微電子技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

李纮　李凱　孔令慧

摘要：微電子技術(shù)是建立在以集成電路為核心的各種半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)上的高新電子技術(shù)，特點(diǎn)是體積小、重量輕、可靠性高、工作速度快，微電子技術(shù)對(duì)信息時(shí)代具有巨大的影響。

關(guān)鍵詞：微電子；發(fā)展；應(yīng)用

一、 微電子技術(shù)的地位

微電子技術(shù)是在傳統(tǒng)的電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它是在微小的范疇內(nèi)的一種先進(jìn)技術(shù)，其特征是“四微”：它對(duì)信號(hào)的加工處理是在一種固體內(nèi)的微觀電子運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)的；它的工作范圍是固體的甚至晶格級(jí)微區(qū)；對(duì)信號(hào)的傳遞交換只在極微小的尺度內(nèi)進(jìn)行；它的容積很大，可以把一個(gè)電子功能部件，甚至一個(gè)子系統(tǒng)集成在一個(gè)微型芯片上。總之，微電子技術(shù)是指在幾乎肉眼看不見的范圍內(nèi)進(jìn)行工作的一種獨(dú)特而神奇的特種技術(shù)。微電子技術(shù)影響著一個(gè)國(guó)家的綜合國(guó)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(shù)革命的核心技術(shù)?？梢院敛豢鋸埖卣f，沒有微電子就沒有今天的信息產(chǎn)業(yè)，就不可能有計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代通信、網(wǎng)絡(luò)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，就沒有今天的信息社會(huì)。因此，許多國(guó)家都把微電子技術(shù)作為重要的戰(zhàn)略技術(shù)加以高度重視，并投入大量的人力、財(cái)力和物力進(jìn)行研究和開發(fā)。

二、 微電子技術(shù)的應(yīng)用

微電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，引起了計(jì)算機(jī)技術(shù)的革命性變革，促進(jìn)了計(jì)算機(jī)在各行各業(yè)的應(yīng)用，推動(dòng)了新技術(shù)革命的迅猛發(fā)展，引起了人類社會(huì)的深刻變化；微電子技術(shù)的發(fā)展，使集成電路可以低成本、高效率大批量生產(chǎn)。由于集成電路所具有的體積小、重要輕、可靠性高、能耗省等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，它已廣泛應(yīng)用于國(guó)防、文化、教育、衛(wèi)生、交通運(yùn)輸、郵電通信、經(jīng)濟(jì)管理和各種消費(fèi)類電子產(chǎn)品中。從通信衛(wèi)星、軍事雷達(dá)信息高速公路，到程控電話、手機(jī)、GPS，從氣象預(yù)報(bào)、遙感、遙測(cè)，到有線電視、MP4、DVD，從醫(yī)療衛(wèi)生、能源、交通，到環(huán)境工程、自動(dòng)化生產(chǎn)、日常生活，各個(gè)領(lǐng)域無不滲透著微電子技術(shù)。它已經(jīng)成為一種既代表國(guó)家現(xiàn)代化水平又與人民生活息息相關(guān)的技術(shù)。現(xiàn)代的廣播電視系統(tǒng)是微電子技術(shù)大有用武之地的領(lǐng)域之一。集成電路代替了彩色電視機(jī)中大部分分立元件組成的功能電路，使電視機(jī)電路簡(jiǎn)潔、性能穩(wěn)定、維修方便、價(jià)格低廉。采用微電子技術(shù)的數(shù)字調(diào)諧技術(shù)，使電視機(jī)可以對(duì)多達(dá)上百個(gè)頻道任選，而且大大提高了聲音、圖像的保真度。

目前，它對(duì)電子產(chǎn)品的滲透率接近100%，成為現(xiàn)代信息社會(huì)的細(xì)胞；微電子技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)展科學(xué)技術(shù)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、推動(dòng)信息化社會(huì)進(jìn)程、加強(qiáng)軍事實(shí)力、提高醫(yī)療水平的關(guān)鍵性基礎(chǔ)技術(shù)。微電子技術(shù)的發(fā)展水平和發(fā)展規(guī)模已經(jīng)成為衡量國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和技術(shù)進(jìn)步的重要尺度，是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的具體表現(xiàn)。

微電子技術(shù)對(duì)電子產(chǎn)品的消費(fèi)者市場(chǎng)也產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。價(jià)廉、可靠、體積小、重量輕的微電子產(chǎn)品層出不窮。電子技術(shù)產(chǎn)品和微處理器不再是專門的科學(xué)儀器世界的貴族，而落戶于各式各樣的普及型產(chǎn)品之中，進(jìn)入普通百姓家。例如電子玩具、游戲機(jī)、學(xué)習(xí)機(jī)以及其他家用電器產(chǎn)品等。就連汽車這種傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品也滲透進(jìn)了微電子技術(shù)，采用微電子技術(shù)的電子引擎監(jiān)控系統(tǒng)、汽車安全防盜系統(tǒng)、出租車的計(jì)價(jià)器等已得到廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)代汽車上有時(shí)甚至要有十幾到幾十個(gè)微處理器。

