新型微电子器件前沿导论（姜岩峰）

微电子学是信息领域的重要基础学科，它研究并实现信息的获取、传输、储存、处理和输出，是研究信息载体的科学，构成了信息科学的基石，其发展水平直接影响着整个信息技术的发展。

微电子技术最重要的应用领域就是计算机技术。计算机的发展建立在微电子技术基础之上，而计算机应用领域的拓宽，反过来更促进了微电子技术的发展。除了计算机以外，微电子技术在其他方面的应用也相当广泛，包括通信卫星、信息高速公路、气象预报、医疗卫生、能源、交通和日常生活等，各个领域无不渗透着微电子技术。

微电子技术影响着一个国家的综合国力以及人们的工作方式、生活方式和思维方式，被看作新技术革命的核心技术。毫不夸张地说，没有微电子，就没有今天的信息产业，就不可能有计算机、现代通信、网络等产业的发展，就没有今天的信息社会。因此，许多国家都将微电子技术作为重要的战略技术并高度重视，投入大量的人力、财力和物力进行研究和开发。

我国是全球最大的芯片市场。2018 年中兴事件“一石激起千层浪”，引起全国人民关心集成电路产业、关心“芯片”。大家都在问：为什么我国集成电路产业老是落后？其他行业都上去了，为什么集成电路还要国家用大量外汇进口？

以上问题，很难用几句话回答清楚。笔者认为，与其争论难有结果，不如各尽其职，发扬“钉子”精神，认真钻研，团结合作，力所能及地为国家集成电路技术和产业的发展添砖加瓦，贡献力量。

笔者从事微电子学高等教育多年，深感相关高等人才培养的艰辛。在实际教学和科研工作中，笔者切身感受到微电子技术令人眼花缭乱的更新迭代速度，作为长期奋战在科研第一线的高等教育工作者，非常希望将最新的研究进展与本科教学有机结合起来，使微电子专业的本科生在深入学习专业基础课程的同时，能够通过限选或选修的方式接触到微电子的前沿进展技术，这对于学生专业知识的培养无疑是非常有利的。

根据以上思路，江南大学微电子专业的教师在教学中增加了“新型微电子器件前沿导论”专业选修课，目的是作为专业基础课“半导体器件物理”的重要补充，使学生在系统学习半导体器件相关工作原理的基础上，通过本课程的学习，能够接触到目前前沿的热点研究内容，通过相关学习，达到“学以致用”的目的。

本书由江南大学微电子专业的姜岩峰、张曙斌、汤思达、强天和于平平编著，江南大学研究生丁艳艳、李岚钰、段伟、陈荣鹏、冯仕亮进行了整理工作，在此表示感谢。

本教材的目的是介绍近年来新发展的微电子器件的主要原理和特点，起到前沿导论的作用，可供微电子专业相关本科生、研究生、工程技术人员使用。由于微电子学及其产业发展迅猛，限于编著者水平，书中难免有疏漏之处，请读者不吝指出。

编著者

本书帮助读者掌握新型电子器件的工作原理，了解微电子专业的发展趋势，主要内容包括半导体存储器、新型微能源器件、射频器件、新型集成无源器件、新型有机半导体器件。

本书适合微电子科学与工程专业本科生及研究生使用，也可供微电子技术研究人员参考。

姜岩峰，江南大学物联网学院教授。

主要从事微电子学与固体电子学的研究和教学工作，在专业杂志Nature-Scientific Reports、IEEE Transaction on Electron Device、IEEE Electron Device Letter、IEEE Transaction on Industrial Electronics、Journal of Applied Physics等发表学术论文一百余篇，其中SCI检索二十余篇、EI检索四十余篇。主持和参加国家项目5项，主持省部级重点项目6项，其它省部级研究项目4项。获得省部级奖7项，曾被评为北京市优秀青年知识分子、北京市科技新星、新世纪百千万北京市级人选（2010），入选新世纪优秀人才（2008）培养计划。

