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第一节微电子与计算机技术

一、硅片上创造的奇迹——微电子技术

当你通过卫星转播欣赏世界杯足球赛的时候，当你用移动式电话和客户洽谈生意的时

候，当你用国际直拨长途电话和远隔重洋的亲人畅叙思念之情的时候，当你在办公室通过因

特网收发电子邮件或查询信息的时候，你有没有想过，近30年来电子信息技术的发展给

我们的工作、生活和生产带来多么大的变化；你是否知道，现代化的广播电视技术、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。微电子技术是20世纪人类

最伟大的发明之一，人类在硅片上创造的这一奇迹是进入信息社会的重要技术基础。因此人

们常称呼我们目前所处的时代是微电子时代。

1、微电子技术的发展历程

微电子的“微”原是微小的意思，与微缩景观、微缩胶卷、微雕艺术中的“微”字意义相近。

微雕艺人把几十个字刻在头发上已令人赞叹，而现在微电子加工企业可以把上亿个电子器件

集成在指甲大小的硅片上，真是令常人难以想象。随着精细化技术的发展，器件尺寸已缩小

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到纳米（10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。因此，准确地讲，微电子技术主要是指晶体管等基础元件尺寸在微米

（百万分之一米）数量级左右的半导体集成电路技术。反映集成电路内元件尺寸的主要参数

是线宽，最初的线宽为几微米，目前最先进的工业生产线已达到0.13微米。多数专家预计

由于生产成本等方面的限制，微电子工艺10-15年内可达到的最高水平为0.05微米。

追根溯源，微电子技术的诞生应归功于晶体管的发明。试想，如果今天的开关元件还是

电子管，怎么可能在一立方厘米内放下成千上万个电子管？尽管晶体管的发现如同阿基米德

发现浮力一样有其偶然因素，但本质上讲，晶体管的发明与改进得益于20世纪初提出的量

子理论，只有在量子理论基础上才能发展固体物理、半导体材料理论，从而促进集成电路技

术的不断发展。事实上，晶体管的主要发明人肖克利（后来第一位“下海”办企业的诺贝尔

奖获得者）就是麻省理工学院的固体物理学博士；而另一位发明人巴丁（两次诺贝尔奖获得

者）曾同时在伊利诺依大学物理系和电机系当教授。

1947年发明锗晶体管以后，又经过6-7年努力突破了从随处可得的沙砾中提炼半导体

材料硅单晶的技术，晶体管的应用才开始普及。最初晶体管和电视等其他元件都是零散地放

在电路板上，通过导线连成电路。1952年英国的G.Dummer首先提出集成电路的设计思想，

美国德州仪器公司擅长电路设计的基尔比工程师1958年9月将5个元件（其中四个晶体管）

做在一块1.2厘米长的锗单晶片上，实现了人类第一块集成电路。1962年商品化的集成电路

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）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。

1965年，仙童公司的创始人戈登.摩尔根据1958年以来集成电路的发展，预测每两年同

样硅片面积上的晶体管数目翻一番，原来他又把时间周期调整为18个月。这一预测在后来

几十年历史中基本得到验证，被信息领域广泛引用为“摩尔定律”。（见图一）一年半集成度

增加一倍也就是每五年10倍，10年100倍。1965年一块集成电路含10个晶体管，70年是

100个，80年约10000个，90年约100万个，2000年约1亿个晶体，真是每10年集成度提

高100倍！

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19751980198519901995

安腾

10M500

(mips)

(晶体管)

奔腾