三、 微電子技術(shù)的發(fā)展

當(dāng)代微電子技術(shù)正在向著高集成度、高速、低功耗、低成本的方向發(fā)展。它的進(jìn)步主要借助于以下幾個(gè)方面：

1. 制造工藝的改進(jìn)。在制造工藝方面由最初的單層平面分布發(fā)展到后來的多層工藝（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。采用人工超晶格工藝（一種用人工控制晶體晶格大小制造晶體的新工藝），制造的器件叫超晶格半導(dǎo)體器件。這種器件的速度比硅半導(dǎo)體器件快10～100倍。使用敏感集成電路（在一塊芯片上同時(shí)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(tǒng)的集成方法將從二維結(jié)構(gòu)向三維立體結(jié)構(gòu)發(fā)展，這樣會(huì)實(shí)現(xiàn)集成度的新突破，為集成電路的發(fā)展拓出一條新的可行之路。

2. 材料的更新?？茖W(xué)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(shù)的高速發(fā)展，硅材料的局限性已逐步暴露出來。采用砷化鎵、磷化銦等氧化物半導(dǎo)體材料和超導(dǎo)材料、金剛石材料制造集成電路，可以提高集成電路的開關(guān)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(guó)埃森大學(xué)和漢諾威大學(xué)宣布聯(lián)合研制成功在硅板上生長(zhǎng)鍺半導(dǎo)體，由此制成的集成電路其開關(guān)速度將大大快于硅集成電路。同時(shí)，采用在有機(jī)物原子的化學(xué)鏈中儲(chǔ)存信息的技術(shù)所研制的“生物芯片”也取得了一些進(jìn)展。

3. 芯片尺寸的增大。芯片尺寸的增大可為集成度的提高提供物質(zhì)基礎(chǔ)，并且芯片尺寸越大，集成電路的平均成本越低。1998年，芯片尺寸已由原來的3～4英寸，增大到8～10英寸。目前已經(jīng)達(dá)到12英寸。預(yù)計(jì)今后幾年芯片的容量將達(dá)到令人震驚的程度，即一個(gè)芯片上可包含10億個(gè)元件，其電路僅有幾個(gè)原子那么薄。這必然會(huì)帶來芯片功能密度和性能價(jià)格比的大幅度提高。

4. 納米電子技術(shù)。電子計(jì)算機(jī)已歷經(jīng)了幾代的更迭，而代代更迭都是以存儲(chǔ)或處理信息的基本電子學(xué)單元的尺度變化為標(biāo)志的。從80年代開始，科學(xué)家開始探索特征尺寸為納米量級(jí)的電子學(xué)，納米電子學(xué)主要研究以掃描隧道顯微鏡為工具的單原子或單分子操縱技術(shù)。這些技術(shù)都有可能在納米量級(jí)進(jìn)行加工，目前已形成納米量級(jí)的信息存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)狀態(tài)已維持一個(gè)月以上，希圖用此技術(shù)去制作16GB的存儲(chǔ)器。德國(guó)的?？怂共┦康戎瞥隽嗽娱_關(guān)，達(dá)到了比現(xiàn)今芯片高100萬倍的存儲(chǔ)容量，獲得了莫里斯獎(jiǎng)。量子力學(xué)告訴我們，電子與光同時(shí)都具有粒子波的特性，今天的微電子學(xué)和光電子器件將縮到0.1線寬，電子的波動(dòng)性質(zhì)再也不能忽視，把電子視為一種純粹粒子的半導(dǎo)體理論基礎(chǔ)已經(jīng)動(dòng)搖。這時(shí)電子所表現(xiàn)出來的波動(dòng)特征和擁有的量子功能就是納米電子學(xué)的任務(wù)。從微電子技術(shù)到納米電子器件是電子器件發(fā)展的第二次變革，與從真空管到晶體管的第一次變革相比，它含有更深刻的理論意義和豐富的科技內(nèi)容。在這次變革中，傳統(tǒng)理論將不再適用，需要發(fā)展新的理論，并探索出相應(yīng)的材料和技術(shù)。在納米電子技術(shù)中，將大量用到量子物理的相關(guān)內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

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[2]余建華.微電子技術(shù)[J].中國(guó)教育信息化，2015，（04）.

作者簡(jiǎn)介：

李纮，李凱，孔令慧，湖北省武漢市，湖北省武漢軍械士官學(xué)校。