微电子技术.

第八章微电子技术与计算机微电子技术概念1、微电子技术----是指以集成电路为代表的制造、使用微小型电子元件、器件和电路，实现电子系统功能的技术。微电子技术的核心是集成电路技术。2、集成电路----是以半导体晶体材料为基片，经过专门的工艺技术，把电路的器件和连线集成在基片上的微小型化的电路系统。集成电路常用硅做成，所以，集成电路也叫做硅芯片或芯片。集成电路的性能指标1、集成度----是指在一定尺寸的芯片上所容纳的晶体管的个数。小规模集成电路----集成度不到100个晶体管。中规模集成电路----集成度在100—1000之间。大规模集成电路----集成度在1000----10万之间。超大规模集成电路----集成度在10万以上。2、门延迟时间----反映集成电路的运行时间。（1）使电子设备微型化。（2）稳定性好、功耗低。（3）物美价廉、体积小、重量轻。集成电路的特点半导体生产工艺的特殊性高清洁度：每立方米空气中大于0.5微米的灰尘颗粒少于3500个。高精度：光刻线条、投影误差小于0.1微米。高纯度：整个工艺过程皆采用高纯度（99.999﹪）的化学药品和水。（2）氧化、离子注入在硅片表面上通过氧化作用，在1000℃的温度下，形成二氧化硅层，可作掩模、绝缘层和钝化层。氧化膜中会有少量的负电荷，注入正离子，以中和这些负电荷。（3）制作元件将设计好的电路按工艺先后制成一个个的掩模，经过照相缩小成与芯片大小的光刻掩模版，再把掩模版上的图形用紫外线照射的方法复制到芯片上----即光刻。（1）制作晶片:集成电路的生产制作过程硅片单晶硅晶片芯片高纯度厚0.5mm清洗、抛光划分（4）制作连线先将铝在真空中溶化、蒸发，将晶片在铝蒸汽中镀上一层1um厚的薄膜，再经过光刻和腐蚀把薄膜的大部分去掉，留下连线部分。（5）封装最后再经过检验、切片、封装、焊接芯片的接角，集成电路就制成了。集成电路设计的目的就是制备掩模图案。虽然这些工作目前全部由计算机辅助设计完成，但仍需大量的人力和时间。故掩模版的制作成本很高。集成电路行业是一个高成本、高产出、高回报的行业。直径为15厘米的硅片价值几美元提纯单晶硅片价值30美元加工集成电路价值240美元最终产品价值可达700美元检测、封装当前芯片技术的最高水平目前，世界上最高水平的单片集成电路芯片上所容纳的元器件数量已经达到80多亿个。目前，集成电路的超细微加工国际水平已经达到130～90纳米，实验室中70纳米的技术已经通过考核；我国05年在北京建成投产的“中芯国际”，已进入130纳米。我国微电子集成电路的生产水平同国际上的差距已经缩短到1～2代。预计2022年，集成电路的线宽将达到10纳米，这是硅集成电路的“物理极限”。随着纳米加工技术的发展，这一极限将进一步缩小，但总有一天，硅电子技术会走到尽头。（MOS）返回返回集成电路标准封装外形图微电子技术的发展前景1、量子功能元件目前，超细微加工的尺寸正向0.1um（100nm）前进，这是超大规模集成电路的极限尺寸，小于这个尺寸，即进入纳米尺寸（1—100nm）。半导体器件的工作原理将发生根本改变，进入量子功能器件阶段。2、三维集成电路——向空间发展，形成立体结构。3、砷化镓微电子技术——以砷化镓取代硅。4、光电子技术——以光为信息载体，与硅片上的集成电路结合，形成光电集成。是集成电路追求高速度的产物。5、超导电子技术是集成电路追求低功耗、高速度的产物。计算机的发展史计算机是由计算器发展而来，算盘是我国汉代发明明代成熟的，它属于最早是计算器，人们现在大都把第一台机械计算机的荣誉归功于法国的帕斯卡，1642年19岁时，他发明了“加法器”。1674年莱布尼茨造出一台更完善的机械计算机“乘法器”。1700年左右，莱布尼茨从一位友人送给他的中国“易图”（八卦）里受到启发，提出了二进制的运算法则，为现代计算机理论打下基础。第一台程序控制的计算机是英国剑桥大学科学家巴贝奇于1822年完成的。