大学生浅谈对微电子认识

摘要：本文主要阐述了对微电子专业的基本认识，包括其历史、规律及未来发展趋势前景，让人对微电子这样一个看似复杂的学科有一个基本的认识和定义，肯定微电子技术在未来生产生活中占有极重要的地位，在我国更是具有不可估量的发展潜力，接着引出组成微电子结构的相关学术概念，并对其做了一个具体专业化的介绍，引人深入,令人对微电子有了一个系统详细的认识，如集成电路的分类、集成电路设计的CAD系统、器件（二极管，mosfet）的定义、分类、应用及存在的缺陷、Mems简介等，更是结合相关的视频对微电子工艺做了一些介绍。最后通过自己的了解，总结，谈了对微电子的认识。

关键词：微电子，集成电路，器件，半导体.......

正文：

一、什么是微电子及其发展历史，规律，趋势

微电子学，即微型电子学，是随着集成电路，尤其是超大型规模集成电路而发展起来的一门新的技术。微电子技术包括系统电路设计、器件物理、工艺技术、材料制备、自动测试以及封装、组装等一系列专门的技术，微电子技术是微电子学中的各项工艺技术的总和。

微电子技术是在电子电路和系统的超小型化和微型化过程中逐渐形成和发展起来的。六十年代的集成电路设计为微米级工艺，基于晶体管级互连，主流CAD为图形编辑。八十年代的电子系统设计为PCB集成、与工艺无关，集成电路芯片为亚微米级工艺，依赖工艺，基于标准单元互连，主流CAD为门阵列。到世纪之交的系统设计，采用深亚微米、超深亚微米级工艺，IP复用，主流CAD 为硬件协同设计。由此，集成电路走向系统芯片，而21世纪的微电子将是SOC 的时代!

微电子学从提出至今，飞速发展，基于市场竞争，不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力。在新技术的推动下，集成电路自发明以来四十年，由1965年Intel公司的创始人之一Gordon E. Moore预言，集成电路产业的发展规律可总结为两点，即集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小2倍，这就是摩尔定律。

为了实现集成电路更加微小化的目标，1974年，Dennard提出等比例缩小定律，基本指导思想是：保持MOS器件内部电场不变：恒定电场规律，简称C E律，即等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，以增加跨导和减少负载电容，提高集成电路的性能,同时电源电压也要缩小相同的倍数，当然也存在了一些问题，如阈值电压不可能缩的太小，源漏耗尽区宽度不可能按比例缩小，电源电压标准的改变会带来很大的不便等，但此方法却极大地影响激励了后人对集成电路微小化的研究探索，更由此演变的恒定电压等比例缩小规律(简称CV律)，准恒定电场等比例缩小规则，缩写为QCE律，分别从不同方向弥补了条件的不足。而用此方法生产的产品，不仅简化了加工步骤，减少了材料的损耗，小巧却性能优良的产品也极大地方便了人们的生活，当然也对科学技术的要求越来越高。

而在我国，集成电路技术是近50年来发展最快的技术，自1956年5所学校在北大联合创建半导体专业，到1977年在北京大学诞生第一块大规模集成电路，1982年，成立电子计算机和大规模集成电路领导小组，80年代：初步形成三业分离的状态。30多年来，集成电路市场的成长迅速，基本上是一条指数发展规律，所以，未来十年将是我国微电子产业的黄金时期！

由此观之，硅微电子技术的未来主要会朝三个方向发展，一、特征尺寸继续等比例缩小，二、集成电路将发展成为系统芯片(SOC)三、微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等。其中微电子器件的特征尺寸若要继续缩小，有三个关键技术层次，即微细加工、互连技术、具备新型器件结构和新型材料体系。且栅介质的限制的问题也有待解决，而SOI 技术具有相当大的发展研究前景，同时存在的很多问题如SOI材料价格高，衬底浮置，表层硅膜质量及其界面质量等等，这些都是我们今后探索的方向！二、集成电路的分类

集成电路的分类有以下五种方式，器件结构类型、集成电路规模、使用的基片材料、电路形式、应用领域。

按器件结构类型分类主要分为双极集成电路（主要由双极晶体管构成，优点是速度高、驱动能力强，缺点是功耗较大、集成度较低）、金属-氧化物-半导体(M OS)集成电路（主要由MOS晶体管构成，功耗低、集成度高，随着特征尺寸的

