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2023-10-22
微电子技术教程-信息技术教程
【摘要】：微电子技术主要是指晶体管等基础元件尺寸在微米数量级左右的半导体集成电路技术。微电子技术是20世纪人类最伟大的发明之一，其最重要的应用领域就是计算机技术领域。微型计算机的各个组成部分都是微电子技术的结晶。追根溯源，微电子技术的诞生应归功于晶体管的发明。表1.1集成电路的集成度分类随着精细化技术的发展，器件尺寸已缩小到纳米即毫微米级，这就是近几年蓬勃兴起的纳米技术，也有人预言21世纪将出现“纳电子”技术。
信息技术、通信技术、计算机技术的发展都离不开一项基础技术——微电子技术。微电子技术主要是指晶体管等基础元件尺寸在微米（10－6米）数量级左右的半导体集成电路技术。微电子技术是20世纪人类最伟大的发明之一，其最重要的应用领域就是计算机技术领域。微型计算机的各个组成部分都是微电子技术的结晶。集成电路的高速发展，使得计算机的核心技术——微处理器的发展越来越快。
1971年Intel推出的第一代微处理器4004，主频只有108千赫，70年代末推出的16位微处理器8086，主频达到了5～10兆赫，性能比8位微处理器8008提高100倍以上。80年代中期推出的80386芯片已采用1微米工艺，主频达到33兆赫。1993年Intel推出的66兆赫主频的奔腾（Pentium）芯片采用了超标量技术，性能比33兆赫的486芯片高5倍。1995年以后，由于采用先进的RISC（Reduced Instruction Set Computing，精简指令集运算）技术、铜线技术等，芯片速度平均每年递增50%以上。到2000年，主频1G赫兹以上的微处理器芯片已问世。
追根溯源，微电子技术的诞生应归功于晶体管的发明。1947年发明锗晶体管以后，人们又经过多年的努力，突破了提炼半导体材料硅单晶的障碍，晶体管的应用才开始普及。商品化的集成电路则是于1962年问世。第一代集成电路大部分采用双极型晶体管和晶体管－晶体管逻辑（TTL），结构复杂，集成度低。到了70年代，金属－氧化物－半导体场效应晶体管，即MOS工艺成为集成电路的主流。MOS集成电路（包括PMOS、NMOS和CMOS等）的制造工艺简单、集成度高、噪声小，目前多数微处理器和存储器都属于这一类集成电路。HKMG是INTEL、AMD和台积电都在使用的一项技术，它以High－K绝缘层替代传统的SiO2氧化层，并以金属材料替代硅材料栅极，这项技术有助于晶体管开关速度的提升。
数字集成电路多数由门电路组成，因此集成电路的规模可按一片集成电路包含的门电路数目（即集成度）分类。集成电路按集成度可分为六大类：小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）、特大规模集成电路（ULSI）和巨大规模集成电路（GLSI），其分类标准如表1.1所示。1965年美国Intel公司的创始人之一戈登·摩尔根据1958年以来集成电路的发展，预测每18～24个月同样硅片面积上的晶体管数目将翻一番。这一预测在后来几十年中基本得到验证，被信息领域广泛引用为“摩尔定律”。摩尔定律带动了芯片产业竞争的白热化。2005年，作为Intel公司名誉主席的摩尔在纪念这一定律发表40周年之时说：“如果你期望在半导体行业处于领先地位，你无法承担落后于摩尔定律的后果。”
表1.1 集成电路的集成度分类
随着精细化技术的发展，器件尺寸已缩小到纳米（10－9米）即毫微米级，这就是近几年蓬勃兴起的纳米技术，也有人预言21世纪将出现“纳电子”技术。目前22纳米已成为主流工艺。22纳米制程工艺的进化十分惊人，在2012年的Intel信息技术峰会IDF上，Intel副总裁施浩德向大家展示了一块直径300毫米的标准晶圆，大致数一下可以发现，纵向最多有37个内核，横向最多则有15个，单个内核的尺寸大概是8.1毫米×20毫米，也就是162平方毫米，一个针头可以放置一亿多个22纳米三栅极晶体管。Intel会陆续将工艺处理器升级至10纳米，之后则是7纳米甚至是5纳米。当今最先进的集成电路技术已经能够将23亿个晶体管集中在指甲盖大小的区间里。
摩尔定律问世至今已经半个多世纪了。在这半个多世纪里，计算机从神秘不可接近的庞然大物变成多数人都不可或缺的工具。人们不禁要问：这种令人难以置信的发展速度会无止境地持续下去吗？芯片上元件的几何尺寸不可能无限制地缩小下去，因为当电流微弱到仅有几十个甚至几个电子流动，晶体管将逼近其物理极限而无法正常工作。摩尔定律的出路何在？3D晶体管（如图1.3所示）让摩尔定律延续。
世界上第一个3D晶体管“Tri－Gate”由Intel于2011年5月6日宣布研制成功。Tri－Gate使用一个三维硅鳍片取代传统晶体管上的平面栅极，硅鳍片三面都安排了一个栅极用于辅助电流控制。在Tri－Gate中，由于三维硅鳍片都是垂直的，晶体管可以更紧密排列，能够在很大程度上提高晶体管密度。Tri－Gate将晶体管的排列由平面转向立体，使单位面积中可以容纳更多的晶体管。图1.4形象地展示了3D晶体管。(www.chuimin.cn)
打一个形象的比方，二维晶体管如同平房，3D晶体管则是摩天大楼。在同样的占地面积下，楼房要比平房能够承载更多的房屋。可以说，在摩尔定律逐渐达到极限的现在，3D晶体管是使其延续的最佳方法。
图1.3 3D晶体管
图1.4 3D晶体管将影响整个行业
（图片来源：www.zol.com.cn）
移动互联网时代，摩尔定律面临速度太慢的尴尬。Intel公司的CEO表示，PC时代，摩尔定律的周期是18个月，移动互联网时代则是12个月，甚至更短，摩尔定律需要改变节奏。
总之，作为现代信息技术的核心，微电子技术已经渗透到诸如现代通信、计算机技术、医疗卫生、环境工程、能源、交通、自动化生产等各个方面，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高新技术。
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