三维集成正成为高性能计算和移动设备的关键技术CoWoS工艺技术CMOS衬底准备与隔离硅衬底清洗、氧化与沟槽隔离形成阱区形成N阱和P阱的掺杂与扩散工艺栅极形成栅氧化层生长与多晶硅栅沉积刻蚀源漏区形成离子注入与快速热退火接触与互连多层金属和介质沉积与平坦化钝化与保护最终保护层沉积与焊盘开窗CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺是当前集成电路制造的主流技术，其核心在于集成NMOS和PMOS两种互补晶体管标准CMOS工艺通常包含20-40个主要步骤，先进工艺可达数百个精密工艺步骤工艺开始于高纯硅衬底的准备，通过热氧化形成场氧化层，实现器件隔离接下来形成NMOS和PMOS所需的衬底区域（阱区），然后通过精确控制栅氧化层生长（仅几纳米厚）和栅极材料沉积刻蚀，形成MOS结构核心源漏区通过高精度离子注入和快速热退火形成，随后是复杂的多层互连结构，现代工艺可包含12层以上金属层整个工艺需要在超净环境中完成，对温度、气流和粒子控制要求极高，任何微小污染都可能导致良率下降与新结构FinFET GAAFET平面MOSFET传统平面结构在22nm以下工艺面临严重短沟道效应，栅极对沟道的控制能力下降，导致漏电流增加、阈值电压不稳定其平面布局也限制了集成度的进一步提高FinFET技术自22/16nm工艺开始广泛应用，将沟道从平面延伸到垂直方向形成鳍状结构，栅极从三面包围沟道，显著改善了栅控能力典型FinFET的鳍高约30-60nm，宽5-10nm，可并联多个鳍提高驱动能力GAAFET/纳米片技术将硅材料制成纳米级薄片或线状，栅极完全环绕沟道，提供最佳的静电控制能力IBM和三星等已推出基于纳米片的3nm工艺，实现了更小的晶体管尺寸、更高的性能和更低的功耗，是未来先进工艺的发展方向新材料碳纳米管与二维材料碳纳米管（CNT）单壁碳纳米管是由碳原子以六边形排列卷曲成的纳米管结构，直径约1-2nm具有优异的电学性能，载流子迁移率可达硅的10倍以上，热导率极高，机械强度超过钢铁研究表明，碳纳米管晶体管可工作在太赫兹频率，有望突破硅基器件的频率限制石墨烯（Graphene）单层碳原子形成的二维蜂窝状晶格，是已知最薄最坚硬的材料室温下电子迁移率可达15000cm²/Vs，远高于硅然而，石墨烯没有带隙，限制了其作为开关器件的应用研究人员通过能带工程、杂化结构等方法尝试解决这一问题，或者利用其高导电性用于互连层过渡金属二硫化物（TMD）如二硫化钼（MoS₂）、二硫化钨（WS₂）等，这类材料天然具有合适带隙，可实现高开关比的晶体管单层MoS₂厚度仅

0.65nm，有望实现超薄逻辑器件，对亚10nm节点工艺有潜在应用价值目前主要挑战是大面积高质量薄膜制备和稳定可靠的器件工艺研究进展与挑战新材料器件已在实验室实现了优异性能，但距离商业化仍面临材料制备、工艺兼容性、可靠性、成本等多重挑战未来可能先在特定领域（如射频电路、传感器、柔性电子）实现应用，逐步拓展到主流逻辑领域这些新材料代表了后摩尔时代的重要技术方向光电子与芯片MEMS硅基光电子技术将光信号处理功能集成在硅基平台上，实现光电信号的生成、调制、传输与探测•核心元件波导、光调制器、光探测器、波分复用器•优势带宽高（100Gbps）、功耗低、抗电磁干扰•应用数据中心互连、高性能计算、光纤通信微机电系统MEMS结合微电子与微机械结构的器件，尺寸从微米到毫米，能够感知或操控物理环境•工作原理静电、压电、热致动、磁驱动等•典型器件加速度计、陀螺仪、压力传感器、微镜•应用智能手机、汽车电子、医疗设备集成与封装挑战光电子与MEMS器件与传统CMOS工艺结合面临多种技术挑战•材料兼容性III-V族材料与硅的异质集成•封装要求光纤耦合、真空封装、应力管理•测试复杂性光学/机械/电学多域测试创新应用前景这些技术正推动全新应用领域的发展•光学计算光神经网络、光量子计算•微型机器人医疗微创手术、环境监测•智能