微电子导论论文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。微电子学（Microelectronics）是电子学的一门分支学科，主要是研究电子或离子在固体材 料中的运动规律及其应用，并利用它实现信号处理功能的学科。它以实现电路和系统的集成 为目的的。微电子学中实现的电路和系统又成为集成电路和集成系统，是微小化的；在微电 子学中的空间尺寸通常是以微米（|J m， 1p m=10 - 6m）和纳米（nm, lnm=10 - 9m）为单位 的。为电子学的分支学科，它主要研究电子或离子子在固体材料中的运动规律及其应用，并 利用它实现信号处理功能的科学，以实现电路的系统和集成为目的，实用性强。微电子学又 是信息领域的重要基础学科，在这一领域上，微电子学是研究并实现信息获取、传输、存储、 处理和输出的科学，是研究信息获取的科学，构成了信息科学的基石，其发展书评直接影响 着整个信息技术的发展。微电子科学技术的发展水平和产业规模是一个国家经济实力的重要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；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。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。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。微电子学渗透性强，其他学科结合产生出了一系列新的交叉学科。微机电系统、生物 芯片就是这方面的代表，是近年来发展起来的具有广阔应用前景的新技术。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。因此，本专业培养目标是培养掌握微电子学专业所必需的基础知识、基本理论和基本实 验技能，能在微电子学及相关领域从事科研、教学、产品开发、工程技术服务、生产管理与 行政管理等工作的高级专业人才。基于微电子学的特点，我们在学习过程中应获得以下一些基本的的知识和能力1.掌握 数学模型、物理方程等方面的基本理论和基本知识2.掌握固体物理学、电子学和VLSI设 计与制造等方面的基本理论和基本知识，掌握集成电路和其它半导体器件的分析与设计方法, 具有独立进行版图设计、器件性能分析和指导VLSI工艺流程的基本能力；3.了解相近专 业的一般原理和知识4.熟悉国家电子产业政策、国内外有关的知识产权及其它法律法规； 5.了解VLSI和其它新型半导体器件的理论前沿、应用前景和最新发展动态，以及电子产 业发展状况；6.掌握资料查询、文献检索及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法； 具有一定的实验设计，创造实验条件，归纳、整理、分析实验结果，撰写论文，参与学术交 流的能力。微电子历史国际微电子技术发展的理论基础是19世纪末到20世纪30年代期间建立起来的现代物理学 这期间的重要发现包括1895年德国科学家伦琴发现的X射线、1986年贝克勒尔发现放射 性、 1897年英国科学家汤姆孙发现电子、 1898年居里夫人发现镭、 1900年普朗克建立量 子论、 1905年和 1915年爱因斯坦提出狭义相对论和广义相对论等。正是这一系列的发明 和发现揭示了微观世界的基本规律，导致了海森堡、薛定谔等建立起量子力学的理论体系， 为现代电子信息技术革命奠定了理论基础。位于摩尔工程学院的ENIAC(美国军方图片)电信号处理工业始于由Lee Deforest 在1906年发现的真空三极管。 1真空三极管市的收音机、电视和其他消费类电子产品成为 可能。它也是世界上第一台电子计算机的大脑，这台被称为电子数字集成器和计算器 (ENIAC)的计算机于1947年在宾西法尼亚的摩尔工程学院进行了首次演示。这台电子计 算机和现代的计算机大相径庭。它占据约1500平方英尺的面积，重30吨，工作时产生大 量的热，并需要一个小型发电站来供电，花费了 1940年时的40万美元。ENIAC的制造用了 19000 个真空管和数以千计的电阻及电容器。然而这个庞然大物的运行速度只有每秒 5000 此，存储容量只有千位，平均稳定运行时间只有7 分钟。真空管有一系列的缺点，如 体积大，连基础容易变松导致真空泄漏、易碎、要求相对较多的电能来运行，而且元件老化 很快。ENIAC和其他基于真空管的计算机的主要缺点是由于真空管易烧毁而导致运行时间 有限。这些问题成为许多实验室寻找真空管替代品的动力，这个努力在1947年12曰23日 得以实现。贝尔实验室的三位科学家ohn Bardee n, Walter Bratt in和William Shockley，演示了由半导体材料锗制成的电子放大器件。这个器件不但有真空管的功能，而且为固态（无 真空），且具有体积小、重量轻、耗电低并且寿命长的优点，起初命名为“传输电阻器”，而 后很快更名为晶体管。这三位科学家也因此被授予了1956年的诺贝尔物理学奖。晶体管是 20 世纪最伟大的发明之一，它对人类社会的所有领域，包括生活、生产、甚至战争都产生 了并且还正在产生着深远的影响。同时晶体管的发明也拉开了电子时代的序幕，从1947年 开始，半导体工业呈现出在新工艺和工艺提高上的持续发展。国内微电子学专业发展的简要历史和成就回顾中国微电子学专业的教育历史应追朔到1956年。 1956年，由北京大学、复旦大学、南 京大学、吉林大学和厦门大学五校联合在北京大学创办了中国第一个半导体物理专门化。最 早由这个专业培养的许多毕业生都成为我国微电子领域的权威或领导。