微電子技術發展與應用

李纮　李凱　孔令慧

摘要：微電子技術是建立在以集成電路為核心的各種半導體器件基礎上的高新電子技術，特點是體積小、重量輕、可靠性高、工作速度快，微電子技術對信息時代具有巨大的影響。

關鍵詞：微電子；發展；應用

一、 微電子技術的地位

微電子技術是在傳統的電子技術基礎上發展起來的。它是在微小的范疇內的一種先進技術，其特征是“四微”：它對信號的加工處理是在一種固體內的微觀電子運動中實現的；它的工作范圍是固體的甚至晶格級微區；對信號的傳遞交換只在極微小的尺度內進行；它的容積很大，可以把一個電子功能部件，甚至一個子系統集成在一個微型芯片上。總之，微電子技術是指在幾乎肉眼看不見的范圍內進行工作的一種獨特而神奇的特種技術。微電子技術影響著一個國家的綜合國力以及人們的工作方式、生活方式和思維方式，被看作是新技術革命的核心技術。可以毫不夸張地說，沒有微電子就沒有今天的信息產業，就不可能有計算機、現代通信、網絡等產業的發展，就沒有今天的信息社會。因此，許多國家都把微電子技術作為重要的戰略技術加以高度重視，并投入大量的人力、財力和物力進行研究和開發。

二、 微電子技術的應用

微電子技術的發展，特別是大規模和超大規模集成電路的出現，引起了計算機技術的革命性變革，促進了計算機在各行各業的應用，推動了新技術革命的迅猛發展，引起了人類社會的深刻變化；微電子技術的發展，使集成電路可以低成本、高效率大批量生產。由于集成電路所具有的體積小、重要輕、可靠性高、能耗省等獨特優點，它已廣泛應用于國防、文化、教育、衛生、交通運輸、郵電通信、經濟管理和各種消費類電子產品中。從通信衛星、軍事雷達信息高速公路，到程控電話、手機、GPS，從氣象預報、遙感、遙測，到有線電視、MP4、DVD，從醫療衛生、能源、交通，到環境工程、自動化生產、日常生活，各個領域無不滲透著微電子技術。它已經成為一種既代表國家現代化水平又與人民生活息息相關的技術。現代的廣播電視系統是微電子技術大有用武之地的領域之一。集成電路代替了彩色電視機中大部分分立元件組成的功能電路，使電視機電路簡潔、性能穩定、維修方便、價格低廉。采用微電子技術的數字調諧技術，使電視機可以對多達上百個頻道任選，而且大大提高了聲音、圖像的保真度。

目前，它對電子產品的滲透率接近100%，成為現代信息社會的細胞；微電子技術已經成為發展科學技術、促進經濟發展、推動信息化社會進程、加強軍事實力、提高醫療水平的關鍵性基礎技術。微電子技術的發展水平和發展規模已經成為衡量國家經濟實力和技術進步的重要尺度，是一個國家綜合國力的具體表現。

微電子技術對電子產品的消費者市場也產生了深遠的影響。價廉、可靠、體積小、重量輕的微電子產品層出不窮。電子技術產品和微處理器不再是專門的科學儀器世界的貴族，而落戶于各式各樣的普及型產品之中，進入普通百姓家。例如電子玩具、游戲機、學習機以及其他家用電器產品等。就連汽車這種傳統的機械產品也滲透進了微電子技術，采用微電子技術的電子引擎監控系統、汽車安全防盜系統、出租車的計價器等已得到廣泛的應用，現代汽車上有時甚至要有十幾到幾十個微處理器。

三、 微電子技術的發展

當代微電子技術正在向著高集成度、高速、低功耗、低成本的方向發展。它的進步主要借助于以下幾個方面：

1. 制造工藝的改進。在制造工藝方面由最初的單層平面分布發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體器件。這種器件的速度比硅半導體器件快10～100倍。使用敏感集成電路（在一塊芯片上同時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。系統的集成方法將從二維結構向三維立體結構發展，這樣會實現集成度的新突破，為集成電路的發展拓出一條新的可行之路。

2. 材料的更新。科學家正廣泛地探索以新材料取代硅晶體的可行途徑。隨著微電子技術的高速發展，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體材料和超導材料、金剛石材料制造集成電路，可以提高集成電路的開關速度、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，德國埃森大學和漢諾威大學宣布聯合研制成功在硅板上生長鍺半導體，由此制成的集成電路其開關速度將大大快于硅集成電路。同時，采用在有機物原子的化學鏈中儲存信息的技術所研制的“生物芯片”也取得了一些進展。

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基礎，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。目前已經達到12英寸。預計今后幾年芯片的容量將達到令人震驚的程度，即一個芯片上可包含10億個元件，其電路僅有幾個原子那么薄。這必然會帶來芯片功能密度和性能價格比的大幅度提高。

4. 納米電子技術。電子計算機已歷經了幾代的更迭，而代代更迭都是以存儲或處理信息的基本電子學單元的尺度變化為標志的。從80年代開始，科學家開始探索特征尺寸為納米量級的電子學，納米電子學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。這些技術都有可能在納米量級進行加工，目前已形成納米量級的信息存儲器，存儲狀態已維持一個月以上，希圖用此技術去制作16GB的存儲器。德國的福克斯博士等制出了原子開關，達到了比現今芯片高100萬倍的存儲容量，獲得了莫里斯獎。量子力學告訴我們，電子與光同時都具有粒子波的特性，今天的微電子學和光電子器件將縮到0.1線寬，電子的波動性質再也不能忽視，把電子視為一種純粹粒子的半導體理論基礎已經動搖。這時電子所表現出來的波動特征和擁有的量子功能就是納米電子學的任務。從微電子技術到納米電子器件是電子器件發展的第二次變革，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容。在這次變革中，傳統理論將不再適用，需要發展新的理論，并探索出相應的材料和技術。在納米電子技術中，將大量用到量子物理的相關內容。

參考文獻：

[1]張星.微電子技術與應用[M].華中科技大學出版社，2014，（02）.

[2]余建華.微電子技術[J].中國教育信息化，2015，（04）.

作者簡介：

李纮，李凱，孔令慧，湖北省武漢市，湖北省武漢軍械士官學校。