微電子技術(shù)及其發(fā)展

本文由woaixi27貢獻(xiàn)pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT,或下載源文件到本機(jī)查看。微電子技術(shù)及其發(fā)展孫秀平（長(zhǎng)春光機(jī)學(xué)院物理系吉林130022）微電子學(xué)是研究在固體（主要是半導(dǎo)體）材料上構(gòu)成的微小型化電路，子系統(tǒng)及系統(tǒng)的電子學(xué)分支，是一門主要研究電子或離子在固體材料中的運(yùn)動(dòng)及應(yīng)用并利用它實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理功能的科學(xué).微電子學(xué)是以實(shí)現(xiàn)電路和系統(tǒng)的集成為目的，它所實(shí)現(xiàn)的電路和系統(tǒng)又稱為集成電路和集成系統(tǒng)，是微小型化的.微電子學(xué)的應(yīng)用技術(shù)即為微電子技術(shù)，它是信息技術(shù)的關(guān)鍵所在.微電子技術(shù)的空間尺度通常是以微米和納米為單位的.目前，微電子技術(shù)的發(fā)展水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模已成為一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要標(biāo)志.一，微電子技術(shù)的地位和作用1.微電子技術(shù)是信息技術(shù)的基礎(chǔ)信息是客觀事物狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)特征的一種普遍形式，是繼材料和能源之后的第三大資源，是人類物質(zhì)文明和精神文明賴以發(fā)展的三大支柱之一.實(shí)現(xiàn)信的差異可將它與天然地震區(qū)別開來(lái)，并且還可給出核爆炸的發(fā)生時(shí)刻，，位置當(dāng)量等等.此外，利用地震的方法還可以預(yù)測(cè)火山噴發(fā)，對(duì)水庫(kù)誘發(fā)地震的研究可以為大型水庫(kù)提供安全保障，對(duì)礦山地震的監(jiān)測(cè)是保護(hù)礦山安全的重要手段.息社會(huì)化的關(guān)鍵是各種計(jì)算機(jī)和通訊機(jī)，但其技術(shù)基礎(chǔ)都是微電子技術(shù).在信息領(lǐng)域中，微電子技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)信息的獲取，，，傳輸存儲(chǔ)處理和輸出，成為信息技術(shù)的基石.1946年2月在美國(guó)莫爾學(xué)院誕生了第一臺(tái)名為電子數(shù)值積分器和計(jì)算器的計(jì)算機(jī)，當(dāng)時(shí)這臺(tái)機(jī)器由18000個(gè)電子管組成，占地150m2,重30噸，功率為140kW,然而這個(gè)龐然大物的運(yùn)行速度只有每秒5000次，存儲(chǔ)量只有千位，平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)間只有7分鐘.設(shè)想一下，這樣的計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)入辦公室，企業(yè)和家庭嗎？所以當(dāng)時(shí)有人認(rèn)為，全世界只有4臺(tái)這樣的計(jì)算機(jī)就足夠了，可是現(xiàn)在全世界的計(jì)算機(jī)不包括微機(jī)在內(nèi)就有幾百萬(wàn)臺(tái)，造成這個(gè)巨大變革的技術(shù)基礎(chǔ)就是微電子.2.微電子技術(shù)是一個(gè)國(guó)家發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志信息電子產(chǎn)業(yè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略作用首先表現(xiàn)地震作為一種正常的自然現(xiàn)象，時(shí)刻時(shí)地都有發(fā)生的可能，我們除了積極做好震前的預(yù)報(bào)工作外，平時(shí)還要了解一些防震抗震的基本知識(shí)，即使地震真得發(fā)生了，要做到不慌亂，采取科學(xué)的態(tài)度和措施積極應(yīng)對(duì)，對(duì)地震的災(zāi)害盡可能地減少到最低限度.作者簡(jiǎn)介李祥，男，1976年生于山東齊河.碩士，畢業(yè)于華東師范大學(xué)物理系生物物理專業(yè).現(xiàn)為上海教育出版社理科編輯.已發(fā)表文章數(shù)篇.王青，女，1976年生于上海.畢業(yè)于上海師范大學(xué)初等教育學(xué)院.現(xiàn)為上海市真光中學(xué)數(shù)學(xué)教師.1996年被評(píng)為上海市師范系統(tǒng)優(yōu)秀畢業(yè)生.2001年評(píng)為普陀區(qū)優(yōu)秀班主任.?6?