传感系统智慧城市、环境监测射频与通信芯片IC射频前端混频器与频率合成负责信号发射与接收的模拟电路，包括低噪声放实现射频信号与基带信号的转换，提供精确时钟大器、功率放大器、滤波器等天线与滤波器基带处理器3电磁波收发与频率选择，保障通信质量执行数字信号处理、纠错编码、协议处理等功能射频集成电路是现代无线通信的核心，工作频率从数百MHz到数十GHz与数字电路不同，射频IC设计需要考虑噪声、线性度、增益和效率等模拟特性，同时应对寄生效应、电磁干扰和热管理等挑战主流射频IC使用SiGe、GaAs和GaN等多种材料工艺，以实现最佳性能5G通信对射频前端提出了新挑战，频段扩展至毫米波（24-40GHz），需要多通道MIMO技术和波束成形能力现代5G射频模块集成了数十种功能单元，包括多模多频功率放大器、低噪声放大器阵列、射频开关矩阵和滤波器组射频系统级封装SiP技术将这些异质芯片与无源元件集成在单一封装内，如高通的QTM052毫米波模块，实现了高度集成与小型化，支持多频段灵活切换和智能功率管理电源管理芯片$25B市场规模电源管理IC年全球市场超过250亿美元，持续增长90%能效提升过去十年电源转换效率从75%提升至超过90%

0.5W功耗降低先进PMIC可将移动设备待机功耗控制在

0.5W以下20+集成度单个PMIC可集成20多个电源管理功能电源管理集成电路PMIC负责系统电能转换、分配与监控，是所有电子设备的关键组成部分随着便携设备和物联网的普及，PMIC设计面临低功耗、高效率、小尺寸和多功能集成的多重挑战现代PMIC通常整合了多个DC-DC转换器、线性稳压器LDO、充电管理、电池保护、热管理和电源监控等功能芯片能效优化是PMIC设计的核心目标先进技术包括动态电压调整DVS、自适应频率控制、超低功耗睡眠模式和智能电源时序管理在工艺方面，功率晶体管采用特殊的高压工艺，如LDMOS、BCD工艺等，同时集成标准CMOS控制逻辑新型宽禁带半导体材料GaN、SiC的应用正推动PMIC效率和功率密度达到新高度，特别是在高压、大电流应用场景传感器与智能感知芯片环境传感器运动与位置传感器生物特征传感器检测温度、湿度、气压、光照包括加速度计、陀螺仪、磁力指纹识别、心率监测、血氧检等环境参数微型化程度高，计等，基于MEMS技术，集成测等，结合光学、超声波与电功耗低，温度精度可达多轴测量能力，支持手势识容感应等多种技术，实现高精±

0.1℃，集成多参数检测功别、导航定位与运动追踪，是度身份验证与健康监测，在安能，广泛应用于气象监测、智智能手机、可穿戴设备和自动全认证和医疗保健领域应用广能家居与穿戴设备驾驶的关键组件泛智能传感系统整合多种传感器、信号处理与AI推理能力于单一芯片，实现边缘计算，降低数据传输需求，提高响应速度与隐私保护新一代系统支持自适应采样、自校准与多传感器融合智能手机芯片架构移动SoC核心架构多媒体与连接性母带集成与优化现代智能手机芯片采用高度集成的系统级芯除核心计算单元外，手机还集成多种媒手机主板设计需要在有限空间内集成与SoC SoC片设计，在单一硅片上集成多种功能体处理与通信接口其他关键芯片，面临散热、电磁干扰与布线SoC单元等挑战视频编解码器支持视频处理•4K/8K采用大小核设计，如先进手机采用多层设计，结合芯片级封•CPU ARM显示引擎驱动高刷新率屏幕PCB•OLED组合装技术，整合射频前端、电源管理、Cortex-A78+A55SiP音频处理低功耗音频解码与处理•内存与闪存等组件最新的封装技术如扇出移动图形处理器，支持高帧率游•GPU无线连接、蓝牙、、•WiFi