當(dāng)前微電子學(xué)與集成電路分析

張明文

（武夷學(xué)院，福建　武夷山　354300）

當(dāng)前微電子學(xué)與集成電路分析

張明文

（武夷學(xué)院，福建武夷山354300）

在社會(huì)不斷發(fā)展的過程中，科學(xué)技術(shù)也得到了進(jìn)一步發(fā)展，其中集成電路和微電子學(xué)的發(fā)展尤為迅速。對(duì)于集成電路來講，它的基片是半導(dǎo)體單晶片，在相應(yīng)的平面工藝下，將電阻、晶體管以及電容等一系列的元器件，通過連線在電路制作的基片上進(jìn)而形成一個(gè)微型化的系統(tǒng)或者是電路。相對(duì)集成電路來講，微電子的研究更為廣闊，它不僅要研究電子在半導(dǎo)體和集成電路中的物理現(xiàn)象，還要研究它們之間的物理規(guī)律，以便使這些物理規(guī)律以及現(xiàn)象得到更好的應(yīng)用。

微電子；集成電路；半導(dǎo)體晶片；物理規(guī)律

對(duì)于微電子學(xué)和集成電路來講，在一定程度上可以視為包含與被包含的關(guān)系，因?yàn)?，微電子學(xué)研究的對(duì)象不僅包括集成電路，還有集成超導(dǎo)器件以及集成電子器件等一系列的期間。集成電路的體積以及功耗都比較小、可靠性高而成本相對(duì)來講比較低、重量輕且速度快，同樣，也正是它的這些優(yōu)勢促使了其快速發(fā)展。就目前來看，要想衡量微電子技術(shù)是否進(jìn)步，主要從以下3個(gè)方面進(jìn)行：首先，加工線條的寬度是否得到有效縮?。黄浯?，集成規(guī)模是否得到有效擴(kuò)大；再次，是否開拓出一些有針對(duì)性的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

1　微電子技術(shù)發(fā)展的歷程、狀態(tài)以及特點(diǎn)

20世紀(jì)40年代末晶體管問世，經(jīng)過不斷發(fā)展；到50年代末以組件為基礎(chǔ)的混合元件騰空而出，首個(gè)鍺集成電路就此而誕生；60年代初發(fā)明了半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，在接下來的過程中開始大量生產(chǎn)晶體管；從70年代開始，人類進(jìn)入了MOS電路時(shí)代。在集成密集不斷提高的過程中，集成電路開始向集成系統(tǒng)方向發(fā)展。在發(fā)展的過程中，電路的設(shè)計(jì)開始越來越復(fù)雜、過程越來越復(fù)雜、費(fèi)用越來越高。如果只是單純地依靠人工而沒有計(jì)算機(jī)的輔助，根本無法完成那些大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)。

集成電路是微電子的一種，電子信息科學(xué)與技術(shù)是一門相對(duì)前沿的學(xué)科。從世界范圍上來看，微電子已經(jīng)成為美國的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，對(duì)于日本來講，則將它放在“電子立國的”重要地位。由此可見，在信息化社會(huì)快速發(fā)的今天，微電子技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前最具核心競爭力的技術(shù)。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)有將近100家，但是，具有一定設(shè)計(jì)規(guī)模的企業(yè)只有20多家，那些在國外留學(xué)并學(xué)有所成而回國創(chuàng)業(yè)的人才，都是CAD行業(yè)的重要力量。在社會(huì)不斷發(fā)展的過程中，我國的集成電路已經(jīng)具備了相應(yīng)的發(fā)展基礎(chǔ)，并具有如下特點(diǎn)：第一，在技術(shù)創(chuàng)新方面已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展；第二，在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)上開始不斷地優(yōu)化；第三，企業(yè)的規(guī)模越來越大，相應(yīng)的技術(shù)水平得到了快速提高。

