大學(xué)生淺談對(duì)微電子認(rèn)識(shí)

1、摘要：本文主要闡述了對(duì)微電子專業(yè)的基本認(rèn)識(shí)，包括其歷史、規(guī)律及未來發(fā)展趨勢前景，讓人對(duì)微電子這樣一個(gè)看似復(fù)雜的學(xué)科有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)和定義，肯定微電子技術(shù)在未來生產(chǎn)生活中占有極重要的地位，在我國更是具有不可估量的發(fā)展?jié)摿?，接著引出組成微電子結(jié)構(gòu)的相關(guān)學(xué)術(shù)概念，并對(duì)其做了一個(gè)具體專業(yè)化的介紹，引人深入,令人對(duì)微電子有了一個(gè)系統(tǒng)詳細(xì)的認(rèn)識(shí)，如集成電路的分類、集成電路設(shè)計(jì)的CAD系統(tǒng)、器件（二極管，mosfet）的定義、分類、應(yīng)用及存在的缺陷、Mems簡介等，更是結(jié)合相關(guān)的視頻對(duì)微電子工藝做了一些介紹。最后通過自己的了解，總結(jié)，談了對(duì)微電子的認(rèn)識(shí)。關(guān)鍵詞：微電子，集成電路，器件，半導(dǎo)體.正文：一、什么

2、是微電子及其發(fā)展歷史，規(guī)律，趨勢 微電子學(xué)，即微型電子學(xué)，是隨著集成電路，尤其是超大型規(guī)模集成電路而發(fā)展起來的一門新的技術(shù)。微電子技術(shù)包括系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、器件物理、工藝技術(shù)、材料制備、自動(dòng)測試以及封裝、組裝等一系列專門的技術(shù)，微電子技術(shù)是微電子學(xué)中的各項(xiàng)工藝技術(shù)的總和。微電子技術(shù)是在電子電路和系統(tǒng)的超小型化和微型化過程中逐漸形成和發(fā)展起來的。六十年代的集成電路設(shè)計(jì)為微米級(jí)工藝，基于晶體管級(jí)互連，主流CAD為圖形編輯。八十年代的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)為PCB集成、與工藝無關(guān)，集成電路芯片為亞微米級(jí)工藝，依賴工藝，基于標(biāo)準(zhǔn)單元互連，主流CAD為門陣列。到世紀(jì)之交的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用深亞微米、超深亞微米級(jí)工藝，IP

3、復(fù)用，主流CAD為硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。由此，集成電路走向系統(tǒng)芯片，而21世紀(jì)的微電子將是SOC的時(shí)代!微電子學(xué)從提出至今，飛速發(fā)展，基于市場競爭，不斷提高產(chǎn)品的性能價(jià)格比是微電子技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力。在新技術(shù)的推動(dòng)下，集成電路自發(fā)明以來四十年，由1965年Intel公司的創(chuàng)始人之一Gordon E. Moore預(yù)言，集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)律可總結(jié)為兩點(diǎn)，即集成電路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸縮小倍，這就是摩爾定律。為了實(shí)現(xiàn)集成電路更加微小化的目標(biāo)，1974年，Dennard提出等比例縮小定律，基本指導(dǎo)思想是：保持MOS器件內(nèi)部電場不變：恒定電場規(guī)律，簡稱CE律，即等比例縮小器件的縱向、橫向尺寸

4、，以增加跨導(dǎo)和減少負(fù)載電容，提高集成電路的性能,同時(shí)電源電壓也要縮小相同的倍數(shù)，當(dāng)然也存在了一些問題，如閾值電壓不可能縮的太小，源漏耗盡區(qū)寬度不可能按比例縮小，電源電壓標(biāo)準(zhǔn)的改變會(huì)帶來很大的不便等，但此方法卻極大地影響激勵(lì)了后人對(duì)集成電路微小化的研究探索，更由此演變的恒定電壓等比例縮小規(guī)律(簡稱CV律)，準(zhǔn)恒定電場等比例縮小規(guī)則，縮寫為QCE律，分別從不同方向彌補(bǔ)了條件的不足。而用此方法生產(chǎn)的產(chǎn)品，不僅簡化了加工步驟，減少了材料的損耗，小巧卻性能優(yōu)良的產(chǎn)品也極大地方便了人們的生活，當(dāng)然也對(duì)科學(xué)技術(shù)的要求越來越高。 而在我國，集成電路技術(shù)是近50年來發(fā)展最快的技術(shù)，自1956年5所學(xué)校在北大聯(lián)合