NFCGNSS型晶圆级封装可将多个裸片直接戏与渲染FOWLPUI定位集成，大幅减小体积，优化信号完整性与热加速器专用神经网络推理引擎•NPU/AI安全单元加密、安全启动与生物识别•性能图像信号处理器，支持多摄像头与•ISP计算摄影数字信号处理器，处理音频与传•DSP感器数据基带处理器负责蜂窝网络通信•汽车电子与智能驾驶芯片汽车级芯片可靠性需求汽车电子芯片需满足严格的AEC-Q100标准，在-40℃至125℃温度范围内稳定运行，抗振动与电磁干扰能力强，零缺陷要求下故障率低于10PPM汽车芯片还需支持功能安全，符合ISO26262标准，达到ASIL-D等级，并具备15年以上的长期可靠性车载控制单元演进从传统的分散式ECU架构向域控制器与中央计算平台演进现代汽车可包含100多个ECU，未来将整合为几个高性能域控制器智能座舱域控制器负责信息娱乐与仪表系统；底盘域控制器管理动力总成与驾驶辅助；车身域控制器协调照明、空调等功能自动驾驶计算平台L3及以上自动驾驶需要超高算力支持，典型计算平台集成多种异构处理器英伟达DRIVE系列、高通骁龙Ride平台与特斯拉FSD芯片等提供200-1000TOPS算力，同时兼顾实时性与功耗控制计算架构采用CNN、RNN加速器与传统CPU/GPU相结合的设计，支持感知、定位、规划、控制全栈功能车载传感器处理自动驾驶依赖多模态传感器融合，包括摄像头、雷达、激光雷达等摄像头提供丰富语义信息，需ISP与AI芯片支持；毫米波雷达探测距离与速度信息，需专用信号处理器；激光雷达生成精确3D点云，对带宽和算力要求极高未来趋势是传感器与处理单元深度集成，实现边缘计算芯片与神经网络加速AIAI芯片是针对人工智能工作负载优化的专用处理器，主要分为训练型和推理型两大类训练芯片如NVIDIA A100GPU、Google TPUv4具有高浮点运算性能和大容量内存，功耗可达数百瓦；推理芯片如华为昇腾、高通Hexagon则注重低延迟、低功耗和专用加速在架构设计上，AI芯片普遍采用异构计算模式，结合张量处理单元、向量处理器和通用CPU核心关键优化方向包括1大规模并行计算单元，支持矩阵乘法加速；2定制数据流架构，减少内存访问；3灵活的精度支持，从FP32到INT8/4/2；4片上存储层次优化，减轻内存墙问题随着模型复杂度增加，AI芯片正向更高算力密度、更低功耗比和更强编程灵活性方向发展数据中心与高性能计算芯片可穿戴设备芯片IoT超低功耗设计微瓦级运行功耗，数年电池寿命高集成度SoC2处理器、存储、通信、传感一体化无线连接技术低功耗蓝牙、WiFi、LoRa等多协议支持嵌入式安全硬件加密引擎与安全启动机制传感与边缘计算AI加速与本地数据处理物联网IoT和可穿戴设备芯片设计的核心挑战是在极低功耗预算下实现多功能集成典型IoT SoC采用32位微控制器Arm Cortex-M系列或RISC-V作为主处理器，工作在数MHz至数百MHz频率范围，集成无线通信子系统、传感器接口和电源管理单元功耗优化是设计关键，采用多种低功耗技术1深度睡眠模式，使芯片在不活动时功耗降至纳瓦级；2自主唤醒系统，无需主处理器参与即可响应外部事件；3电源岛设计，独立控制各功能模块供电；4自适应电压调整，根据工作负载动态调整频率和电压安全方面，即使在资源受限条件下，先进IoT芯片也集成了硬件安全模块，提供安全存储、加密加速和设备认证功能，应对日益增长的安全威胁医疗电子芯片创新应用神经接口芯片用于大脑活动监测与神经调控的微电子设备，采用超低功耗设计与无线充电技术，实现长期植入先进神经接口可同时记录数百个神经元活动，支持双向通信，在神经疾病治疗与人机接口领域展现巨大潜力可穿戴健康监测集成多参数传感器的柔性电子系统，可贴附皮肤长期监测生理参数先进设计采用超薄硅芯片与柔性基板结合，实现舒适佩戴体验芯片集成模拟前端、数字处理与无线传输功能，支持心电、血糖、血氧等多种指标实时监测微流控诊断芯片将实验室功能微型化于单芯片的生物电子系统，集成微流体通道、生物传感器与信号处理电路这类芯片可在便携设备上实现快速医学诊断，能检测病原体、生物标志物与药物反应，为即时检测与精准医疗提供支持新型工艺与封装创新ChipletChiplet异构集成先进封装技术高带宽互连是将大型单片芯片分解成多个较小为支持架构，封装技术也在革新，芯片间通信是架构的关键挑战，需Chiplet ChipletChiplet功能模块的技术路径，每个模块可使用最适从传统的引线键合发展到多种高密度互连技要高带宽、低延迟、低功耗的互连技术合的工艺制造，然后通过高速互连集成在一术微凸点密度可达每平•Micro-bump起封装将多个芯片放置在硅中介层方毫米数千个•