現(xiàn)代物理知識(shí)在當(dāng)代食物鏈關(guān)系上，現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的數(shù)據(jù)表明國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值（G）每增長(zhǎng)100—元，需要10元NP300左右電子工業(yè)產(chǎn)值的支撐，而其中就包含1元的集成電路產(chǎn)品.又據(jù)資料測(cè)算，集成電路對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)高于其他門類的產(chǎn)品，如果以單位質(zhì)量鋼筋對(duì)G的貢獻(xiàn)為1計(jì)算，則小汽車為5,彩電為NP30,計(jì)算機(jī)為1000,而集成電路的貢獻(xiàn)則高達(dá)2000.所以一位日本經(jīng)濟(jì)學(xué)家認(rèn)為誰(shuí)控制了超大規(guī)模集成電路技術(shù)誰(shuí)就控制了世界產(chǎn)業(yè)，英國(guó)人則認(rèn)為如果某個(gè)國(guó)家不掌握微電子技術(shù)，它就會(huì)立刻進(jìn)入不發(fā)達(dá)國(guó)家行列.預(yù)計(jì)在2007年左右，微電子產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值將超過鋼鐵工業(yè).3.微電子產(chǎn)業(yè)促進(jìn)其他產(chǎn)業(yè)的變革微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，除了微電子工業(yè)本身對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的巨大貢獻(xiàn)外，還與它極強(qiáng)的滲透性有關(guān).幾乎所有的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)只要與微電子技術(shù)結(jié)合，用微電子芯片進(jìn)行智能改造，就會(huì)使傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)重新煥發(fā)青春.例如火電廠的鍋爐給水泵送風(fēng)機(jī)，引風(fēng)機(jī)占了電廠全部耗能的72%,而全國(guó)各行業(yè)的風(fēng)機(jī)，水泵的總耗電量占了全國(guó)發(fā)電量的36%,僅僅對(duì)風(fēng)機(jī)，水泵采用變頻調(diào)速等電子技術(shù)進(jìn)行改造，每年即可節(jié)電659億度，相當(dāng)于3個(gè)葛洲壩電站的發(fā)電量；利用微電子技術(shù)進(jìn)行交流傳動(dòng)改造后，電力機(jī)車可節(jié)電20%?40%，內(nèi)燃機(jī)可節(jié)油12%?14%.微電子技術(shù)不僅在節(jié)能,節(jié)材等方面能夠使傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代，而且還可以使傳統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，性能等方面發(fā)生革命性的質(zhì)的變化.例如當(dāng)采用微機(jī)統(tǒng)一控制的鈾-電機(jī)裝置替代傳統(tǒng)的蝸輪，蝸桿，齒輪傳動(dòng)時(shí)，汽車將不再是單純的機(jī)械產(chǎn)品，汽車的電子化將導(dǎo)致汽車革命；另外數(shù)字化機(jī)械加工設(shè)備，數(shù)字通訊技術(shù)等都是以微電子技術(shù)作為基礎(chǔ)的.目前微電子技術(shù)已廣泛滲透于國(guó)民經(jīng)濟(jì)，國(guó)防建設(shè)，乃至家庭生活的各個(gè)方面.二，微電子技術(shù)發(fā)展的一般規(guī)律微電子技術(shù)無(wú)論是從其發(fā)展速度和對(duì)人類社會(huì)生產(chǎn)和生活的影響，都可以說是科學(xué)技術(shù)史上空前的，是其他任何產(chǎn)業(yè)無(wú)法比擬的.但微電子技術(shù)的發(fā)展也有一定的規(guī)律性.1.摩爾定律MOS集成電路已成為微電子產(chǎn)業(yè)的核心，而存儲(chǔ)器和微處理器又是MOS集成電路中最具代表性的兩大典型產(chǎn)品，它們的發(fā)展水平通常標(biāo)志著整個(gè)微電子技術(shù)的發(fā)展水平.自60年代以來(lái)，集成電路14卷3期（總81期）的發(fā)展一直遵循1965年英特爾公司的創(chuàng)始人之一摩爾（GordonE.Moore）預(yù)言的集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)律：即集成電路的集成度每3年增長(zhǎng)4倍，特征尺寸每3年縮小2倍，這就是著名的摩爾定律.2.