缩小，速度也可以很高）、双极-MOS集成电路（同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂）。

按集成电路规模分类分为小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路、特大规模集成电路、巨大规模集成电路。其中，集成度是指每块集成电路芯片中包含的元器件数目。

按结构形式的分类单片集成电路和混合集成电路。单片集成电路是指电路中所有的元器件都制作在同一块半导体基片上的集成电路，在半导体集成电路中最常用的半导体材料是硅，除此之外还有GaAs等混合集成电路。而混合集成电路又分厚膜集成电路和薄膜集成电路。

按电路功能分类又分为数字集成电路和模拟集成电路。其中数字集成电路基本单元：开关管、反相器、组合逻辑门，模拟集成电路基本单元：放大器、电流源、电流镜、转换器等。在此基础上，衍生出双极集成电路，分为双极数字集成电路，双极模拟集成电路。同样MOS集成电路也分为数字集成电路、模拟集成电路。

从分类我们可以看出，影响集成电路性能的因素有：有源器件无源器件、隔离区、互连线、钝化保护层和寄生效应包括电容、有源器件、电阻、电感。而未来集成电路的发展趋势也必会朝减小特征尺寸、提高集成度、Cu互连、系统优化设计、SOC等方向发展。

三、集成电路设计的CAD系统

ICCAD系统的发展，有三代，第一代：60年代末：版图编辑和检查，第二代：80年代初：原理图输入、逻辑模拟向下，第三代：从RTL级输入向下，包括行为仿真、行为综合、逻辑综合等。

流行的CAD系统有：Cadence, Mentor Graphics, Viewlogic, Compass，Pan da等

ICCAD系统的理想作用：实现完全的自动化设计，设计出各种各样的电路

ICCAD系统的实际作用如设计信息输入有以下几步，首先语言输入编辑工具，接着高层次描述的图形输入工具包括VHDL功能图输入、逻辑图/电路图输入编辑、版图输入编辑，再通过综合器设计实现，再设计验证包括验证系统/电路符合功能/性能要求及设计规则要求，然后是模拟器进行模拟（仿真）分析，最后设计规则的检查。对于设计输入抽象出模型，施加外部激励，观察输入，进行判断，整个设计过程就是把高层次的抽象描述逐级向下进行综合、验证、实现，直到物理级的低层次描述，即掩膜版图。各设计阶段相互联系，例如，寄存器传输级描述是逻辑综合的输入，逻辑综合的输出又可以是逻辑模拟和自动版图设计的输入，版图设计的结果则是版图验证的输入。ICCAD系统介入了包括系统功能设计、逻辑和电路设计以及版图设计等在内的集成电路设计的各个环节主要内容有系统描述及模拟，综合，逻辑模拟，电路模拟，时序分析，版图设计的CAD工具,计算机辅助测试技术,系统描述与模拟如VHDL语言及模拟，器件模拟和工艺模拟。VHDL语言出现背景，即一种硬件描述语言，广义地说，描述电子实体的语言：逻辑图，电路图，但若大规模电路的出现，即逻辑图、布尔方程不太适用，需要在更高层次上描述系，若出现多种HDL语言，为便于信息交换和维护，出现工业标准。通常指高层设计阶段描述硬件HDL语言的特点如抽象地进行行为描述、结构化语言（可以描述电子实体的结构）、多层次混合描述、既可被模拟，又可被综合。

VHDL语言即指描述硬件电路，可以抽象地表示电路的行为和结构（完成什么功能，怎样组成），作用是对IC设计，支持从系统级到门和器件级的电路描述，并具有在不同设计层次上的模拟验证机制，还可作为综合软件的输入语言，支持电路描述由高层向低层的转换。

四、器件（二极管，mosfet）的定义，分类及应用

微电子几种重要的器件主要有薄膜晶体管TFT、光电器件、器件。

薄膜晶体管通常是指利用半导体薄膜材料制成的绝缘栅场效应晶体管，又分为非晶硅薄膜晶体管、晶硅薄膜晶体管、化硅薄膜晶体管。其结构有两种：立体型和平面结构型。如图。

TFT的应用领域也非常广，大面积平板显示──有源矩阵液晶显示、电可擦除只读存储器(ROM)、静态随机存储器、线阵或面阵型图像传感器驱动电路等，特别是液晶显示器，驱动电压和功耗低、体积小、重量轻、无X射线辐射、在每个像素上配置一个开关器件，形成有源矩阵液晶显示，消除了像素间的交叉串扰等一系列优点。

