微电子技术发展与应用

李纮　李凯　孔令慧

摘要：微电子技术是建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术，特点是体积小、重量轻、可靠性高、工作速度快，微电子技术对信息时代具有巨大的影响。

关键词：微电子；发展；应用

一、 微电子技术的地位

微电子技术是在传统的电子技术基础上发展起来的。它是在微小的范畴内的一种先进技术，其特征是“四微”：它对信号的加工处理是在一种固体内的微观电子运动中实现的；它的工作范围是固体的甚至晶格级微区；对信号的传递交换只在极微小的尺度内进行；它的容积很大，可以把一个电子功能部件，甚至一个子系统集成在一个微型芯片上。总之，微电子技术是指在几乎肉眼看不见的范围内进行工作的一种独特而神奇的特种技术。微电子技术影响着一个国家的综合国力以及人们的工作方式、生活方式和思维方式，被看作是新技术革命的核心技术。可以毫不夸张地说，没有微电子就没有今天的信息产业，就不可能有计算机、现代通信、网络等产业的发展，就没有今天的信息社会。因此，许多国家都把微电子技术作为重要的战略技术加以高度重视，并投入大量的人力、财力和物力进行研究和开发。

二、 微电子技术的应用

微电子技术的发展，特别是大规模和超大规模集成电路的出现，引起了计算机技术的革命性变革，促进了计算机在各行各业的应用，推动了新技术革命的迅猛发展，引起了人类社会的深刻变化；微电子技术的发展，使集成电路可以低成本、高效率大批量生产。由于集成电路所具有的体积小、重要轻、可靠性高、能耗省等独特优点，它已广泛应用于国防、文化、教育、卫生、交通运输、邮电通信、经济管理和各种消费类电子产品中。从通信卫星、军事雷达信息高速公路，到程控电话、手机、GPS，从气象预报、遥感、遥测，到有线电视、MP4、DVD，从医疗卫生、能源、交通，到环境工程、自动化生产、日常生活，各个领域无不渗透着微电子技术。它已经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技术。现代的广播电视系统是微电子技术大有用武之地的领域之一。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，使电视机电路简洁、性能稳定、维修方便、价格低廉。采用微电子技术的数字调谐技术，使电视机可以对多达上百个频道任选，而且大大提高了声音、图像的保真度。

目前，它对电子产品的渗透率接近100%，成为现代信息社会的细胞；微电子技术已经成为发展科学技术、促进经济发展、推动信息化社会进程、加强军事实力、提高医疗水平的关键性基础技术。微电子技术的发展水平和发展规模已经成为衡量国家经济实力和技术进步的重要尺度，是一個国家综合国力的具体表现。

微电子技术对电子产品的消费者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层出不穷。电子技术产品和微处理器不再是专门的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、学习机以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、汽车安全防盗系统、出租车的计价器等已得到广泛的应用，现代汽车上有时甚至要有十几到几十个微处理器。

三、 微电子技术的发展

当代微电子技术正在向着高集成度、高速、低功耗、低成本的方向发展。它的进步主要借助于以下几个方面：

1. 制造工艺的改进。在制造工艺方面由最初的单层平面分布发展到后来的多层工艺（有多层高密度和多层多功能两种方式），以降低成本，增加功能。采用人工超晶格工艺（一种用人工控制晶体晶格大小制造晶体的新工艺），制造的器件叫超晶格半导体器件。这种器件的速度比硅半导体器件快10～100倍。使用敏感集成电路（在一块芯片上同时集成各种敏感元件及外围电路），可以缩小体积，降低成本，提高可靠性，增加功能。系统的集成方法将从二维结构向三维立体结构发展，这样会实现集成度的新突破，为集成电路的发展拓出一条新的可行之路。

2. 材料的更新。科学家正广泛地探索以新材料取代硅晶体的可行途径。随着微电子技术的高速发展，硅材料的局限性已逐步暴露出来。采用砷化镓、磷化铟等氧化物半导体材料和超导材料、金刚石材料制造集成电路，可以提高集成电路的开关速度、抗辐射能力和工作温度（金刚石集成电路可在500℃～700℃下正常工作）。2000年2月12日，德国埃森大学和汉诺威大学宣布联合研制成功在硅板上生长锗半导体，由此制成的集成电路其开关速度将大大快于硅集成电路。同时，采用在有机物原子的化学链中储存信息的技术所研制的“生物芯片”也取得了一些进展。

3. 芯片尺寸的增大。芯片尺寸的增大可为集成度的提高提供物质基础，并且芯片尺寸越大，集成电路的平均成本越低。1998年，芯片尺寸已由原来的3～4英寸，增大到8～10英寸。目前已经达到12英寸。预计今后几年芯片的容量将达到令人震惊的程度，即一个芯片上可包含10亿个元件，其电路仅有几个原子那么薄。这必然会带来芯片功能密度和性能价格比的大幅度提高。

4. 纳米电子技术。电子计算机已历经了几代的更迭，而代代更迭都是以存储或处理信息的基本电子学单元的尺度变化为标志的。从80年代开始，科学家开始探索特征尺寸为纳米量级的电子学，纳米电子学主要研究以扫描隧道显微镜为工具的单原子或单分子操纵技术。这些技术都有可能在纳米量级进行加工，目前已形成纳米量级的信息存储器，存储状态已维持一个月以上，希图用此技术去制作16GB的存储器。德国的福克斯博士等制出了原子开关，达到了比现今芯片高100万倍的存储容量，获得了莫里斯奖。量子力学告诉我们，电子与光同时都具有粒子波的特性，今天的微电子学和光电子器件将缩到0.1线宽，电子的波动性质再也不能忽视，把电子视为一种纯粹粒子的半导体理论基础已经动摇。这时电子所表现出来的波动特征和拥有的量子功能就是纳米电子学的任务。从微电子技术到纳米电子器件是电子器件发展的第二次变革，与从真空管到晶体管的第一次变革相比，它含有更深刻的理论意义和丰富的科技内容。在这次变革中，传统理论将不再适用，需要发展新的理论，并探索出相应的材料和技术。在纳米电子技术中，将大量用到量子物理的相关内容。

参考文献：

[1]张星.微电子技术与应用[M].华中科技大学出版社，2014，（02）.

[2]余建华.微电子技术[J].中国教育信息化，2015，（04）.

作者简介：

李纮，李凯，孔令慧，湖北省武汉市，湖北省武汉军械士官学校。