微電子技術

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微電子技術(Micro Electronic Technique)

目錄

什麼是微電子技術[1]

  微電子技術是在電子電路和電子系統的超小型化及微型化過程中逐漸形成和發展起來的,以集成電路為核心的電子技術。

微電子技術的特征[2]

  微電子技術是在傳統的電子技術基礎上發展起來的。之所以稱之為“微電子”,顧名思義就是由於它是在微小的範疇內的一種先進技術,其特征是“四微”:①它對信號的加工處理是在一種固體內的微觀電子運動中實現的;②它的工作範圍是固體的微米級甚至晶格級微區;③對信號的傳遞交換隻在極微小的尺度內進行;④它的容積很大,可以把一個電子功能部件,甚至一個子系統集成在一個微型晶元上。總之,微電子技術是指在幾乎肉眼看不見的範圍內進行工作的一種獨特而神奇的特種技術。

微電子技術的地位[2]

  微電子技術影響著一個國家的綜合國力,以及人們的工作方式、生活方式和思維方式,被看作是新技術革命的核心技術。可以毫不誇張地說,沒有微電子就沒有今天的信息產業,就不可能有電腦、現代通信、網路等產業的發展,就沒有今天的信息社會。因此,許多國家都把微電子技術作為重要的戰略技術加以高度重視,並投入大量的人力、財力和物力進行研究和開發

微電子技術發展的影響[3]

  由於集成電路實現了材料、元件和電路的一體化及設計和工藝的一體化,大大簡化了傳統電子設備的製作工藝和成本,也使電子設備的小型化、高可靠性成為可能。在集成電路出現以來的40多年間,其集成度以每3年翻兩番的速度快速增加,從而推動了微電子技術的迅猛發展,對人類社會的生產、生活產生了極其深遠的影響。

  首先,微電子技術的發展,特別是大規模和超大規模集成電路的出現,引起了電腦技術的革命性變革,促進了電腦在各行各業的應用,推動了新技術革命的迅猛發展,引起了人類社會的深刻變化。

  其次,微電子技術的發展,使集成電路可以低成本、高效率大批量生產。由於集成電路所具有的體積小、重要輕、可靠性高、能耗省等獨特優點,它已廣泛應用於國防、文化教育、衛生、交通運輸、郵電通信、經濟管理和各種消費類電子產品中。目前,它對電子產品的滲透率接近100%,成為現代信息社會的細胞。

  再次,微電子技術已經成為發展科學技術、促進經濟發展、推動信息化社會進程、加強軍事實力、提高醫療水平的關鍵性基礎技術。微電子技術的發展水平和發展規模已經成為衡量國家經濟實力和技術進步的重要尺度,是一個國家綜合國力的具體表現。

微電子技術的發展前景[3]

  當代微電子技術正在向著高集成度、高速、低功耗、低成本的方向發展。它的進步主要藉助於以下幾個方面:

  1.製造工藝的改進。在製造工藝方面由最初的單層平面分佈發展到後來的多層工藝(有多層高密度和多層多功能兩種方式),以降低成本,增加功能。採用人工超晶格工藝(一種用人工控制晶體晶格大小製造晶體的新工藝),製造的器件叫超晶格半導體器件。這種器件的速度比硅半導體器件快10—100倍。使用敏感集成電路(在一塊晶元上同時集成各種敏感元件及外圍電路),可以縮小體積,降低成本,提高可靠性,增加功能。系統的集成方法將從二維結構向三維立體結構發展,這樣會實現集成度的新突破,為集成電路的發展拓出一條新的可行之路。

  2.材料的更新。科學家正廣泛地探索以新材料取代硅晶體的可行途徑。隨著微電子技術的高速發展,硅材料的局限性已逐步暴露出來。採用砷化鎵、磷化銦等氧化物半導體材料和超導材料、金剛石材料製造集成電路,可以提高集成電路的開關速度、抗輻射能力和工作溫度(金剛石集成電路可在500℃—700℃下正常工作)。2000年2月12日,德國埃森大學和漢諾威大學宣佈聯合研製成功在硅板上生長鍺半導體,由此製成的集成電路其開關速度將大大快於硅集成電路。同時,採用在有機物原子的化學鏈中儲存信息的技術所研製的“生物晶元”也取得了一些進展。

  3.晶元尺寸的增大。晶元尺寸的增大可為集成度的提高提供物質基礎,並且晶元尺寸越大,集成電路的平均成本越低。1998年,晶元尺寸已由原來的3—4英寸,增大到8—10英寸。目前已經達到12英寸。預計今後幾年晶元的容量將達到令人震驚的程度,即一個晶元上可包含10億個元件,其電路僅有幾個原子那麼薄。這必然會帶來晶元功能密度和性能價格比的大幅度提高。

