微电子技术

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微电子技术(Micro Electronic Technique)

目录

什么是微电子技术[1]

  微电子技术是在电子电路和电子系统的超小型化及微型化过程中逐渐形成和发展起来的,以集成电路为核心的电子技术。

微电子技术的特征[2]

  微电子技术是在传统的电子技术基础上发展起来的。之所以称之为“微电子”,顾名思义就是由于它是在微小的范畴内的一种先进技术,其特征是“四微”:①它对信号的加工处理是在一种固体内的微观电子运动中实现的;②它的工作范围是固体的微米级甚至晶格级微区;③对信号的传递交换只在极微小的尺度内进行;④它的容积很大,可以把一个电子功能部件,甚至一个子系统集成在一个微型芯片上。总之,微电子技术是指在几乎肉眼看不见的范围内进行工作的一种独特而神奇的特种技术。

微电子技术的地位[2]

  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,被看作是新技术革命的核心技术。可以毫不夸张地说,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,许多国家都把微电子技术作为重要的战略技术加以高度重视,并投入大量的人力、财力和物力进行研究和开发

微电子技术发展的影响[3]

  由于集成电路实现了材料、元件和电路的一体化及设计和工艺的一体化,大大简化了传统电子设备的制作工艺和成本,也使电子设备的小型化、高可靠性成为可能。在集成电路出现以来的40多年间,其集成度以每3年翻两番的速度快速增加,从而推动了微电子技术的迅猛发展,对人类社会的生产、生活产生了极其深远的影响。

  首先,微电子技术的发展,特别是大规模和超大规模集成电路的出现,引起了计算机技术的革命性变革,促进了计算机在各行各业的应用,推动了新技术革命的迅猛发展,引起了人类社会的深刻变化。

  其次,微电子技术的发展,使集成电路可以低成本、高效率大批量生产。由于集成电路所具有的体积小、重要轻、可靠性高、能耗省等独特优点,它已广泛应用于国防、文化教育、卫生、交通运输、邮电通信、经济管理和各种消费类电子产品中。目前,它对电子产品的渗透率接近100%,成为现代信息社会的细胞。

  再次,微电子技术已经成为发展科学技术、促进经济发展、推动信息化社会进程、加强军事实力、提高医疗水平的关键性基础技术。微电子技术的发展水平和发展规模已经成为衡量国家经济实力和技术进步的重要尺度,是一个国家综合国力的具体表现。

微电子技术的发展前景[3]

  当代微电子技术正在向着高集成度、高速、低功耗、低成本的方向发展。它的进步主要借助于以下几个方面:

  1.制造工艺的改进。在制造工艺方面由最初的单层平面分布发展到后来的多层工艺(有多层高密度和多层多功能两种方式),以降低成本,增加功能。采用人工超晶格工艺(一种用人工控制晶体晶格大小制造晶体的新工艺),制造的器件叫超晶格半导体器件。这种器件的速度比硅半导体器件快10—100倍。使用敏感集成电路(在一块芯片上同时集成各种敏感元件及外围电路),可以缩小体积,降低成本,提高可靠性,增加功能。系统的集成方法将从二维结构向三维立体结构发展,这样会实现集成度的新突破,为集成电路的发展拓出一条新的可行之路。

  2.材料的更新。科学家正广泛地探索以新材料取代硅晶体的可行途径。随着微电子技术的高速发展,硅材料的局限性已逐步暴露出来。采用砷化镓、磷化铟等氧化物半导体材料和超导材料、金刚石材料制造集成电路,可以提高集成电路的开关速度、抗辐射能力和工作温度(金刚石集成电路可在500℃—700℃下正常工作)。2000年2月12日,德国埃森大学和汉诺威大学宣布联合研制成功在硅板上生长锗半导体,由此制成的集成电路其开关速度将大大快于硅集成电路。同时,采用在有机物原子的化学链中储存信息的技术所研制的“生物芯片”也取得了一些进展。

  3.芯片尺寸的增大。芯片尺寸的增大可为集成度的提高提供物质基础,并且芯片尺寸越大,集成电路的平均成本越低。1998年,芯片尺寸已由原来的3—4英寸,增大到8—10英寸。目前已经达到12英寸。预计今后几年芯片的容量将达到令人震惊的程度,即一个芯片上可包含10亿个元件,其电路仅有几个原子那么薄。这必然会带来芯片功能密度和性能价格比的大幅度提高。

微电子技术的应用[4]