5、創(chuàng)建半導(dǎo)體專業(yè)，到1977年在北京大學(xué)誕生第一塊大規(guī)模集成電路，1982年，成立電子計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路領(lǐng)導(dǎo)小組，80年代：初步形成三業(yè)分離的狀態(tài)。30多年來，集成電路市場的成長迅速，基本上是一條指數(shù)發(fā)展規(guī)律，所以，未來十年將是我國微電子產(chǎn)業(yè)的黃金時(shí)期！ 由此觀之，硅微電子技術(shù)的未來主要會(huì)朝三個(gè)方向發(fā)展，一、特征尺寸繼續(xù)等比例縮小，二、集成電路將發(fā)展成為系統(tǒng)芯片(SOC)三、微電子技術(shù)與其它領(lǐng)域相結(jié)合將產(chǎn)生新的產(chǎn)業(yè)和新的學(xué)科，例如MEMS、DNA芯片等。其中微電子器件的特征尺寸若要繼續(xù)縮小，有三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)層次，即微細(xì)加工、互連技術(shù)、具備新型器件結(jié)構(gòu)和新型材料體系。且柵介質(zhì)的限制的問題也有待解

6、決，而SOI技術(shù)具有相當(dāng)大的發(fā)展研究前景，同時(shí)存在的很多問題如SOI材料價(jià)格高，襯底浮置，表層硅膜質(zhì)量及其界面質(zhì)量等等，這些都是我們今后探索的方向！2、 集成電路的分類 集成電路的分類有以下五種方式，器件結(jié)構(gòu)類型、集成電路規(guī)模、使用的基片材料、電路形式、應(yīng)用領(lǐng)域。 按器件結(jié)構(gòu)類型分類主要分為雙極集成電路（主要由雙極晶體管構(gòu)成，優(yōu)點(diǎn)是速度高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是功耗較大、集成度較低）、金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)集成電路（主要由MOS晶體管構(gòu)成，功耗低、集成度高，隨著特征尺寸的縮小，速度也可以很高）、雙極-MOS集成電路（同時(shí)包括雙極和MOS晶體管的集成電路為BiMOS集成電路，綜合了雙極和MO

7、S器件兩者的優(yōu)點(diǎn)，但制作工藝復(fù)雜）。按集成電路規(guī)模分類分為小規(guī)模集成電路、中規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路、特大規(guī)模集成電路、巨大規(guī)模集成電路。其中，集成度是指每塊集成電路芯片中包含的元器件數(shù)目。按結(jié)構(gòu)形式的分類單片集成電路和混合集成電路。單片集成電路是指電路中所有的元器件都制作在同一塊半導(dǎo)體基片上的集成電路，在半導(dǎo)體集成電路中最常用的半導(dǎo)體材料是硅，除此之外還有GaAs等混合集成電路。而混合集成電路又分厚膜集成電路和薄膜集成電路。按電路功能分類又分為數(shù)字集成電路和模擬集成電路。其中數(shù)字集成電路基本單元：開關(guān)管、反相器、組合邏輯門，模擬集成電路基本單元：放大器、電流源、電流鏡、

8、轉(zhuǎn)換器等。在此基礎(chǔ)上，衍生出雙極集成電路，分為雙極數(shù)字集成電路，雙極模擬集成電路。同樣MOS集成電路也分為數(shù)字集成電路、模擬集成電路。從分類我們可以看出，影響集成電路性能的因素有：有源器件無源器件、隔離區(qū)、互連線、鈍化保護(hù)層和寄生效應(yīng)包括電容、有源器件、電阻、電感。而未來集成電路的發(fā)展趨勢也必會(huì)朝減小特征尺寸、提高集成度、Cu互連、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、SOC等方向發(fā)展。3、 集成電路設(shè)計(jì)的CAD系統(tǒng)ICCAD系統(tǒng)的發(fā)展，有三代，第一代：60年代末：版圖編輯和檢查，第二代：80年代初：原理圖輸入、邏輯模擬向下，第三代：從RTL級(jí)輸入向下，包括行為仿真、行為綜合、邏輯綜合等。流行的CAD系統(tǒng)有：Cade