光电子器件是指光子担任主要角色的电子器件，如发光器件（将电能转换为光能）、发光二极管、半的导体激光器、太阳能电池（将光能转换为电能）、光电探测器（利用电子学方法检测光信号）。

发光器件中如发光二极管是靠注入载流子自发复合而引非相干光起的自发辐射，而半导体激光器则是在外界诱发的作用下促使注入载流子复合而引起的受激辐射，其相干光，具有单色性好、方向性强、亮度高等特点。

但是半导体发射激光，若要实现受激发射，必须满足下面三个条件：

首先是通过施加偏压等方法将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带，产生足够多的电子空穴对，导致粒子数分布发生反转，其次形成光谐振腔，使受激辐射光子增生，产生受激振荡，导致产生的激光沿谐振腔方向发射，最后满足一定的阈值条件，使电子增益大于电子损耗，即激光器的电流密度必须大于产生受激发射的电流密度阈值。

太阳能电池吸收光辐射而产生电动势，它是半导体太阳能电池实现光电转换的理论基础。产生光生伏特效应的两个基本条件：一是半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数，即要求入射光子的能量h 大于或等于半导体的禁带宽度，二是具有光生伏特结构，即有一个内建电场所对应的势垒区，而影响太阳能电池转换效率的主要因素有：表面太阳光的反射、pn结漏电流和寄生串联电阻等。

光电探测器光电探测是指对各种光辐射进行接收和探测的器件，如热探测器和光子探测器。热探测器指利用探测元吸收入射光(通常是红外光)产生热量，引起温度上升，然后再借助各种物理效应把温度的变化转变成电学参量热探测器进行光电转换的过程，即探测器吸收光辐射引起温度上升，再利用探测器的某些温度效应把温升转换成电学参量。光子探测器则指利用入射光子与半导体中处于束缚态的电子(或空穴)相互作用，将它们激发为自由态，引起半导体的电阻降低或者产生电动势，光子探测器的三个基本过程：首先光子入射到半导体中并产生载流子，其次载流子在半导体中输运并被某种电流增益机构倍增，最后产生的电流与外电路相互作用，形成输出信号，从而完成对光子的探测。

光敏电阻通常由一块状或薄膜状半导体及其两边的欧姆接触构成。如光电二极管，实际上就是一个工作在反向偏置条件下的pn结，p-i-n光电二极管是最常用的光电探测器件。同样还有雪崩光电二极管：雪崩光电二极管是借助强电场作用产生载流子倍增效应(即雪崩倍增效应)的一种高速光电器件。

最后一种CCD器件，即电荷耦合器件(70年代初由美国贝尔实验室研制成功的一种新型半导体器件。CCD器件不同于其他器件的突出特点：以电荷作为信号，即信息用电荷量(称为电荷包)代CCD器件的应用，广泛用于影像传感、数字存储和信息处理等三个领域，其中最重要的应用是作为固态摄像器件，其次是作为存储器件表，而其他器件则都是以电压或电流作为信号的。

五、工艺

集成电路的四项基础工艺有四种：薄膜制备，光刻，掺杂，热处理。它们广泛应用于手机，照相机，电视机，个人电脑的制作和生产。所有的这些都是由大量的内部结构操作完成。如在电子封装技术中，离子注入过程是一套按照能量等级或者电流范围分类的复杂的系统。能量越高，硅衬底越厚。为了制造更厚的场效应管N型区，离子注入时能量就需很高，所有的离子注入机，在它们发射离子束的部分都有寄出的子系统，再磁和电场作用下，离子移动，在真空环境下，在经过一系列的物理，化学筛选，得到我们所需要的离子，嵌入硅片，从而得到我们所需要的产品，此过程十分繁复和复杂，技术十分高端化，但却是微电子学习的核心。