2.5D•优势提高良率、降低成本、工艺灵活Interposer上混合键合实现纳米•Hybrid Bonding性封装芯片垂直堆叠，通过（硅级对准•3D TSV挑战芯片间互连带宽、测试复杂性通孔）互连•光学互连硅光子技术实现级带宽•TB/s应用案例处理器、扇出型封装无基板直接互连•AMD ZenIntel•FOWLP技术Ponte Vecchio接口标准、、等互操作•UCIe BoWAIB嵌入式桥接局部硅桥接互连芯标准•EMIB这种设计方法允许将、、内CPU GPUHBM片存等不同功能块通过先进封装技术整合，实最新互连技术可实现的能效和10-20pJ/bit现近似单片集成的性能的带宽密度2-5Tbps/mm微电子设计自动化EDA设计输入与系统级设计需求分析、系统架构、HDL代码编写逻辑综合与物理设计RTL综合、逻辑优化、布局布线验证与仿真功能验证、时序分析、物理验证流片准备与制造接口DRC/LVS检查、掩膜数据准备电子设计自动化EDA工具是现代集成电路设计的基石，贯穿芯片设计全流程设计开始于系统级规格制定和架构设计，借助高层次综合HLS工具将算法描述转换为硬件描述语言HDL主流HDL包括Verilog、VHDL和新兴的SystemVerilog，设计师使用这些语言描述电路功能逻辑综合将RTL代码转换为门级网表，物理设计则负责将逻辑门映射到实际芯片面积，包括布局、时钟树综合和布线等步骤为确保设计正确性，需进行全面验证，包括功能仿真、形式验证、时序分析、功耗分析和电磁干扰分析等先进工艺设计面临日益增长的复杂性挑战，EDA工具正引入机器学习技术优化设计流程，提高效率并应对7nm以下工艺的设计难题芯片可靠性与失效分析电迁移Electromigration高电流密度导致金属原子迁移，形成空洞或丘状物，最终导致互连断路或短路•成因电子与金属原子碰撞引起动量转移•影响因素电流密度、温度、材料特性•预防措施金属线宽优化、电流限制、添加合金元素热循环失效Thermal Cycling温度变化导致的材料膨胀系数不匹配，产生机械应力，引起焊点开裂、引线断裂等问题•成因温度波动与材料热膨胀系数差异•失效模式焊点疲劳、硅裂纹、封装开裂•解决方案应力缓冲设计、材料匹配选择时间依赖介质击穿TDDB长期电场作用下氧化层缓慢损伤，最终导致绝缘层击穿失效•成因电子陷阱形成与电场加速效应•影响因素电场强度、温度、氧化层质量•预防措施优化氧化工艺、控制工作电压失效分析技术用于确定芯片失效根本原因的先进分析方法•扫描电子显微镜SEM纳米级表面形貌分析•透射电子显微镜TEM原子级结构观察•热发射成像功耗异常与热点检测•聚焦离子束FIB精确截面制备与电路修改晶圆厂与产线管理晶圆厂布局与洁净室现代晶圆厂是高度自动化的精密制造环境，投资高达数十亿美元核心生产区域为洁净室，根据洁净度分为不同等级，先进工艺要求级别（每立方英尺空气中颗Class1粒少于个）洁净室采用层流设计，气流从天花板向下流动，将污染物带走；温湿1度控制在范围内；振动隔离系统确保设备稳定性±