等比例縮小定律等比例縮小定律是1974年由登納德（Dennard）提出的，他的基本指導(dǎo)思想是在MOS器件內(nèi)部電場(chǎng)不變的條件下，通過等比例縮小器件的縱向，橫向尺寸，以增加跨導(dǎo)和減少負(fù)載電容，由此提高集成電路的性能.同時(shí)電源電壓也要與器件尺寸縮小相同的倍數(shù).這種維持器件內(nèi)部電場(chǎng)不變的等比例縮小定律叫做恒定電場(chǎng)規(guī)律，簡(jiǎn)稱CE律.如果器件的結(jié)構(gòu)尺寸，電源電壓，閾值電壓等按CE律縮小k倍以后，門延遲時(shí)間也縮小k倍，標(biāo)志集成電路性能的功耗延遲積則縮小k3倍.同時(shí)，溝道長(zhǎng)度和寬度的縮小使晶體管的面積縮小k2倍，因此在相同芯片面積上集成的晶體管數(shù)目即集成密度將提高k2倍.等比例縮小定律是實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模集成電路迅速發(fā)展的基點(diǎn)，幾十年來(lái)集成電路工藝技術(shù)和器件物理的研究和開發(fā)都是圍繞這個(gè)基點(diǎn)進(jìn)行的.正是由于器件在等比例縮小技術(shù)方面的不斷進(jìn)步和巨大成功，集成電路才有了今天的輝煌成就.但是，簡(jiǎn)單的恒定電場(chǎng)定律也存在較大的問題，為了克服CE律中存在的問題，有人提出了恒定電壓等比例縮小規(guī)律（CV律），即保持電源電壓和閾值電壓不變，對(duì)其他參數(shù)進(jìn)行等比例縮小.CV律一般只適用于溝道長(zhǎng)以度大于1m的器件，它不適用于溝道長(zhǎng)度較短的器件.三，微電子技術(shù)發(fā)展的一些趨勢(shì)1.21世紀(jì)仍將以硅基CMOS電路為主流微電子技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)是不斷提高集成系統(tǒng)的性能及性能價(jià)格比，因此便要求提高芯片的集成度，這是不斷縮小半導(dǎo)體器件特征尺寸的動(dòng)力源泉.以MOS技術(shù)為例,溝道長(zhǎng)度縮小可以提高集成電路的速度；同時(shí)縮小溝道長(zhǎng)度和寬度還減小了器件尺寸，提高了集成度，從而在同樣大小的芯片上可以集成更多數(shù)目的晶體管，甚至可以將結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，性能更加完善的電子系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上.隨著集成度的提高，系統(tǒng)的速度和可靠性也大大提高，價(jià)格大幅度下降.21世紀(jì)，至少是21世紀(jì)上半葉微電子技術(shù)仍將以硅技術(shù)為主流.盡管微電子學(xué)在化合物和其他新材料方面的研究取得了很大進(jìn)展，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不具備替代硅基工藝的條件.而根據(jù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)?7?展規(guī)律，一種新技術(shù)從誕生到成為主流技術(shù)一般需要20一年的時(shí)間.另外，全世界數(shù)以萬(wàn)億美元計(jì)30的設(shè)備和技術(shù)投入，已使硅基工藝形成了非常強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)能力.很多著名的微電子學(xué)家預(yù)測(cè)，微電子產(chǎn)業(yè)將于2030年左右步入汽車工業(yè)，航空工業(yè)這樣的比較成熟的朝陽(yáng)工業(yè)領(lǐng)域.即使微電子產(chǎn)業(yè)步入像汽車，航空等成熟工業(yè)領(lǐng)域，它仍將保持快速發(fā)展趨勢(shì)，就像汽車航空工業(yè)已發(fā)展了近100年仍極具發(fā)展?jié)摿σ粯?，毫無(wú)疑問，以硅為基礎(chǔ)的微電子產(chǎn)業(yè)至少在未來(lái)幾十年中仍會(huì)保持目前的高速發(fā)展趨勢(shì).2.集成系統(tǒng)是21世紀(jì)微電子技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)集成系統(tǒng)（IS）是從整個(gè)系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機(jī)制，模型算法，芯片結(jié)構(gòu)，各層次電路直至器件的設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來(lái)，在單個(gè)（或少數(shù)幾個(gè)）芯片上完成整個(gè)系統(tǒng)的功能，集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須是從系統(tǒng)行為級(jí)開始的自頂向下的設(shè)計(jì).