9、nce, Mentor Graphics, Viewlogic, Compass，Panda等ICCAD系統(tǒng)的理想作用：實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出各種各樣的電路ICCAD系統(tǒng)的實(shí)際作用如設(shè)計(jì)信息輸入有以下幾步，首先語言輸入編輯工具，接著高層次描述的圖形輸入工具包括VHDL功能圖輸入、邏輯圖/電路圖輸入編輯、版圖輸入編輯，再通過綜合器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，再設(shè)計(jì)驗(yàn)證包括驗(yàn)證系統(tǒng)/電路符合功能/性能要求及設(shè)計(jì)規(guī)則要求，然后是模擬器進(jìn)行模擬（仿真）分析，最后設(shè)計(jì)規(guī)則的檢查。對(duì)于設(shè)計(jì)輸入抽象出模型，施加外部激勵(lì)，觀察輸入，進(jìn)行判斷，整個(gè)設(shè)計(jì)過程就是把高層次的抽象描述逐級(jí)向下進(jìn)行綜合、驗(yàn)證、實(shí)現(xiàn)，直到物理級(jí)的低層

10、次描述，即掩膜版圖。各設(shè)計(jì)階段相互聯(lián)系，例如，寄存器傳輸級(jí)描述是邏輯綜合的輸入，邏輯綜合的輸出又可以是邏輯模擬和自動(dòng)版圖設(shè)計(jì)的輸入，版圖設(shè)計(jì)的結(jié)果則是版圖驗(yàn)證的輸入。ICCAD系統(tǒng)介入了包括系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)、邏輯和電路設(shè)計(jì)以及版圖設(shè)計(jì)等在內(nèi)的集成電路設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)主要內(nèi)容有系統(tǒng)描述及模擬，綜合，邏輯模擬，電路模擬，時(shí)序分析，版圖設(shè)計(jì)的CAD工具,計(jì)算機(jī)輔助測試技術(shù),系統(tǒng)描述與模擬如VHDL語言及模擬，器件模擬和工藝模擬。VHDL語言出現(xiàn)背景，即一種硬件描述語言，廣義地說，描述電子實(shí)體的語言：邏輯圖，電路圖，但若大規(guī)模電路的出現(xiàn)，即邏輯圖、布爾方程不太適用，需要在更高層次上描述系，若出現(xiàn)多種HDL語

11、言，為便于信息交換和維護(hù)，出現(xiàn)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。通常指高層設(shè)計(jì)階段描述硬件HDL語言的特點(diǎn)如抽象地進(jìn)行行為描述、 結(jié)構(gòu)化語言（可以描述電子實(shí)體的結(jié)構(gòu)）、多層次混合描述、既可被模擬，又可被綜合。VHDL語言即指描述硬件電路，可以抽象地表示電路的行為和結(jié)構(gòu)（完成什么功能，怎樣組成），作用是對(duì)IC設(shè)計(jì)，支持從系統(tǒng)級(jí)到門和器件級(jí)的電路描述，并具有在不同設(shè)計(jì)層次上的模擬驗(yàn)證機(jī)制，還可作為綜合軟件的輸入語言，支持電路描述由高層向低層的轉(zhuǎn)換。四、 器件（二極管，mosfet）的定義，分類及應(yīng)用 微電子幾種重要的器件主要有薄膜晶體管TFT、光電器件、器件。 薄膜晶體管通常是指利用半導(dǎo)體薄膜材料制成的絕緣柵場效應(yīng)晶體管

12、，又分為非晶硅薄膜晶體管、晶硅薄膜晶體管、化硅薄膜晶體管。其結(jié)構(gòu)有兩種：立體型和平面結(jié)構(gòu)型。如圖。 TFT的應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣，大面積平板顯示有源矩陣液晶顯示、電可擦除只讀存儲(chǔ)器(ROM)、靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器、線陣或面陣型圖像傳感器驅(qū)動(dòng)電路等，特別是液晶顯示器，驅(qū)動(dòng)電壓和功耗低、體積小、重量輕、無X射線輻射、在每個(gè)像素上配置一個(gè)開關(guān)器件，形成有源矩陣液晶顯示，消除了像素間的交叉串?dāng)_等一系列優(yōu)點(diǎn)。光電子器件是指光子擔(dān)任主要角色的電子器件，如發(fā)光器件（將電能轉(zhuǎn)換為光能）、發(fā)光二極管、半的導(dǎo)體激光器、太陽能電池（將光能轉(zhuǎn)換為電能）、光電探測器（利用電子學(xué)方法檢測光信號(hào)）。 發(fā)光器件中如發(fā)光二極管是靠注入載