2　當(dāng)今微電子技術(shù)的發(fā)展方向

2.1硅基互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）電路將會(huì)成為主流工藝

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，微電子技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)也有所提高，所以，無論是集成電路的性能，還是集成電路的性價(jià)比都得到了相應(yīng)的提高，在這樣的基礎(chǔ)上，芯片的集成度必須得到一定的提高，唯有如此，半導(dǎo)體器件特征尺寸才會(huì)不斷地縮小。以MOS技術(shù)為例進(jìn)行簡要分析，要想集成電路的速度有所提高，溝道長度必須進(jìn)行相應(yīng)縮小。通過縮小溝道的長度以及寬度可以有效地減少4件尺度，進(jìn)而科學(xué)有效地提高集成度，以便在芯片上集成數(shù)目較多的晶體管，如此一來，一個(gè)性能完善、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電子系統(tǒng)將會(huì)集成在一個(gè)芯片上。除此之外，在集成度越來越高的情況下，系統(tǒng)無論是在速度上，還是在可靠性上都得到了大幅度的提高，而價(jià)格卻下降了許多。對(duì)于芯片內(nèi)的信息來講，它的延遲遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于芯片之間信號(hào)的延遲，在縮小之后，器件自身性能沒有得到有效提高的情況下，整個(gè)集成系統(tǒng)在性能上也將會(huì)得到大幅度的提高。由此可見，21世紀(jì)初期，在整個(gè)微電子行業(yè)中尺寸逐漸縮小的硅基CMOS工藝技術(shù)將成為微電子的主流。

2.2在21世紀(jì)初期集成系統(tǒng)將成為微電子技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)內(nèi)容

在微電子發(fā)展的過程中，集成電路（Integrated Circuit，IC）都是微電子芯片的基礎(chǔ)，利用這些芯片通過印刷電路板等一系列的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的系統(tǒng)。對(duì)于信息系統(tǒng)來講，它的發(fā)展速度相對(duì)來講比較快、功耗和電壓相對(duì)來講比較低、媒體相對(duì)來講比較多，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)化以及網(wǎng)絡(luò)化，在這樣的大環(huán)境下，系統(tǒng)必須要快速、準(zhǔn)確地處理各種相對(duì)來講比較復(fù)雜的智能問題。對(duì)于傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)來講，IC芯片的速度雖然很高、耗能相對(duì)來講也比較少，但是，受到IC芯片之間存在的相應(yīng)延時(shí)、印刷電路板的質(zhì)量、印刷電路板的可靠性等一系列因素的限制，進(jìn)而使整個(gè)系統(tǒng)集成在幾個(gè)甚至是一個(gè)芯片上，由此而產(chǎn)生了系統(tǒng)芯片的集成系統(tǒng)。在社會(huì)不斷發(fā)展的過程中，集成電路技術(shù)也得到了快速的發(fā)展，甚至發(fā)展成在一個(gè)芯片上可以集成多達(dá)109的晶體管。微電子技術(shù)在發(fā)展的過程中，已經(jīng)從3G逐漸發(fā)展到3T，因此，它為集成系統(tǒng)的高速發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。對(duì)于微電子技術(shù)來講，它從IC向IS方向轉(zhuǎn)變，不僅僅是單純概念上的突破，更是信息技術(shù)發(fā)展的必然。

2.3由于微電子技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生了一系的列新技術(shù)

對(duì)于微電子技術(shù)來講，它不僅成本低而且可以進(jìn)行大批量的生產(chǎn)。對(duì)于這種技術(shù)它的優(yōu)勢是不言而喻的，所以，一旦它與其他技術(shù)相結(jié)合，便會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的新科學(xué)技術(shù)，進(jìn)而促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的增長，就目前來講，比較熟悉的有微光機(jī)電系統(tǒng)（Micro Optical Electro Mechanical System，MOEMS）技術(shù)以及脫氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid，DNA）生物芯片等。對(duì)于MOEMS技術(shù)來講，它是微電子技術(shù)與光學(xué)、機(jī)械等一系列領(lǐng)域的結(jié)合而產(chǎn)生的一種新技術(shù)；對(duì)于DNA生物芯片來講，它是與生物技術(shù)相結(jié)合而得到的一種新產(chǎn)物。在今后發(fā)展的過程中，芯片的特征尺寸還會(huì)再不斷縮小，系統(tǒng)芯片將會(huì)是微電子技術(shù)發(fā)展以及應(yīng)用的新方向，這里所說的系統(tǒng)芯片是微電子技術(shù)不斷發(fā)展的環(huán)境下逐漸向納米級(jí)方向遷移以及設(shè)計(jì)。由此可見，微電子技術(shù)的高速發(fā)展將會(huì)帶來一次具有革命性人才以及技術(shù)的變革。