帕斯卡巴贝奇ENIAC诞生1946年2月14日美国宾夕法尼亚大学制造了第一台电子计算机ENIAC。这是由美国阿贝丁试炮场军官戈德斯坦组织的，发挥主要作用的是莫尔学院的莫契利和埃克特。莫契利和埃克特电子计算机之父冯·诺依曼提出了现代电脑的体系结构。1945年6月，冯·诺依曼与戈德斯坦、勃克斯等人，联名发表了计算机史上著名的“101页报告”，被认为是现代电脑科学发展里程碑式的文献。报告明确规定出计算机的五大部件（运算器、控制器、存储器、输入/输出设备），并用二进制替代十进制运算。晶体管1947年贝尔实验室布拉顿（W.Brattain）和巴丁（J.Bardeen）用一些金箔、一些半导体材料和一个弯曲的别针展示了他们的新发现，数字化革命诞生了。在晶体管发明过程中起到最关键作用的肖克利（W.Shockley）。肖克利晶体管之父----肖克利20世纪最伟大科学家之一的肖克利因为发明了晶体管，被誉为“晶体管之父”，并因此和他的研究小组成员巴丁和布拉坦分享了1956年的诺贝尔物理学奖。他的另一个伟大成就在于在硅谷创办了肖克利半导体实验室，为硅谷吸引了大量的人才和关注，被誉为“硅谷的摩西”。然而，由于不善经营管理和难以与人相处，这个科学天才的八位杰出弟子最终弃他而去，成为硅谷历史上著名的“八叛逆”。半导体材料1833年，英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特征。在1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第三种特性。1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。12英寸直拉硅单晶（1m多长）IBM的贡献托马斯·沃森在1924年把原来CTR公司更名为国际商用机器公司（IBM）。长子小沃森为IBM招聘了近4千名朝气蓬勃的青年工程师和技师。制造出IBM701大型电脑是第一代电子管计算机的标志产品。1956年将所有的计算机都实现晶体管化。1959年IBM7090型电脑问世，这第二代电子计算机的标志；集成电路发明后，小沃森又下令电脑全部集成化，投资50亿美元，美国政府投入原子弹研究的钱(20亿美元)还多。1964年IBM360系统取得了成功，成为第三代电脑的标志。1971年小沃森退休，利尔森接任董事长。因其公司人员一律穿蓝色制服，则IBM被誉为“蓝色巨人”。集成电路1957年10月美国东部的仙童照相器材和设备公司，罗伯特·诺依斯（N.Noyce）为首的8位年轻的科学家(八叛逆)投资了3500美元资金，组建起仙童半导体公司，成功地制造出金属氧化物半导体（MOS）等器件。同一时期，德克萨斯仪器公司的青年研究人员基尔比（J.kilby）在不超过4平方毫米的面积上，大约集成了20余个元件。1959年2月6日，基尔比向美国专利局申报专利，被命名为“集成电路”（IC）。基尔比诺依斯INTEL公司1968年，诺依斯、摩尔和格罗夫（A.Grove）毅然退出“仙童”，根据摩尔的建议，把新建公司取名为“英特尔”（英文缩写INTEL），寓意着“集成电子”。1971年英特尔公司的霍夫、麦卓尔和费根发明了微处理器。在3×4mm面积上集成晶体管2250个。命名它为4004。到目前为止集成度一直按摩尔1965年提出《摩尔定律》指数增长，已能在一个芯片上集成108个晶体管，线宽达0.09μm。摩尔格罗夫霍夫CPU发展图鉴4004AthlonXPDuronAthlon800Intel英特尔1971年，世界上第一款微处理器----4004诞生。PC机1974年12月，美国电脑爱好者爱德华·罗伯茨发明了世界上第一台用微处理器装配的微型计算机“牛郎星”。1973年，弗兰克·卡利（F.Cary）接任IBM董事长。