六、mems简介

MEMS是微机电系统或微系统英文的缩写，它所包含的器件尺寸在1微米到1毫米之间，这些MEMS器件通过封装或一次集成形成一个微系统，该系统主要包含微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分，尺寸介于毫米与厘米之间，我们可以通过MEMS系统微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。

它融合了硅微加工、LIGA和精密机械加工等多种微加工技术，并应用现代信息技术构成的微型系统。它在微电子技术的基础上发展起来的，但又区别于微电子技术，包括感知外界信息(力、热、光、生、磁、化等)的传感器和控制对象的执行器，以及进行信号处理和控制的电路。

其特点是多种学科前沿技术高度综合、交叉和渗透，又为多种学科的发展服务，是国际公认的二十一世纪科技发展的前沿和基础。它的主要特点是：学科上的交叉综合：MEMS涉及力学、材料、电学、光学、热学、机械、生物、化学等学科，是这些学科前沿的综合。技术上的微型化、集成化、智能化。

近年来，国际上MEMS专利申请更是呈指数上升趋势，预计在未来几年，ME MS将进入产业快速发展阶段。权威的SPC（System Planning Corporation）预测，MEMS市场将以20%~30%的增长率超常发展，到2003年将超过400亿美元。信息技术高速发展所带来的启示作用和MEMS技术的巨大市场前景，吸引了各国政府和国际著名大公司以及风险投资家纷纷进入MEMS领域，这也预示着M EMS高速发展时期即将来临。

经过多年的发展， MEMS研究已经取得了长足发展，部分器件已经实现了产业化，如微型加速度计、微型压力传感器、数字微镜器件（DMD）、喷墨打印机的微喷嘴、生物芯片等不下于数十种，并且应用领域十分广泛，并且在军工行业中也发挥着越来越重要的作用。

六、我对微电子的认识

当初填报专业时，通过自己对微电子专业的查询及理解，只知道它是一门高深、难懂、难学与芯片有关的一个专业，学艺必须要精，不然就业会非常难，但一旦学好了，则是好处多多，目前我们国家正处于社会主义初级阶段，正在向社会主义中级阶段奋进，而电子信息行业，恰恰决定了一个国家的发展水平，因为

它覆盖了航天，军事，工业，生产生活的各个方面，而微电子，又是电子行业的翘楚，其发展，在未来潜力是不可限量的！

而通过一年专业系统化的学习，我更是深深的为它着迷，虽然，学习过程中，还有很多疑难问题没有解决，学习成绩也不是很如人意，可是我对微电子专业有了更深地理解。

“微电子学，即微型电子学，是随着集成电路，尤其是超大型规模集成电路而发展起来的一门新的技术。微电子技术包括系统电路设计、器件物理、工艺技术、材料制备、自动测试以及封装、组装等一系列专门的技术，微电子技术是微电子学中的各项工艺技术的总和。”简单来说，就是缩小后的集成电路，而我们研究的就是如何设计它，如何通过电脑编辑它，输出它从而将成千上万的电路放在小小的芯片上，在工艺技术上，再通过微细加工技术，如电子束、离子束、X 射线等复印技术和干法刻蚀技术使生产上在到亚微米以至更高的光刻水平，集成电路的集成弃将超大型越每片一百多个元件，以至达到全图片上集成一个复杂的微电子系统。再加工，检验封装等一系列复杂的工艺后，得到的成品将极大的方便人们的生产生活！

在将来，信息技术发展的方向是智能化、网络化和个体化。要求系统获取和存储海量的多媒体信息、以极高速度精确可靠的处理和传输这些信息并及时地把有用信息显示出来或用于控制。所有这些都只能依赖于微电子技术的支撑才能成为现实。超高容量、超小型、超高速、超高频、超低功耗是信息技术无止境追求的目标，是微电子技术迅速发展的动力，也是我们前进的方向。

虽然前景美好，但目前，微电子学，仍是是一门边缘学科，但它的综合性很强，其中包括了半导体器件物理、集成电路工艺和集成电路及系统的设计、测试等多方面的内容；设计了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试和加工、图论、化学等多个领域。这要求我们具有更加全面的知识，更扎实的基础，更刻苦的的努力，才能将这海量的知识自我化，融会贯通，从而学以致用，为祖国伟大的建设事业做贡献！