很多研究表明，與集成電路（IC）組成的系統(tǒng)相比，由于IS設(shè)計(jì)能夠綜合并全盤考慮整個(gè)系統(tǒng)的各種情況，可以在同樣的工藝技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)更高性能的技術(shù)指標(biāo).例如若p采用IS方法和0135m工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)芯片,在相同的系統(tǒng)復(fù)雜度和處理速率下，能夠相當(dāng)于采用pp0125m甚至0118m工藝制做的IC所實(shí)現(xiàn)的同樣系統(tǒng)的性能；還有，與采用常規(guī)IC方法設(shè)計(jì)的芯片相比，采用IS設(shè)計(jì)方法完成同樣功能所需要的晶體管數(shù)目可以降低1一個(gè)數(shù)量級(jí).集成系統(tǒng)依靠的2是非常寬闊的廣譜背景，一個(gè)人或幾個(gè)人包打天下的可能性已經(jīng)很小.系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)更多地體現(xiàn)包括功能，行為，算法，構(gòu)架甚至思路，構(gòu)想等系統(tǒng)背景.微電子技術(shù)從IC向IS轉(zhuǎn)變不僅是一種概念上的突破，同時(shí)也是信息技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，它必將導(dǎo)致又一次以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)革命.21世紀(jì)將是IS技術(shù)真正快速發(fā)展的時(shí)期.3.微電子與其他學(xué)科結(jié)合誕生新的技術(shù)增長(zhǎng)點(diǎn)微電子技術(shù)的強(qiáng)大生命力在于它可以低成本，大批量地生產(chǎn)出具有高可靠性和高精度的微電子結(jié)構(gòu)模塊.這種技術(shù)與其他學(xué)科相結(jié)合，會(huì)誕生出一系列嶄新的學(xué)科和重大的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn).微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）是微電子技術(shù)的拓寬和延伸，它將微電子技術(shù)和精密機(jī)械加工技術(shù)相互融合，實(shí)現(xiàn)了微電子與機(jī)械融為一體的系統(tǒng).MEMS開辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè).它們不僅可以降低機(jī)電系統(tǒng)的-8-成本，而且還可以完成許多大尺寸機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù).正是由于MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小，重量輕，功耗低，成本低，可靠性高，性能優(yōu)異及功能強(qiáng)大等傳統(tǒng)傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，MEMS在航空，航天，汽車，生物醫(yī)學(xué)，環(huán)境監(jiān)控，軍事以及幾乎人們接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景.微電子與生物技術(shù)緊密結(jié)合的以DNA芯片等為代表的生物工程芯片將是21世紀(jì)微電子領(lǐng)域的另一個(gè)熱點(diǎn)和新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn).它是以生物科學(xué)為基礎(chǔ)，利用生物體，生物組織或細(xì)胞等的特點(diǎn)和功能，設(shè)計(jì)構(gòu)建具有預(yù)期性狀的新物種或新品系，并與工程技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行加工生產(chǎn)，它是生命科學(xué)與技術(shù)科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，具有附加值高，資源占用少等一系列特點(diǎn)，正日益受到廣泛關(guān)注.目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片，利用這種芯片可以在極短的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)或發(fā)現(xiàn)遺傳基