0.1℃生产流程与设备晶圆生产采用批次管理模式，典型英寸晶圆厂月产能为万片关键设备包125-8括光刻机、刻蚀机、离子注入机、薄膜沉积设备等，单台设备价格从数百万到数亿美元不等设备利用率是重要指标，通常保持在以上以摊销高昂成本工85%艺控制系统实时监测数百个参数，确保产品质量代表性工厂对比全球领先的代工厂商台积电掌握最先进的工艺技术，从到全TSMC7nm3nm面领先，良率控制在以上；中国大陆代表性企业中芯国际主力工90%SMIC艺为至，部分先进工艺受限于设备与技术封锁两者在产能规28nm14nm模、良率控制、技术水平与成本结构方面存在明显差距，反映了半导体制造的技术壁垒与地缘政治影响产业链梳理与生态设计环节制造环节包括IDM与Fabless设计公司，负责芯片架构与电路晶圆代工厂进行芯片生产，是资本与技术密集环节，设计，占产业链价值约30%典型企业有高通、英伟占价值约40%代表企业包括台积电、三星、中芯国达、联发科等际等设备材料封装测试提供制造所需的关键设备与材料，占价值约20%包将晶圆切割并封装为成品芯片，进行电气测试，占价括ASML、应用材料、东京电子等设备商及信越化学值约10%主要企业有日月光、长电科技等等材料供应商半导体产业链高度全球化，不同区域形成专业分工美国在设计、EDA工具与设备领域占主导地位；东亚地区台湾、韩国、日本在制造、封测与材料方面优势明显；欧洲在特种芯片与部分设备领域保持竞争力；中国大陆则是全球最大半导体消费市场，同时正加速发展自主产业链中美半导体产业链对比显示明显差异美国主导高端EDA工具、核心IP、先进逻辑与射频设计；中国在中低端封装测试、部分成熟工艺制造与设计方面有一定优势，但在最尖端工艺、先进设备和关键材料存在明显短板当前全球产业链重构趋势明显，各国正加速打造更完备的本土供应链，产业格局面临深刻变化国际主流企业与典型产品公司总部主要业务代表产品技术优势英特尔美国IDM至强处理器CPU架构、集成化工艺台积电台湾晶圆代工3/5nm工艺先进制程、良率控制三星韩国存储器、代工DDR

5、NAND闪存存储技术、垂直整合高通美国移动芯片设计骁龙处理器通信专利、SoC集成英伟达美国GPU设计GeForce、数据中心并行计算、AI加速GPUARM英国CPU架构授权Cortex系列IP能效比、生态系统华为中国通信设备、芯片设计麒麟、昇腾AI芯片系统集成、算法优化紫光集团中国存储、设计长江存储NAND存储工艺、产能扩张兆易创新中国NOR闪存、MCU GD32MCU系列特种存储、工业控制国际半导体市场形成了垂直与水平分工并存的格局英特尔作为传统IDM代表，拥有从设计到制造的完整能力，但近年在先进制程上落后于台积电；台积电专注晶圆代工，以精益制造和先进工艺著称，已成为全球高端芯片的关键制造商；三星电子则结合存储器与晶圆代工业务，在3D NAND与高带宽内存等领域处于领先地位中国企业近年快速发展，华为海思曾在手机SoC领域与高通、苹果并驾齐驱，现专注于服务器与AI芯片；紫光集团旗下长江存储在NAND闪存领域取得突破，已量产128层3D NAND；兆易创新则在NOR闪存与MCU市场建立了竞争优势中国企业普遍面临的挑战是EDA工具依赖、先进工艺受限以及高端人才不足，但在特定细分市场已形成一定竞争力国内微电子产业现状与政策

17.8%中国IC自给率2022年数据，有望逐步提升

13.9%全球市场份额中国半导体企业占比持续增长亿2500年度投资规模人民币，政府与市场资本综合投入万30+从业人员专业技术人才数量快速增长国内微电子产业正经历快速发展期，《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》明确了产业战略定位政策支持体系包括税收优惠（重点企业所得税减按15%或10%征收）、融资支持（鼓励各类基金投资）、研发支持（重大专项持续推进）和人才政策（薪酬激励、户籍便利）等多维度措施产学研协同方面，形成了以国家集成电路产业投资基金为引导、地方政府配套、企业主体投入的多层次投资体系重点布局设计、制造、封装测试、设备材料等全产业链环节上海张江、北京亦庄、武汉光谷、深圳南山等地形成产业集群，构建了包含高校、科研院所、龙头企业和创业公司的创新生态面向未来，政策重点转向卡脖子技术攻关和生态建设，强调自主创新与开放合作并举集成电路科教与人才培养专业课程体系国内高校集成电路专业课程体系已趋于完善，涵盖四大模块基础理论（半导体物理、电子电路等）、设计专业（数字/模拟IC设