微電子技術的應用[4]

  微電子技術是微小型電子元器件和電路的研製、生產以及用它們實現電子系統功能的技術領域。它是20世紀50年代後隨著集成電路技術、特別是大規模集成電路技術的發展而逐漸興起的新技術。

  微電子技術不僅使電子設備和系統的微型化成為可能,更重要的是它引起了電子設備和系統的設計、工藝、封裝等的巨大變革。所有的傳統元器件,如晶體管、電阻、連線等,都將以整體的形式互相連接,設計的出發點不再是單個元器件,而是整個系統或設備。

  一、從晶體管到集成電路

  20世紀30年代,量子力學取得了舉世矚目的成就,它應用於固體物理,產生了固體能帶理論,為發展半導體技術奠定了重要基礎。1947年,美國電報電話公司(AT&T)的貝爾實驗室的三位科學家巴丁、布萊頓和肖克萊發明瞭晶體管。這一發明是20世紀電子技術上的重大突破,為微電子技術的出台拉開了序幕。

  晶體管取代電子管,只是一種器件代替另一種器件。生產和軍事部門還希望電子設備進一步微小型化,這又強烈地推動人們去開闢電子技術的新途徑。

  1952年5月,英國人達默在一次電子元件會議上首次提出了集成電路的設想:將電子設備做在一個沒有導線的固體塊上,這種固體塊由一些絕緣的、導電的、整流的以及放大的材料層構成,把每層分割出來的區域直接相連,以實現某種功能。1957年,英國普列斯公司與馬耳維爾雷達研究所協作,在6.3 mm×6.3 mm×3.15 mm的硅晶上,製成了觸發器電路。1958年,美國得克薩斯公司的基爾比和仙童公司的諾伊斯在6.45 mm2的矽片上做成了一個包括電阻、電容在內的由12個元件組成的RC移相振蕩器。1959年,仙童公司的諾伊斯和摩爾研製出了一種特別適合於做集成電路的工藝,巧妙地利用二氧化硅對某些雜質的擴散的屏蔽作用,在矽片上的二氧化硅層被刻蝕的視窗中,擴散一定的材料,以形成各種元器件,同時,又應用PN結的隔離技術,併在二氧化硅上沉積金屬作為導線,這樣就基本上完成了集成電路的全部工藝。

  集成電路的發明導致了電子技術的一次新的革命,標誌著進入了微電子技術的階段。

  集成電路是以半導體晶體材料為基片,採用專門工藝技術將組成電路的元器件和互連線集成在基片內部、錶面或基片之上的微小型化電路或系統。

  標誌集成電路水平的指標之一是集成度。所謂集成度就是指在一定尺寸的晶元上能做多少個晶體管。一般將100個晶體管以下的集成電路稱為小規模集成電路(small scale integration,簡稱SSI),100~1 000個晶體管的集成電路稱為中規模集成電路(medium scale integration,簡稱MSI),1 000~100 000個晶體管的集成電路成為大規模集成電路(1arge scale integration,簡稱LSI),10萬—1 000萬個晶體管的集成電路成為超大規模集成電路(very large scale integration,簡稱VLSI)。

  集成電路發展的初期僅能在一個晶元上製造十幾個和幾十個晶體管,因而電路的功能是有限的。到20世紀60年代中期,集成度已提高到幾百甚至上千個元器件。70年代是集成電路飛速發展的時期,進入大規模集成電路時代,這期間已經出現了集成20多萬個元器件的晶元。大規模集成電路不僅僅是元器件集成數量的增加,集成的對象也發生了根本的變化,它可以是一個複雜的功能部件,也可以是一臺整機(單片電腦)。80年代可以看作是超大規模集成電路的時代,晶元上元器件的集成數量已突破了百萬大關,這麼多的元件集成在一小塊矽片上,元件所占的面積及元件間的連線細到0.25μm(1μm=10 − 6m)。目前,世界集成電路在向0.18μm、0.13μm加工工藝過渡。

  集成電路面世以來便以集成度每三年便翻兩番的摩爾定律發展。

  二、微型電腦的心臟——微處理器

  微電子技術最重要的應用就是電腦技術領域。電腦的發展建立在微電子技術基礎之上,而電腦應用領域的拓寬,反過來更促進了微電子技術的發展。

  在電腦家族中,影響面最大、應用最廣泛的是微型電腦(簡稱微機)。微型電腦的運算器、控制器、存儲器以及輸入、輸出設備都是微電子技術的結晶。其中運算器和控制器集成在一個晶元上,稱為中央處理單元(central processing unit,簡稱CPU),也叫微處理器,它是微型電腦的心臟。運算器是完成數學運算和邏輯運算的部分,控制器則起指揮電腦的作用。電腦之所以叫電腦,就是由於微處理器像人的大腦一樣起指揮作用。人們常說的奔騰、安騰、酷睿電腦,實際上指的是微處理器的品牌和型號。微處理器指揮著電腦各部分的工作,可以接收和傳輸信息,併在其內部進行數據的運算、比較、交換、分類、排序、檢索等信息處理