因IBM公司当时个人电脑比苹果公司慢一拍，卡利下令建立一个“国际象棋”专案小组，技术负责人是唐·埃斯特奇，经一年努力推出IBMPC/XT和IBMPC/AT等后续产品，埃斯特奇被尊称为“PC机之父”D.EstridgeE.Roberts微软崛起1974年12月，保罗·艾伦在报亭上偶尔发现“牛郎星”照片，立即找到哈佛大学学法律的高中同学比尔·盖茨，共同为“牛郎星”研制出配套的BASIC软件。1975年7月，19岁的比尔·盖茨毅然放弃只差一年就到手的哈佛学位，与保罗·艾伦建立了“微软公司”。微软公司购买到帕特森的QDOS版权，并且在帕特森帮助下，完成了这件影响深远的磁盘操作系统MS-DOS软件。1983年11月10日，Windows操作系统首次登台亮相。Internet网诞生Internet起源于1969年美国国防部的ARPANET计划，该计划是为了确保在受到苏联第一次核打击以后仍然具有一定的生存和反击能力。1974年，IP（InternetProtocol，Internet协议）和TCP（TransportControlProtocol，传输控制协议）问世，合称TCP/IP协议。1990年美国国防部正式取消ARPANET。接替ARPA管理互联网的是美国国家科学基金会，互联网正式“军转民”。它让世界变小，它让不同的人们相互沟通。苹果手机1971年，16岁的史蒂夫·乔布斯（SteveJobs）和21岁的史蒂芬·沃兹涅克（StephenWozniak）结识。后又结识了罗·韦恩（RonWayne），三人在1976年4月1日组成了苹果电脑公司（AppleComputerInc.）。在80年代苹果在个人电脑业务遇到新兴的竞争对手。其“头号人物”——IBM。IBM电脑，装有英特尔（Intel）的新型处理器：Intel8088，并且运行微软的操作系统MS-DOS。2006年8月29日，苹果电脑公司发布声明，Google公司首席执行官埃里克·施密特已加入苹果公司董事会。2006年，史蒂夫·乔布斯发表了第一部使用英特尔处理器的台式电脑和笔记本电脑，2007年，苹果推出了iPhone，2010年4月3日，推出iPad系列产品2012年4月，苹果以超过5200亿美元的市值稳坐世界第一的位置。手机手机可以集计算、游戏、上网、摄象、随身听、录音、电视和掌上电脑功能为一体，功能的改进是无穷的。它是人们最实用的工具。目前已经实现通过手机查询财经信息、股市行情、天气、新闻、交通等信息，还能通过手机完成电子邮件收发、股票交易、银行转账、订购机票等诸多事务。计算机的应用1、数值计算：迅速计算是计算机设计的初衷。2、自动控制：由于工农业生产、通讯、交通、航天和军事。3、信息处理：对信息分类、排序、查找、分析、判别和制表等。4、计算机辅助：辅助设计CAD、制造CAM、教学CAI等。5、办公自动化：即OA第五代计算机计算机的发展已经历了四代变革第一代电子计算机，第二代晶体管计算机，第三代集成电路计算机第四代大规模集成电路计算机。第五代计算机——人工智能计算机。1.具有处理各种信息的能力。除目前计算机能处理离散数据外，还能对声音、文字和图象等形式的信息进行识别处理。2.具有学习、联想、推理和解释问题的能力。冯·诺依曼型计算机。人工智能之父人工智能专家咨询系统：主要由知识库、数据库和推理机制组成。如：数学专家系统，化学专家系统、中医专家系统等模式识别：用特征识别和关系识别，先对文字、声音、图象致函信息加以分析，后与模式对比识别。应用已有：文字识别、语言识别和理解、人的面孔和指纹识别、医疗诊断等。机器人：模拟人的部分功能的自动机器。分工业机器人和智能机器人。智能机器人具有各种传感器（感觉器）和学习能力。数学定理的证明：大大减轻人的脑力劳动。四色定理已证明。博奕：目前国际象棋和中国象棋世界冠军已由计算机获得，围棋获冠还需100年努力。人工神经网络：是对信息并行处理技术。模拟人脑，不同于传统的