微电子学与集成电路

演讲：储程辉制作：臧锦雯资料收集：鲍可欣微电子学与集成电路1.什么是微电子学2.微电子学的战略地位3.微电子学的发展历史4.微电子学的特点5.什么是集成电路6.集成电路的发展历史7.集成电路的分类8.集成电路的特点9.集成电路的应用领域1.什么是微电子学微电子学：Microelectronics微电子学——微型电子学核心——集成电路微电子学是研究在固体（主要是半导体）材料上构成的微小型化电路、电路及系统的电子学分支。脱胎于电子学和固体物理学的边缘性的技术学科微电子微电子学是信息领域的重要基础学科，在信息领域中，微电子学是研究并实现信息获取、传输、储存、处理和输出的科学，是研究信息载体的科学，构成了信息科学的基石。其发展水平直接影响着整个信息技术的发展。微电子学是一门综合性很强的边缘学科，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；涉及了固体物理学、量子力学、热力学、统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个领域。微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学的发展方向。信息技术发展的方向是多媒体（智能化）、网络化和个体化。要求系统获取和储存海量的多媒体信息、以及高速度精确可靠的处理和传输这些信息并及时地把有用的信息显示出来或用于控制。超高容量、超高速、超高频、超低功耗是信息技术无止境的追求目标，是微电子技术迅速发展的动力。2微电子科学技术的战略地位微电子是信息社会发展的基石微电子对传统产业的渗透与带动作用微电子对国家安全与国防建设的作用⑴微电子是信息社会发展的基石21世纪经济是信息经济，目前发达国家信息产业产值已占国民经济总产值的40%-60%，国民经济总产值增长部分的65%与集成电路有关。因此，抓住了集成电路产业发展，就能促进国民经济的高速发展。实现社会信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机和/或通讯机，它们的基础都是微电子。目前，全世界计算机不包括微机在内有几百万台，微机总量约6亿台，每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量。1946年第一台计算机：ENIAC⑵微电子对传统产业的渗透与带动作用几乎所有的传统产业与微电子技术结合，用集成电路芯片进行智能改造，就会使传统产业重新焕发青春。电子装备更新换代都基于微电子技术的进步，其灵巧的程度都依赖于集成电路芯片的“智慧”程度和使用程度。例如微机控制的数控机床已不再是传统的机床；又如汽车的电子化导致汽车工业的革命，目前先进的现代化汽车，其电子装备已占其总成本的70%。进入信息化社会，集成电路成为武器的一个组成单元，于是电子战、智能武器应运而生。雷达的精确定位和导航，战略导弹的减重增程，战术导弹的精确制导，巡航导弹的图形识别与匹配.以及各类卫星的有效载荷和寿命的提高等等，其核心技术都是微电子技术。⑶微电子对国家安全与国防建设的作用武器装备水平与社会生产力、经济基础有密切关系：在农业社会：大刀长矛等冷兵器在工业化社会：枪、炮等热兵器信息化社会：IC成为武器的一个组成元，电子战、信息战3.微电子学的发展历史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。第二次大战中、后期，由于军事需要对电子设备提出了不少具有根本意义的设想，并研究出一些有用的技术。1947年晶体管的发明，后来又结合印刷电路组装使电子电路在小型化的方面前进了一大步。到1958年前后已研究成功以这种组件为基础的混合组件。集成电路技术是通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照-定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片上，执行特定电路或系统功能。4.微电子学的特点微电子学是一门综合性很强的边缘学科涉及了固体物理学、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、测试与加工、图论、化学等多个学科微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向微电子学的渗透性极强，它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如微机电系统(MEMS)、生物芯片等5.什么是集成电路集成电路（integratedcircuit）是一种微型电子器件或部件。就是在一块极小的硅单晶片上，利用半导体工艺制作上许多晶体二极管、三极管及电阻、电容等元件，并连接成完成特定电子技术功能的电子电路。从外观上看，它已成为一个不可分割的完整器件，集成电路在体积、重量、耗电、寿命、可靠性及电性能方面远远优于晶体管元件组成的电路，目前为止已广泛应用于电子设备、仪器仪表及电视机、录像机等电子设备中。。它在电路中用字母“IC”表示。集成电路发明者为杰克·基尔比（基于锗（Ge）的集成电路）和罗伯特·诺伊思（基于硅（Si）的集成电路）。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。