  微處理器的歷史可追溯到1971年,當時Intel公司推出了世界上第一臺微處理器4004。它有2 300個晶體管,具有每秒6萬次的運算速度,它可從半導體存儲器中提取指令,實現大量不同的功能。這在當時是非常了不起的。

  1980年,Intel的16位8088微處理器被IBM選中做第一代PC機的核心器件,開創了個人電腦的時代。

  1982年,Intel推出了80286晶元,內部裝有13.4萬個晶體管,具有當時的其他16位處理器三倍的性能。這種晶元用在IBM PC/AT電腦上。

  1985年,80386處理器投放市場,採用新的32位結構,內裝27.5萬個晶體管,晶元每秒鐘可完成5百萬條指令(5MIPS)。

  1989年,出現了80486處理器,晶元內裝120萬個晶體管,帶有數字協處理器。這種晶元大約比最初的4004快50倍。

  1993年,Intel推出了奔騰處理器。奔騰處理器用了310萬個晶體管,運算速度達到90MIPS,是原始的4004處理器的1 500倍。

  1997年,Intel推出了具有750萬個晶體管的奔騰Ⅱ,AMD推出具有880萬個晶體管的K6MMX微處理器。利用這種晶元的電腦,具有更高的性能價格比。

  2002年,Intel推出了主頻為2.2 GHz的奔騰Ⅳ晶元,採用0.13μm工藝生產。AMD推出了主頻為1.67 GHz的Athlon XP 2000+晶元,儘管主頻較低,但性能不比Intel遜色。

  2006年,Intel推出酷睿2雙核處理器,宣佈了奔騰時代的結束。與上一代處理器相比,酷睿2雙核處理器在性能方面提高40%,功耗反而降低40%,可以高速的進行多項任務操作。該處理器內含2.9l億個晶體管。

  2007年,AMD推出了四內核Opteron處理器。

  Intel公司稱,他們將在2010年推出32核CPU,採用32 nm(1 nm=10 − 9m)的微體系架構,以實現另一級別的高能效表現。

  三、微電子技術的廣泛應用

  除了電腦以外,微電子技術在其他方面的應用也是相當廣泛的。從通信衛星、軍事雷達、信息高速公路,到程式控制電話、手機GPS,從氣象預報、遙感、遙測,到有線電視、MP4、DVD,從醫療衛生、能源、交通,到環境工程、自動化生產、日常生活,各個領域無不滲透著微電子技術。它已經成為一種既代表國家現代化水平又與人民生活息息相關的高新技術。

  現代的廣播電視系統是微電子技術大有用武之地的領域之一。集成電路代替了彩色電視機中大部分分立元件組成的功能電路,使電視機電路簡潔、性能穩定、維修方便、價格低廉。採用微電子技術的數字調諧技術,使電視機可以對多達上百個頻道任選,而且大大提高了聲音、圖像的保真度。

  微電子技術對電子產品的消費者市場也產生了深遠的影響。價廉、可靠、體積小、重量輕的微電子產品層出不窮。電子技術產品和微處理器不再是專門的科學儀器世界的貴族,而落戶於各式各樣的普及型產品之中,進入普通百姓家。例如電子玩具、游戲機、學習機以及其他家用電器產品等。就連汽車這種傳統的機械產品也滲透進了微電子技術,採用微電子技術的電子引擎監控系統、汽車安全防盜系統、計程車的計價器等已得到廣泛的應用,現代汽車上有時甚至要有十幾到幾十個微處理器。

  微電子技術發展日新月異,令人興奮不已。它對我們工作、生活和生產的影響無法估量。

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參考文獻

  1. 宣仲良主編.第1章 信息技術概述 大學電腦信息技術知識點分析與題解.蘇州大學出版社,2006.
  2. 2.0 2.1 李凈,唐紅潔編著.第五章 信息科學技術 新編現代科技概論.中國政法大學出版社,2008.11.
  3. 3.0 3.1 浙江省人事廳編.第三章 當代技術前沿 浙江省人事錄用考試指導用書 (下冊).浙江人民出版社,2001.
  4. 宗占國主編.第二章 微電子技術與電腦技術 現代科學技術導論.高等教育出版社,2008.12.
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