第1章 半导体存储器 001

1.1 存储器系统 001

1.1.1 存储器件的分类 002

1.1.2 半导体存储芯片的基本结构与性能指标 005

1.1.3 存储系统的层次结构 012

1.1.4 习题 014

1.2 半导体存储器分类 014

1.2.1 半导体存储器概况 014

1.2.2 SRAM 存储器 015

1.2.3 DRAM 存储器 019

1.2.4 Flash 存储器 021

1.2.5 磁阻随机存取存储器 024

1.2.6 习题 029

1.3 存储器的阵列设计 029

1.3.1 引言 029

1.3.2 存储器外围电路 032

1.3.3 存储器中的功耗 040

1.3.4 习题 042

第2章 新型微能源器件 043

2.1 引言 043

2.2 燃料电池概述 044

2.2.1 燃料电池的概念 044

2.2.2 燃料电池中的参数 046

2.2.3 燃料电池的优缺点 046

2.2.4 燃料电池的种类 048

2.2.5 燃料电池的工作过程 049

2.2.6 燃料电池的性能表征 050

2.3 燃料电池原理 052

2.3.1 热力学基础 052

2.3.2 电化学反应动力学 056

2.4 微型PEMFC 061

2.5 微型DMFC 064

2.5.1 工作原理 064

2.5.2 微型DMFC 的关键技术 065

2.5.3 模型 067

2.6 微型集成化燃料电池 075

2.6.1 微型RMFC 系统的工作原理 075

2.6.2 模型 078

2.7 习题 088

第3章 射频器件 090

3.1 射频收发机的原理及结构 091

3.1.1 射频收发机的工作原理 091

3.1.2 接收机结构 092

3.1.3 发射机结构 093

3.1.4 习题 095

3.2 低噪声放大器的工作原理及设计 095

3.2.1 LNA 介绍 095

3.2.2 LNA 性能和评价指标 095

3.2.3 功率匹配与噪声匹配 096

3.2.4 常见的LNA 设计实例 099

3.2.5 习题 101

3.3 功率放大器的工作原理及设计 101

3.3.1 PA 介绍 101

3.3.2 PA 的设计基础与分类 102

3.3.3 常见的PA 设计实例 105

3.3.4 习题 105

3.4 混频器的工作原理及设计 106

3.4.1 Mixer 介绍 106

3.4.2 Mixer 分类与设计指标 107

3.4.3 Mixer 设计实例 110

3.4.4 习题 112

第4章 新型集成无源器件 113

4.1 新型集成无源器件的概念及发展现状 114

4.1.1 概念 114

4.1.2 发展现状 115

4.1.3 未来挑战 116

4.1.4 习题 117

4.2 薄膜电阻TFR 的性能指标及设计 117

4.2.1 简介 117

4.2.2 基本参数 118

4.2.3 电阻类型 119

4.2.4 大功率电阻 120

4.2.5 电阻模型 122

4.2.6 电阻电学表示方法 123

4.2.7 有效电导率 123

4.2.8 热敏电阻 124

4.2.9 习题 124

4.3 螺旋电感SI 的性能指标及设计 124

4.3.1 简介 124

4.3.2 基本定义 125

4.3.3 电感结构 127

4.3.4 印刷电感 128

4.3.5 基于硅衬底的电感 129

4.3.6 基于砷化镓GaAs 衬底的电感 131

4.3.7 习题 132

4.4 金属-绝缘体-金属电容（MIMCAP）的性能指标及设计 132

4.4.1 简介 132

4.4.2 电容参数 133

4.4.3 芯片型电容种类 134

4.4.4 分离型平行极板电容器模型 135

4.4.5 金属-绝缘体-金属（MIM）电容模型 136

4.4.6 习题 138

4.5 基于ADS 软件仿真薄膜电阻、螺旋电感和金属-绝缘体-金属电容 . 138

4.5.1 ADS2015 仿真软件简介 138

4.5.2 ADS 仿真薄膜电阻 143

4.5.3 ADS 仿真螺旋电感 144

4.5.4 ADS 仿真MIM 电容 145

4.5.5 习题 147

第5章 新型有机半导体器件 148

5.1 有机场效应晶体管 149

5.1.1 有机场效应晶体管的基本概述 150

5.1.2 有机场效应晶体管的结构 150

5.1.3 有机场效应晶体管的工作原理 151

5.1.4 有机场效应晶体管的性能参数 152

5.1.5 影响有机场效应晶体管性能的因素 155

5.1.6 有机场效应晶体管的材料 157

5.1.7 有机场效应晶体管的制作 160

5.1.8 习题 161

5.2 有机太阳能电池 162

5.2.1 有机太阳能电池的基本概述 162

5.2.2 有机太阳能电池的器件结构 162

5.2.3 有机太阳能电池的工作原理 164

5.2.4 有机太阳能电池的性能参数 165

5.2.5 有机活性层材料 167

5.2.6 习题 168

5.3 有机电存储器件 168

5.3.1 有机电存储器的结构 169

5.3.2 有机电存储器的工作原理 170

5.3.3 有机电存储器的性能参数 172

5.3.4 有机电存储的材料 172

5.3.5 有机电存储器件的设计 173

5.3.6 习题 180

5.4 有机光电探测器 180

5.4.1 有机光电探测器的基本结构和器件类型 181

5.4.2 有机光电探测器的工作原理 182

5.4.3 有机光电探测器的性能参数 183

5.4.4 有机光电探测器的活性层和电极材料 185

5.4.5 有机光电探测器性能提高的方法 186

5.4.6 习题 187

附录 微电子课程思政教育的思考 188

参考文献 192

本教材适用于“微电子科学与工程”专业本科生及研究生使用，先修课程为“半导体器件”。

专业学生在掌握半导体器件基本工作原理的基础上，通过本书将进一步了解和掌握微电子领域新型器件的技术进展。