半导体专业发展的第 二个高峰在1970 年前后，随着对半导体器件需求量的增加，尤其是大型电子计算机对集成 电路需求的推动，促进了国内半导体工业的发展以及对专业人才的需求，全国很多高校都先 后增加了半导体专业。但是进入20世纪80年代，由于国内半导体器件和集成电路生产还缺 乏竞争力，受到进口元器件的冲击，很多半导体器件厂下马或转产，相应地很多高校的半导 体或微电子专业也被迫取消。进入90年代中期，由于微型计算机的发展、普及以及通信等 信息产业的发展，对集成电路芯片的需求量越来越大，国家加大了对微电子行业的支持力度， 对微电子专业毕业生的需求也不断增加，微电子专业的发展迎来了第三个高峰。国家十五 计划和 2010 年远景规划提出以信息化带动工业化，加快微电子产业建设的高新技术发展策 略。目前，许多高校以及一些专科学校都纷纷建立微电子专业。各学校的办学特点不尽相同， 但主要培养目标基本围绕三方面：集成电路工艺开发，集成电路中的器件和材料研究，以及 集成电路设计， 其招生规模不断扩大。微电子学的重要分支 集成电路制造（半导体工艺，半导体器件）集成电路设计（底层电路设计（偏物理）-SOC设计（偏编程）MEMS（微机电系统），需要非常杂的知识面EDA，是介于制造和设计之间的一个比较独特的领域，需要比较广的知识面和编程能力国内微电子学专业发展近 30 年来，集成电路技术一直按照摩尔定律向前发展。集成电路工艺中的特征尺寸更小（vlOOnm）,集成密度更高，集成电路材料趋于多元化（不再仅仅是硅基、二氧化硅和铝 引线等），集成的元件种类更多（各种传感器），集成的系统更为复杂、庞大，集成电路的功 能更为完善和强大（一个芯片就是一个独立完整的系统-SOC）,集成系统的功耗更低，成 为半导体工业（微电子工业）基本发展趋势。我国的集成电路发展起步于1965年，由于体 制等众多的原因，我国在这一领域与国外差距越来越大。从市场份额来看， 2002 年国产芯 片年销售额为130.3亿元，占世界芯片产量的0.7%左右；从技术上看，总体上还有两代左 右的差距。 2002年，我国芯片自给率才25%，其他 75%均需要进口，进口集成电路耗资33.6 亿美元，特别是技术含量高的产品，基本上依靠进口。由于2 0世纪80年代国内经济的迅 速发展和半导体行业的相对滞后，许多高校已停止了半导体工艺人才培养，导致集成电路工 艺人才更是奇缺。当今世界经济已从工业化进入信息化的发展阶段，微电子技术是高科技和 信息产业的核心技术，成为当前新经济时代的基础产业。它在国民经济、国防建设以及现代 信息化社会中起着极其重要的战略意义。我国微电子产业与国际水平相比还属于幼稚工业， 无论技术水平、产品水平还是综合实力都无法与发达国家同行的实力相抗衡。国际半导体技术路线图（International Technology Roadmap for Semiconductors ）是由美 国、欧洲、日本、韩国和台湾地区的专家共同编制的的一个文件，是产业界（芯片制造商、 设备和材料供应商）、政府部门和大学、研究机构共同努力的结果。该文件对当前半导体技 术进行评估，对未来15年半导体技术的发展趋势进行预测，不仅对半导体产业的发展有指 导意义，而且对大学、研究机构的人才培养和科学研究具有指导意义。与微电子学专业相关行业的发展趋势及对本专业构成的挑战、要求1进入 21 世纪，与微电子专业学科相关的集成电路产业发展趋势(1) 器件尺寸不断缩小，目前器件特征尺寸已进入纳米量级。器件尺寸继续缩小将遇 到很多物理问题和技术挑战，为了解决这些问题和挑战，必须进行新器件、新结构、新工艺 等研究。(2) 集成度不断提高，目前已经可以把整个电子系统或子系统集成在一个芯片里，形 成集成系统芯片(SOC)。系统芯片与集成电路的设计思想和方法是不同的。这就要求微电 子专业培养的人才不仅能从事IC设计，还能从事SOC设计，研究SOC的设计方法。(3) 与集成电路技术相关的新材料不断涌现，高K栅介质、低K互连介质、新型化 合物半导体材料等都成为目前的研究热点。(4) 微电子与其他学科结合诞生新的交叉学科，也是21 世纪的重要发展方向，例如 集成光电子学、微机械电子学(MEMS)、纳电子学等。因此，要求微电子专业培养的学生 能适应这种跨学科、多学科结合发展的需求。2微电子技术面临的困难与挑战按照微电子技术的发展趋势，在材料、工艺、设计、测试、封装等方面都面临着困难和 挑战。在国际半导体技术路线图中，将微电子技术分为12 个相对独立的部分：(1) 设计， (2) 测试与测试设备， (3) 工艺集成、器件和结构， (4) 前端工艺， (5) 光刻， (6) 互连线， (7) 工 厂集成， (8) 组装与封装， (9) 环境、安全与健康， (10) 成品率， (11) 计量， (12) 模型与模 拟。3国内微电子技术现状与社会需求根据国家有关权威部门的预测， 2010 年我国微电子产业的产值将达到3000亿人民币， 占到当时全世界集成电路产值的 6，其中芯片制造业的产值约为1500 亿元，设计业和封 装业 1500 亿元。根据国际上的一般规律，一个10 亿元产值的集成电路设计公司大约需要 1500名左右的工程师；一条年产3万片的8英寸集成电路制造生产线的年产值约30亿人民币，需要1000名工程师和1000名配套人员。这样，未来10年我国集成电路设计业需要2025万设计人才，芯片制造业产值约需要10万名工艺技术人才，而目前我国集成电路人才奇 缺，设计人才全国不足万人，因此今后10年对微电子方面的人才的需求是极为迫切的。从2003集成电路行业年会的数字显示，国内IC设计从业人员实际不足5