  微电子技术是微小型电子元器件和电路的研制、生产以及用它们实现电子系统功能的技术领域。它是20世纪50年代后随着集成电路技术、特别是大规模集成电路技术的发展而逐渐兴起的新技术。

  微电子技术不仅使电子设备和系统的微型化成为可能,更重要的是它引起了电子设备和系统的设计、工艺、封装等的巨大变革。所有的传统元器件,如晶体管、电阻、连线等,都将以整体的形式互相连接,设计的出发点不再是单个元器件,而是整个系统或设备。

  一、从晶体管到集成电路

  20世纪30年代,量子力学取得了举世瞩目的成就,它应用于固体物理,产生了固体能带理论,为发展半导体技术奠定了重要基础。1947年,美国电报电话公司(AT&T)的贝尔实验室的三位科学家巴丁、布莱顿和肖克莱发明了晶体管。这一发明是20世纪电子技术上的重大突破,为微电子技术的出台拉开了序幕。

  晶体管取代电子管,只是一种器件代替另一种器件。生产和军事部门还希望电子设备进一步微小型化,这又强烈地推动人们去开辟电子技术的新途径。

  1952年5月,英国人达默在一次电子元件会议上首次提出了集成电路的设想:将电子设备做在一个没有导线的固体块上,这种固体块由一些绝缘的、导电的、整流的以及放大的材料层构成,把每层分割出来的区域直接相连,以实现某种功能。1957年,英国普列斯公司与马耳维尔雷达研究所协作,在6.3 mm×6.3 mm×3.15 mm的硅晶上,制成了触发器电路。1958年,美国得克萨斯公司的基尔比和仙童公司的诺伊斯在6.45 mm2的硅片上做成了一个包括电阻、电容在内的由12个元件组成的RC移相振荡器。1959年,仙童公司的诺伊斯和摩尔研制出了一种特别适合于做集成电路的工艺,巧妙地利用二氧化硅对某些杂质的扩散的屏蔽作用,在硅片上的二氧化硅层被刻蚀的窗口中,扩散一定的材料,以形成各种元器件,同时,又应用PN结的隔离技术,并在二氧化硅上沉积金属作为导线,这样就基本上完成了集成电路的全部工艺。

  集成电路的发明导致了电子技术的一次新的革命,标志着进入了微电子技术的阶段。

  集成电路是以半导体晶体材料为基片,采用专门工艺技术将组成电路的元器件和互连线集成在基片内部、表面或基片之上的微小型化电路或系统。

  标志集成电路水平的指标之一是集成度。所谓集成度就是指在一定尺寸的芯片上能做多少个晶体管。一般将100个晶体管以下的集成电路称为小规模集成电路(small scale integration,简称SSI),100~1 000个晶体管的集成电路称为中规模集成电路(medium scale integration,简称MSI),1 000~100 000个晶体管的集成电路成为大规模集成电路(1arge scale integration,简称LSI),10万—1 000万个晶体管的集成电路成为超大规模集成电路(very large scale integration,简称VLSI)。

  集成电路发展的初期仅能在一个芯片上制造十几个和几十个晶体管,因而电路的功能是有限的。到20世纪60年代中期,集成度已提高到几百甚至上千个元器件。70年代是集成电路飞速发展的时期,进入大规模集成电路时代,这期间已经出现了集成20多万个元器件的芯片。大规模集成电路不仅仅是元器件集成数量的增加,集成的对象也发生了根本的变化,它可以是一个复杂的功能部件,也可以是一台整机(单片计算机)。80年代可以看作是超大规模集成电路的时代,芯片上元器件的集成数量已突破了百万大关,这么多的元件集成在一小块硅片上,元件所占的面积及元件间的连线细到0.25μm(1μm=10 − 6m)。目前,世界集成电路在向0.18μm、0.13μm加工工艺过渡。

  集成电路面世以来便以集成度每三年便翻两番的摩尔定律发展。

  二、微型计算机的心脏——微处理器

  微电子技术最重要的应用就是计算机技术领域。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。

  在计算机家族中,影响面最大、应用最广泛的是微型计算机(简称微机)。微型计算机的运算器、控制器、存储器以及输入、输出设备都是微电子技术的结晶。其中运算器和控制器集成在一个芯片上,称为中央处理单元(central processing unit,简称CPU),也叫微处理器,它是微型计算机的心脏。运算器是完成数学运算和逻辑运算的部分,控制器则起指挥计算机的作用。计算机之所以叫电脑,就是由于微处理器像人的大脑一样起指挥作用。人们常说的奔腾、安腾、酷睿计算机,实际上指的是微处理器的品牌和型号。微处理器指挥着计算机各部分的工作,可以接收和传输信息,并在其内部进行数据的运算、比较、交换、分类、排序、检索等信息处理