计、EDA等）、制造工艺（微纳加工、材料科学等）和系统应用（嵌入式系统、AI芯片等）领先高校如清华、复旦、北大等设立了专门的微电子学院，提供本硕博完整培养链条专业方向与岗位微电子专业毕业生主要面向五类岗位芯片设计工程师（数字、模拟、射频、验证等）、工艺开发工程师（前道、后道、良率提升等）、封装测试工程师、应用开发工程师和EDA研发工程师不同方向对知识结构要求有较大差异，设计类岗位需要深厚的电路理论和编程能力，工艺类岗位则更注重材料与物理背景校企联合培养产学合作已成为人才培养主流模式，包括联合实验室建设、企业冠名课程、实习基地共建等多种形式华为、中芯国际等领军企业与高校合作开设定制班，针对性培养急需人才校企合作不仅提供实践机会，还促进课程内容更新，使教学内容与产业需求保持同步，增强毕业生就业竞争力人才需求趋势产业对人才需求呈现多元化和复合型特征设计领域对系统架构、AI算法与硬件结合的人才需求上升；制造环节急需先进工艺与设备专家；封测领域需要先进封装与高频测试人才未来五年预计人才缺口超过20万，其中高端人才尤为紧缺薪资水平持续提升，应届硕士起薪已达35-50万元/年，博士更高晶圆制造成本分析微电子安全与芯片卡脖子供应链安全风险关键环节严重依赖外部技术安全挑战硬件后门与数据安全威胁自主可控战略核心技术攻关与生态建设半导体产业的全球化分工使供应链安全成为国家战略考量中国作为全球最大的芯片消费国，每年进口额超过3000亿美元，对外依存度高达80%以上关键卡脖子环节包括EDA工具（三大巨头垄断全球90%市场）、光刻机（ASML垄断高端EUV设备）、高端CPU/GPU设计（英特尔、AMD、英伟达主导）以及部分关键材料（如光刻胶、高纯气体等）应对这些挑战，中国采取了系统性自主可控战略在短期，通过多元化采购、增加库存和关键企业扶持等措施降低断供风险；中期目标是突破关键工艺节点和核心IP开发，形成基本自主产业链；长期则致力于建立开放创新的产业生态这一战略体现在大基金的持续投入、高校重点学科建设以及产业集群培育等方面实践表明，既要避免盲目自主而脱离全球创新体系，也要防止过度依赖造成的国家安全隐患，在开放合作与自主创新之间寻求平衡点芯片设计与专利IP处理器IP存储器与接口IP模拟与混合信号IPCPU/GPU/DSP等核心计算包括SRAM/ROM编译器、DDR包括ADC/DAC、PLL、IP，授权模式从软核RTL代码控制器、PCIe/USB/HDMI等标SerDes、PHY等模拟IP这类到硬核实体版图不等Arm架准接口IP这类IP多为高度标准IP高度依赖专家经验，难以标准构几乎垄断了移动处理器市化模块，开发难度在于工艺兼化生产，因此形成了高壁垒高场，其Cortex系列IP年授权费容性与性能优化Cadence、利润的特点领先供应商如TI、高达数亿美元RISC-V作为开Synopsys等EDA巨头通过收购ADI等拥有数十年积累的模拟IP源指令集近年异军突起，提供整合了大量接口IP，形成完整产库，成为难以复制的竞争优了架构自主的新选择品线，在特定领域形成了事实势标准专利壁垒与授权机制半导体领域专利密度极高，一颗现代芯片可能涉及数千项专利授权模式主要有预付费+提成、交叉授权和专利池三种专利诉讼经常成为阻碍新进入者的工具，如高通的通信专利在移动芯片领域构建了强大壁垒，基本授权费占终端售价的3-5%绿色制造与芯片回收半导体制造的环境挑战能效提升与绿色工厂电子废弃物回收技术传统半导体制造面临多重环境问题芯片制造商正通过多种技术降低环境影响芯片与电子产品废弃后的处理是另一重要环节高能耗晶圆厂能耗巨大，单家先进工厂能源管理智能制冷系统、废热回收、厂••年耗电可达4-6亿千瓦时房节能设计•贵金属回收高级芯片含金、银、钯等贵金属，先进工艺可回收率达•水资源消耗12英寸晶圆制造每片需用超•水资源循环超纯水回收系统可实现98%纯水约加仑以上回用率自动分选视觉系统识别不同类型电子200085%•AI元件，提高回收效率•化学品使用制程涉及数百种化学品，部•替代材料减少使用高GWP气体，开发分具有毒性环保替代品湿法冶金使用环保溶剂选择性溶解目标•金属，减少二次污染•温室气体使用多种全球变暖潜能值•绿色认证如LEED建筑认证、ISOGWP高的气体，如CF

