集成电路微电子技术

第二节　微电子技术

不管时代的潮流和社会的风尚怎样，人总可以凭着高贵的品质，超脱时代和社会，走自己正确的道路。

——爱因斯坦（美国）

微电子技术是现代信息技术的基础。微电子技术是微小型电子元器件与电路的研制、生产及用它们实现电子系统功能的技术领域。这个领域最重要的就是集成电路技术。微电子技术是随着集成电路技术发展而发展起来的一门新兴技术。

（一）从电子管到三极管到集成电路

8-1　晶体管的发明

图8-2　肖克莱

图8-3　晶体三极管

1947年，肖克莱（W.B.Shockley，1910～1991年）、巴丁（J.Bardeen，1908～1991年）、布莱顿（Brattain，1902～1987年）分别做出了世界上的第一个晶体三极管，由于其功耗低、体积小，很快被应用到电子技术领域并逐步取代了电子管，为电子设备的小型化打下了基础，这是微电子技术的开始。

图8-4　超大规模集成电路

50年代初，由于空间科学技术的需要，促使了集成电路的发展。1958年，美国得克萨斯仪器公司首先生产出了实用的集成电路，1961年开始批量生产，这是微电子技术的重大突破，打破了器件和电路分离的状态，减少了许多电路测试的麻烦，微电子技术由此开始突飞猛进，进而带动了世界发生巨大的变化。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（这个芯片的尺寸比小拇指的指甲还小）能做出多少个晶体管。也有的用在一定尺寸的芯片上能做出多少个门电路（一个标准的门电路是由一个或几个晶体管组成的）来衡量集成度。按照集成度的不同，集成电路可分为四类：小规模集成电路（100个以下）；中规模集成电路（100～1000）；大规模集成电路（1000～10000）；超大规模集成电路（100000以上）。

（二）集成电路的应用

（1）促进计算机的迅速革新

集成电路广泛应用于电子计算机中，促进了计算机的发展，使计算机成为信息科技的核心，反过来，计算机的发展又促使了集成电路的发展，增强了其运算能力，并赋予它人工智能。

集成电路从出现到今天，仅40余年，发展的速度却是惊人的，对生产、生活的影响也是深远的。1946年出现的世界上第一台电子计算机ENIAC，占地170平方米，重达30多吨，耗电几百千瓦，其所完成的计算，今天高级一点的袖珍计算器皆可完成。这就是微电子技术和集成电路所创造的奇迹！

微电子技术的发展，集成电路的出现，首先引起了计算机技术的巨大变革。由于计算机的逻辑部件特别是计算机的心脏——中央处理器的集成化，微型计算机应运而生。并在70～80年代间得到迅速发展，特别是IBMPC个人计算机出现以后，打开了计算机普及的大门，促进了计算机在各行各业的应用。五六十年代，价格昂贵、体积庞大、耗能惊人的计算机，只能在少数大型军事或科研设施中应用，今天由于采用了大规模集成电路，计算机已经进入普通的办公室和家庭。而计算机应用领域的拓宽，反过来更促进了集成电路芯片的研制和生产。

（2）深入到日常生活，遍及各个领域

微电子技术对电子产品的消费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，使电子产品面貌一新；微电子技术产品和微处理器不再是专门用于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和交通调度系统。汽车安全防盗系统、出租车的计价器等已得到广泛应用，现代汽车上有时甚至要有十几个到几十个微处理器。

图8-5　交通调度

现代的广播电视系统更是使微电子技术大有用武之地的领域，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，使电视机电路简捷清楚，维修方便，价格低廉。由于采用微电子技术的数字调谐技术，使电视机可以对多达100个频道任选，而且大大提高了声音、图像的保真度。

总之，微电子技术已经渗透到诸如现代通信、计算机技术、医疗卫生、环境工程等领域在能源、交通、军队国防、自动化生产等各个方面，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，因此我们要大力发展微电子技术。（三）微电子的未来发展

图8-6　工业自动化

图8-7　军队国防

微电子技术发展与技术进步，主要靠工艺技术的不断改进，使得器件的特征尺寸不断缩小，从而集成度不断提高，功耗降低，器件性能得到提高。21世纪，微电子技术仍将以尺寸不断缩小的硅基（MOS）工艺技术为主流。尽管微电子在半导体和其他新材料方面的研究在某些领域的应用取得进展，但还远不具备替代硅基工艺的条件。硅集成电路技术发展至今，全世界数以万亿计的设备和科研投入已使硅基工艺形成非常强大的产业能力。同时，长期的科研投入已使人们对硅基及其衍生物的各种属性的了解达到十分深入、十分透彻的地步，成为自然界100多种元素之最，这是非常宝贵的知识。

硅基微电子技术的发展主要表现三个方面：①继续缩小器件的特征尺度（通常指器件栅电极所决定的沟通几何长度，是一条工艺线能加工的最小尺寸，也是设计中采用的最小设计单位）。目前，以In-tel为代表的公司正在开发“极端紫外”光刻技术，用氙灯将波长降至0.01微米；IBM则致力于0.005微米波长的X射线光刻技术研究工作。人们正在向微米工艺的极限挑战。②SOS（系统采用集成芯片）是发展重点。③微电子与其他学科结合诞生新技术和产业增长点，MEMS（微电子机械系统或称微机电系统）就是微电子与其他学科结合的典范。

集成电路的集成度和产品性能每18个月增加一倍。据专家预测，今后20年左右，集成电路技术及其产品仍将遵循这一规律发展。

微电子工业是一个国家的战略工业，它是技术密集型产业，又是投资密集型产业，是电子工业中的重工业。目前，以集成电路为核心的电子信息产业超过了以汽车、石油、钢铁为代表的传统工业成为第一大产业，成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。1999年全球集成电路的销售额为1250亿美元，而以集成电路为核心的电子信息产业的世界贸易总额约占世界GNP的3%，现代经济发展的数据表明，每l～2元的集成电路产值，带动了10元左右电子工业产值的形成，进而带动了100元GDP的增长。目前，发达国家国民经济总产值增长部分的65%与集成电路相关；美国国防预算中的电子含量已占据了半壁江山（2001年为43.6%）。预计未来10年内，世界集成电路销售额将以年平均15%的速度增长，2010年将达到6000～8000亿美元。作为当今世界经济竞争的焦点，拥有自主版权的集成电路已日益成为经济发展的命脉、社会进步的基础、国际竞争的筹码和国家安全的保障。因此是决定一个国家经济地位的重大技术领域，这方面的国际竞争十分激烈。

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【思考题】

1.我们为什么要大力发展微电子技术？

2.简述集成电路的应用。