集成电路6.集成电路的发展历史1906年，第一个电子管诞生1912年前后，电子管的制作日趋成熟引发了无线电技术的发展；1918年前后，逐步发现了半导体材料；1920年，发现半导体材料所具有的光敏特性；1932年前后，运用量子学说建立了能带理论研究半导体现象；1956年，硅台面晶体管问世；1960年12月，世界上第一块硅集成电路制造成功；1966年，美国贝尔实验室使用比较完善的硅外延平面工艺制造成第一块公认的大规模集成电路。1988年：16MDRAM问世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路阶段的更高阶段。1997年：300MHz奔腾Ⅱ问世,采用0.25μｍ工艺，奔腾系列芯片的推出让计算机的发展如虎添翼，发展速度让人惊叹。2009年：intel酷睿i系列全新推出，创纪录采用了领先的32纳米工艺，并且下一代22纳米工艺正在研发。集成电路制作工艺的日益成熟和各集成电路厂商的不断竞争，使集成电路发挥了它更大的功能，更好的服务于社会。由此集成电路从产生到成熟大致经历了如下过程：电子管——晶体管——集成电路——超大规模集成电路7.集成电路的分类集成电路的分类方法：功能结构制作工艺集成度高低导电类型不同按用途按应用领域分按外形分按功能结构分可以分为模拟集集成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路三大类。模拟集成电路又称线性电路,用来产生、放大和处理各种模拟信号（指幅度随时间变化的信号。例如半导体收音机的音频信号、录放机的磁带信号等），其输入信号和输出信号成比例关系。而数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号（指在时间上和幅度上离散取值的信号。例如3G手机、数码相机、电脑CPU、数字电视的逻辑控制和重放的音频信号和视频信号）。制作工艺分为半导体集成电路和膜集成电路。膜集成电路又分类厚膜集成电路和薄膜集成电路。集成度高低小规模集成电路(SmallScaleIC，SSI)中规模集成电路(MediumScaleIC，MSI)大规模集成电路(LargeScaleIC，LSI)超大规模集成电路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大规模集成电路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大规模集成电路(GiganticScaleIC，GSI）导电类型不同集成电路按导电类型可分为双极型集成电路和单极型集成电路，他们都是数字集成电路。双极型集成电路的制作工艺复杂，功耗较大，代表集成电路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等类型。单极型集成电路的制作工艺简单，功耗也较低，易于制成大规模集成电路，代表集成电路有CMOS、NMOS、PMOS等类型。按用途分为电视机用集成电路、音响用集成电路、影碟机用集成电路、录像机用集成电路、电脑（微机）用集成电路、电子琴用集成电路、通信用集成电路、照相机用集成电路、遥控集成电路、语言集成电路、报警器用集成电路及各种专用集成电路。按应用领域分分为标准通用集成电路和专用集成电路。按外形分集成电路按外形可分为圆形（金属外壳晶体管封装型，一般适合用于大功率）、扁平型（稳定性好，体积小）和双列直插型。8.集成电路的特点集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛的应用。用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可大大提高。9.集成电路的应用领域⑴在计算机的应用随着集成了上千甚至上万个电子元件的大规模集成电路和超大规模集成电路的出现，电子计算机发展进入了第四代。第四代计算机的基本元件是大规模集成电路，甚至超大规模集成电路，集成度很高的半导体存储器替代了磁芯存储器，运算速度可达每秒几百万次，甚至上亿次基本运算。计算机主要部分几乎都和集成电路有关，CPU、显卡、主板、内存、声卡、网卡、光驱等等，无不与集成电路有关。⑵在通信上的应用集成电路在通信中应用广泛，诸如通信卫星，手机，雷达等，我国自主研发的“北斗”导航系统就是其中典型一例。将替代“北斗”导航系统内国外芯片的“领航一号”，还可广泛应用于海陆空交通运输、有线和无线通信、地质勘探、资源调查、森林防火、医疗急救、海上搜救、精密测量、目标监控等领域。⑶在医学上的应用随着集成电路越来越多的渗入现代医学，现代医学有了长足进步。在医学管理方面IC卡医疗仪器管理系统就是典型代表。IC卡医疗仪器管理系统集IC卡、监控、计算机网络管理于一体，凭卡检查，电子自动计时计次，可实现充值、打印，报表功能。系统性能稳定，运行可靠；控制医疗外部关键部位，不与医疗仪器内部线路连接，不影响医疗仪器性能，不产生任何干扰；管理机与智能床有机结合，分析计次；影像系统自动识别，有效解决病人复查问题；轻松实现网络化管理，可随时查阅档案记录，统计任意时间内的就医人数。2000年：以集成电路为基础的电子信息产业成为世界第一大产业⑷在生活中的应用提到集成电路我们就不得不提到我们的日常生活，在我们生活中与集成电路有关的产品随处可见。手机、电视、数码相机、摄像机等都与我们的生活关系越来越近。