4、NF3等14001环境管理体系•设计优化从源头考虑可回收性，如模块化设计、易拆解结构随着环保意识提高和法规趋严，绿色制造成台积电等领先企业承诺年实现碳中和，2050为产业焦点并将绿色指标纳入供应商考核中国作为全球最大电子产品消费国，已建立较完善的回收体系，但精细化处理技术仍需提升面向未来的微电子新趋势类脑计算芯片模拟人脑结构与工作机制的新型计算架构•基于忆阻器等新型器件实现突触功能•脉冲神经网络SNN降低能耗数百倍•适合边缘智能与实时处理场景•IBM TrueNorth、英特尔Loihi等原型系统已展示潜力量子芯片发展基于量子力学原理的革命性计算技术•超导量子比特是当前主流技术路线•量子容错是实用化的关键挑战•谷歌、IBM已实现50-100个量子比特原型•潜在应用包括密码破解、材料模拟等光电子计算利用光信号进行高速低能耗计算•硅光子学实现片上光学互连•光学矩阵乘法加速器能效提升100倍•光学神经网络支持超高并行度•混合电光系统是近期可行路径关键设备国产化突破制造装备瓶颈是产业自主的基础•高端光刻机国产化是核心挑战•刻蚀、薄膜设备已取得部分突破•检测量测设备实现部分国产替代•材料国产化是协同推进方向经典工程案例解析苹果系列芯片国产芯片部署A AI苹果系列处理器是移动芯片设计的典范，展现了垂直整合战略以某国产芯片在数据中心的部署为案例，展示了从设计到规模A AI的成功以为例，采用台积电工艺，集成约化应用的工程挑战A15Bionic5nm150亿晶体管，包含架构设计采用自研张量加速单元与高带宽内存•HBM2核个高性能核心个高效能核心•6CPU2+4软件生态开发完整框架适配与编译优化链条•AI核支持与机器学习加速•5GPU MetalAPI散热设计创新相变式散热方案解决功耗问题•300W核神经网络引擎万亿次运算秒•

1615.8/集群部署节点规模的训练中心•2000+AI自研计算摄影与视频处理•ISP该项目克服了工艺成熟度、互连带宽与功耗密度等多重挑战，实苹果通过完全自主设计架构，优化软硬件协同，实现了同现了关键场景国产替代项目成功的关键在于垂直整合团队，同CPU功耗下的卓越性能其设计团队采用高度模块化架构，每年迭代时覆盖硬件设计、编译器优化与应用适配能力升级特定组件，保持技术领先课程总结与前景展望基础理论回顾半导体物理、器件原理与基本工艺构成了微电子学科的坚实理论基础这些基础知识虽然看似简单，但在深入研究中始终是创新的源泉从PN结的形成到MOS器件的工作原理，这些基本概念贯穿整个集成电路发展史2技术发展脉络从微米到纳米，从平面到三维，集成电路技术不断突破物理极限摩尔定律虽然放缓，但通过新材料、新结构和新架构，产业仍保持创新活力异构集成与特色工艺成为后摩尔时代的主要产业生态全景发展方向微电子产业已形成复杂而完整的生态系统，从设计、制造到封测，从设备、材料到应用，各环节相互依存全球化与本土化并行发展，技术创新与市场应用相互促进，产业格局处于深刻变未来发展方向革期微电子技术未来将向更多样化方向发展一方面是继续推进传统工艺微缩；另一方面是探索新型计算范式如类脑计算、量子计算等颠覆性技术集成度的提升将从平面向三维拓展，计算与存储更紧密融合通过本课程的学习，希望同学们已建立起微电子技术的系统认知微电子是现代信息社会的基础，也是国家战略科技的重要领域无论未来是继续深造还是进入产业，都需要保持开放学习的心态，跟踪技术前沿，不断更新知识结构我们正处于信息技术变革的关键时期，微电子技术将继续推动人工智能、物联网、量子信息等新兴领域的发展希望同学们能够投身这一激动人心的领域，为中国微电子产业的发展贡献力量课程结束，但学习和探索才刚刚开始！。