  微处理器的历史可追溯到1971年,当时Intel公司推出了世界上第一台微处理器4004。它有2 300个晶体管,具有每秒6万次的运算速度,它可从半导体存储器中提取指令,实现大量不同的功能。这在当时是非常了不起的。

  1980年,Intel的16位8088微处理器被IBM选中做第一代PC机的核心器件,开创了个人电脑的时代。

  1982年,Intel推出了80286芯片,内部装有13.4万个晶体管,具有当时的其他16位处理器三倍的性能。这种芯片用在IBM PC/AT计算机上。

  1985年,80386处理器投放市场,采用新的32位结构,内装27.5万个晶体管,芯片每秒钟可完成5百万条指令(5MIPS)。

  1989年,出现了80486处理器,芯片内装120万个晶体管,带有数字协处理器。这种芯片大约比最初的4004快50倍。

  1993年,Intel推出了奔腾处理器。奔腾处理器用了310万个晶体管,运算速度达到90MIPS,是原始的4004处理器的1 500倍。

  1997年,Intel推出了具有750万个晶体管的奔腾Ⅱ,AMD推出具有880万个晶体管的K6MMX微处理器。利用这种芯片的计算机,具有更高的性能价格比。

  2002年,Intel推出了主频为2.2 GHz的奔腾Ⅳ芯片,采用0.13μm工艺生产。AMD推出了主频为1.67 GHz的Athlon XP 2000+芯片,尽管主频较低,但性能不比Intel逊色。

  2006年,Intel推出酷睿2双核处理器,宣布了奔腾时代的结束。与上一代处理器相比,酷睿2双核处理器在性能方面提高40%,功耗反而降低40%,可以高速的进行多项任务操作。该处理器内含2.9l亿个晶体管。

  2007年,AMD推出了四内核Opteron处理器。

  Intel公司称,他们将在2010年推出32核CPU,采用32 nm(1 nm=10 − 9m)的微体系架构,以实现另一级别的高能效表现。

  三、微电子技术的广泛应用

  除了计算机以外,微电子技术在其他方面的应用也是相当广泛的。从通信卫星、军事雷达、信息高速公路,到程控电话、手机GPS,从气象预报、遥感、遥测,到有线电视、MP4、DVD,从医疗卫生、能源、交通,到环境工程、自动化生产、日常生活,各个领域无不渗透着微电子技术。它已经成为一种既代表国家现代化水平又与人民生活息息相关的高新技术。

  现代的广播电视系统是微电子技术大有用武之地的领域之一。集成电路代替了彩色电视机中大部分分立元件组成的功能电路,使电视机电路简洁、性能稳定、维修方便、价格低廉。采用微电子技术的数字调谐技术,使电视机可以对多达上百个频道任选,而且大大提高了声音、图像的保真度。

  微电子技术对电子产品的消费者市场也产生了深远的影响。价廉、可靠、体积小、重量轻的微电子产品层出不穷。电子技术产品和微处理器不再是专门的科学仪器世界的贵族,而落户于各式各样的普及型产品之中,进入普通百姓家。例如电子玩具、游戏机、学习机以及其他家用电器产品等。就连汽车这种传统的机械产品也渗透进了微电子技术,采用微电子技术的电子引擎监控系统、汽车安全防盗系统、出租车的计价器等已得到广泛的应用,现代汽车上有时甚至要有十几到几十个微处理器。

  微电子技术发展日新月异,令人兴奋不已。它对我们工作、生活和生产的影响无法估量。

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参考文献

  1. 宣仲良主编.第1章 信息技术概述 大学计算机信息技术知识点分析与题解.苏州大学出版社,2006.
  2. 2.0 2.1 李净,唐红洁编著.第五章 信息科学技术 新编现代科技概论.中国政法大学出版社,2008.11.
  3. 3.0 3.1 浙江省人事厅编.第三章 当代技术前沿 浙江省人事录用考试指导用书 (下册).浙江人民出版社,2001.
  4. 宗占国主编.第二章 微电子技术与计算机技术 现代科学技术导论.高等教育出版社,2008.12.
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