3　當(dāng)前微電子技術(shù)的應(yīng)用

就目前來講，微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System，MEMS）是微電子技術(shù)應(yīng)用的主要方向。對(duì)于微機(jī)電系統(tǒng)制造而言，它主要是獲取相應(yīng)的信息、再通過相應(yīng)的處理以及執(zhí)行一體化的集成在一起，進(jìn)而形成一個(gè)真正的系統(tǒng)，在某種程度上可以看作為更為廣闊的系統(tǒng)芯片概念。MEMS技術(shù)是以納米技術(shù)或者是微米技術(shù)為基礎(chǔ)的高端技術(shù)。它可以將光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械構(gòu)件、電控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)部件來集成一個(gè)整體單元的微型系統(tǒng)。這種微機(jī)電的應(yīng)用范圍非常的廣泛，不僅僅可以處理、采集、發(fā)生信息或者是指令，還可以根據(jù)其所獲得的信息或者是指令來進(jìn)行相應(yīng)的操作。對(duì)于這種微電子技術(shù)與微加工技術(shù)相結(jié)合的制造工藝來講，制造出來的驅(qū)動(dòng)器、傳感器以及執(zhí)行器等產(chǎn)品的性能相對(duì)來講都比較好、價(jià)格相對(duì)來講都比較低、形狀相對(duì)來講都比較小，該技術(shù)對(duì)人類未來的發(fā)展將會(huì)產(chǎn)生不可估量的影響。

4　結(jié)語

在社會(huì)不斷發(fā)展的過程中，微電子技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣，例如在日常生活、軍工需求、科研方面中，都得到了廣泛地應(yīng)用，由此可見，微電子技術(shù)將成為衡量一個(gè)國家發(fā)展?fàn)顩r以及國民經(jīng)濟(jì)的重要標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于我國來講，微電子技術(shù)的發(fā)展還處于初級(jí)階段，很多產(chǎn)品還必需要從國外進(jìn)口，所以，要堅(jiān)持不懈地研究微電子技術(shù)，以便我國微電子產(chǎn)業(yè)得到更好的發(fā)展。

［1］張維佳.非平衡變換低噪聲放大器的設(shè)計(jì)［J］. 信息通信，2012（2）：63-64.

［2］周偉中.低噪聲放大器的仿真設(shè)計(jì)［J］. 科技資訊，2010（14）：30-31.

［3］劉峻，盧劍，李新，等.一種低噪聲放大器的白噪聲分析［J］. 中國集成電路，2009（8）：40-42.

［4］張紅南，黃雅攸，蔣超，等.高增益低功耗CMOS低噪聲放大器的設(shè)計(jì)［J］. 微計(jì)算機(jī)信息，2008（29）：284-285.

［5］張廣，鄭武團(tuán)，田海林.低噪聲放大器的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)法［J］. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2004（1）：87-88.

Analysis of current microelectronics and integrated circuit

Zhang Mingwen
（Wuyi University， Wuyishan 354300， China）

In the process of social development， science technology also obtained the further development，among which the integrated circuit and the development of microelectronics is particularly fast. For integrated circuit， its substrate is a single chip semiconductor，under the corresponding planar process， makes a series of components such as resistors， transistors and capacitors， through the connection in the circuit substrate to form a system or circuit miniaturization. Compare to integrated circuit， microelectronics research is more wide，it not only study the physical phenomenon of electrons in the semiconductor and integrated circuit， but also study the laws of physics between them， in order to have a better application of the laws of physics as well as the phenomenon.

microelectronics； integrated circuit； semiconductor chips； physical laws

項(xiàng)目名稱：深亞微米下高性能流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)級(jí)建模及仿真；項(xiàng)目編號(hào)：JB14100。

張明文（1986— ），男，河南南陽，碩士，助教；研究方向：集成電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用。