13、流子自發(fā)復(fù)合而引非相干光起的自發(fā)輻射，而半導(dǎo)體激光器則是在外界誘發(fā)的作用下促使注入載流子復(fù)合而引起的受激輻射，其相干光，具有單色性好、方向性強(qiáng)、亮度高等特點(diǎn)。但是半導(dǎo)體發(fā)射激光，若要實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射，必須滿足下面三個(gè)條件：首先是通過施加偏壓等方法將電子從能量較低的價(jià)帶激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶，產(chǎn)生足夠多的電子空穴對(duì)，導(dǎo)致粒子數(shù)分布發(fā)生反轉(zhuǎn)，其次形成光諧振腔，使受激輻射光子增生，產(chǎn)生受激振蕩，導(dǎo)致產(chǎn)生的激光沿諧振腔方向發(fā)射，最后滿足一定的閾值條件，使電子增益大于電子損耗，即激光器的電流密度必須大于產(chǎn)生受激發(fā)射的電流密度閾值。太陽能電池吸收光輻射而產(chǎn)生電動(dòng)勢，它是半導(dǎo)體太陽能電池實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)。產(chǎn)

14、生光生伏特效應(yīng)的兩個(gè)基本條件：一是半導(dǎo)體材料對(duì)一定波長的入射光有足夠大的光吸收系數(shù)，即要求入射光子的能量hn大于或等于半導(dǎo)體的禁帶寬度，二是具有光生伏特結(jié)構(gòu)，即有一個(gè)內(nèi)建電場所對(duì)應(yīng)的勢壘區(qū)，而影響太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的主要因素有：表面太陽光的反射、pn結(jié)漏電流和寄生串聯(lián)電阻等。光電探測器光電探測是指對(duì)各種光輻射進(jìn)行接收和探測的器件，如熱探測器和光子探測器。熱探測器指利用探測元吸收入射光(通常是紅外光)產(chǎn)生熱量，引起溫度上升，然后再借助各種物理效應(yīng)把溫度的變化轉(zhuǎn)變成電學(xué)參量熱探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的過程，即探測器吸收光輻射引起溫度上升，再利用探測器的某些溫度效應(yīng)把溫升轉(zhuǎn)換成電學(xué)參量。光子探測器則指利用

15、入射光子與半導(dǎo)體中處于束縛態(tài)的電子(或空穴)相互作用，將它們激發(fā)為自由態(tài)，引起半導(dǎo)體的電阻降低或者產(chǎn)生電動(dòng)勢，光子探測器的三個(gè)基本過程：首先光子入射到半導(dǎo)體中并產(chǎn)生載流子，其次載流子在半導(dǎo)體中輸運(yùn)并被某種電流增益機(jī)構(gòu)倍增，最后產(chǎn)生的電流與外電路相互作用，形成輸出信號(hào)，從而完成對(duì)光子的探測。光敏電阻通常由一塊狀或薄膜狀半導(dǎo)體及其兩邊的歐姆接觸構(gòu)成。如光電二極管，實(shí)際上就是一個(gè)工作在反向偏置條件下的pn結(jié)，p-i-n光電二極管是最常用的光電探測器件。同樣還有雪崩光電二極管：雪崩光電二極管是借助強(qiáng)電場作用產(chǎn)生載流子倍增效應(yīng)(即雪崩倍增效應(yīng))的一種高速光電器件。最后一種CCD器件，即電荷耦合器件(70

16、年代初由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功的一種新型半導(dǎo)體器件。CCD器件不同于其他器件的突出特點(diǎn)：以電荷作為信號(hào)，即信息用電荷量(稱為電荷包)代CCD器件的應(yīng)用，廣泛用于影像傳感、數(shù)字存儲(chǔ)和信息處理等三個(gè)領(lǐng)域，其中最重要的應(yīng)用是作為固態(tài)攝像器件，其次是作為存儲(chǔ)器件表，而其他器件則都是以電壓或電流作為信號(hào)的。五、 工藝集成電路的四項(xiàng)基礎(chǔ)工藝有四種：薄膜制備 ，光刻 ，摻雜 ，熱處理 。它們廣泛應(yīng)用于手機(jī)，照相機(jī)，電視機(jī)，個(gè)人電腦的制作和生產(chǎn)。所有的這些都是由大量的內(nèi)部結(jié)構(gòu)操作完成。如在電子封裝技術(shù)中，離子注入過程是一套按照能量等級(jí)或者電流范圍分類的復(fù)雜的系統(tǒng)。能量越

17、高，硅襯底越厚。為了制造更厚的場效應(yīng)管N型區(qū)，離子注入時(shí)能量就需很高，所有的離子注入機(jī)，在它們發(fā)射離子束的部分都有寄出的子系統(tǒng)，再磁和電場作用下，離子移動(dòng)，在真空環(huán)境下，在經(jīng)過一系列的物理，化學(xué)篩選，得到我們所需要的離子，嵌入硅片，從而得到我們所需要的產(chǎn)品，此過程十分繁復(fù)和復(fù)雜，技術(shù)十分高端化，但卻是微電子學(xué)習(xí)的核心。六、mems簡介 MEMS是微機(jī)電系統(tǒng)或微系統(tǒng)英文的縮寫，它所包含的器件尺寸在1微米到1毫米之間，這些MEMS器件通過封裝或一次集成形成一個(gè)微系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包含微型傳感器、執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路三部分，尺寸介于毫米與厘米之間，我們可以通過MEMS系統(tǒng)微型化、集成化來探索具有新原

18、理、新功能的元件和系統(tǒng)。 它融合了硅微加工、LIGA和精密機(jī)械加工等多種微加工技術(shù)，并應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)構(gòu)成的微型系統(tǒng)。它在微電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但又區(qū)別于微電子技術(shù)，包括感知外界信息(力、熱、光、生、磁、化等)的傳感器和控制對(duì)象的執(zhí)行器，以及進(jìn)行信號(hào)處理和控制的電路。 其特點(diǎn)是多種學(xué)科前沿技術(shù)高度綜合、交叉和滲透，又為多種學(xué)科的發(fā)展服務(wù)，是國際公認(rèn)的二十一世紀(jì)科技發(fā)展的前沿和基礎(chǔ)。它的主要特點(diǎn)是：學(xué)科上的交叉綜合：MEMS涉及力學(xué)、材料、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械、生物、化學(xué)等學(xué)科，是這些學(xué)科前沿的綜合。技術(shù)上的微型化、集成化、智能化。 n近年來，國際上MEM

19、S專利申請更是呈指數(shù)上升趨勢，預(yù)計(jì)在未來幾年，MEMS將進(jìn)入產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展階段。權(quán)威的SPC（System Planning Corporation）預(yù)測，MEMS市場將以20%30%的增長率超常發(fā)展，到2003年將超過400億美元。信息技術(shù)高速發(fā)展所帶來的啟示作用和MEMS技術(shù)的巨大市場前景，吸引了各國政府和國際著名大公司以及風(fēng)險(xiǎn)投資家紛紛進(jìn)入MEMS領(lǐng)域，這也預(yù)示著MEMS高速發(fā)展時(shí)期即將來臨。  經(jīng)過多年的發(fā)展， MEMS研究已經(jīng)取得了長足發(fā)展，部分器件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，如微型加速度計(jì)、微型壓力傳感器、數(shù)字微鏡器件（DMD）、噴墨打印機(jī)的微噴嘴、生物

20、芯片等不下于數(shù)十種，并且應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，并且在軍工行業(yè)中也發(fā)揮著越來越重要的作用。六、 我對(duì)微電子的認(rèn)識(shí) 當(dāng)初填報(bào)專業(yè)時(shí)，通過自己對(duì)微電子專業(yè)的查詢及理解，只知道它是一門高深、難懂、難學(xué)與芯片有關(guān)的一個(gè)專業(yè)，學(xué)藝必須要精，不然就業(yè)會(huì)非常難，但一旦學(xué)好了，則是好處多多，目前我們國家正處于社會(huì)主義初級(jí)階段，正在向社會(huì)主義中級(jí)階段奮進(jìn)，而電子信息行業(yè)，恰恰決定了一個(gè)國家的發(fā)展水平，因?yàn)樗采w了航天，軍事，工業(yè)，生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，而微電子，又是電子行業(yè)的翹楚，其發(fā)展，在未來潛力是不可限量的！ 而通過一年專業(yè)系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)，我更是深深的為它著迷，雖然，學(xué)習(xí)過程中，還有很多疑難問題沒有解決，學(xué)習(xí)成績也不是很如人意，可是我對(duì)微電子專業(yè)有了更深地理解。 “ 微電子學(xué)，即微型電子學(xué)，是隨著集成電路，尤其是超大型規(guī)模集成電路