1、高职院校素质教育课程现代科技发展概论备课笔记 第八章 微电子技术与计算机高职院校素质教育课程现代科技发展概论备课笔记 第八章 微电子技术与计算机 计划课时：2课时。教学内容： 第一节 微电子技术大纲要求：1、了解微电子技术在整个高新技术中的地位与作用；2、了解当前国际上微电子技术的发展状况以及我国的差距。教学重点： 1、微电子技术、集成电路的概念，微电子技术的摇篮硅谷； 2、微电子技术的地位和作用，微电子技术发展的现状及发展趋势如何？ 3、我国微电子技术的发展状况及差距？ 板书设计 第八章 微电子技术与计算机 见多媒体课件授课教案 第八章 微电子技术与计算机 第八章 微电子技术与计算机在高新技
2、术中，电子信息技术起到领头的作用。电子信息技术的研究开发和应用水平，已经成为衡量一个国家科技水平的主要标志之一。电子信息技术是一门综合技术，它包括微电子技术、计算机技术、自动控制与人工智能技术、信息技术、现代通信技术等，电子信息技术微电子技术基础计算机技术核心自动控制技术人工智能技术信息技术现代通信技术重要组成部分第一节 微电子技术微电子技术是现代高新技术中的关键技术，目前，它已渗透到人类社会的各个领域和人类生活的各个方面，成为支撑高技术发展的基础和推进社会信息化的动力。一、概念传统的电子技术是以真空电子管为基础元件，产生的电子产品有广播、电视、无线电通信、仪器仪表、自动化技术和第一代电子计算
3、机。现代微电子技术是指以集成电路为代表的研制、生产微小型电子元器件和电路，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，它是随着集成电路技术的发展而发展起来的一门新兴技术。微电子技术不仅使电子设备和系统实现微小型化，更重要的是它引起了电子设备和系统在设计、工艺、封装等过程的巨大变革。所有的元器件如晶体管、电阻、连线等，都以整体的形式相互连接，设计的出发点不再是单个元器件，而是整个系统或设备。 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元器件和连线集成在基片内部、表面或基片之上的微小型化的电路或系统。集成电路常用硅制作，所以也叫做硅芯片或芯片。二、集成电路的性能指标集
4、成度是指在一定尺寸的芯片上所容纳的晶体管的个数，是衡量集成电路水平的性能指标之一。集成度不到100个晶体管的集成电路叫做小规模集成电路；集成度在100到1000之间的叫中规模集成电路；集成度在1000以上的叫大规模集成电路；通常将集成度在10万以上的集成电路叫超大规模集成电路。 集成度的提高使集成电路中的元器件越来越小，连线也越来越细。这就对制作工艺、技术和环境提出了极高的要求，使得集成电路业成为高投入的行业。在80年代后期，一条大规模集成电路生产线的投资约需要5000万美元。当然，集成电路行业也是一个高产出和高回报的行业。硅是制造集成电路芯片的原材料，由于价格便宜且性能稳定，目前90以上的电
5、子元器件都是由硅材料制备的。直径15厘米的硅片的价值不过几美元，制成单晶硅后价值为30美元，经加工制成集成电路后价值240美元，再经检测、封装，最终产品的价值可达700美元。门延迟时间反映集成电路的运行速度，门延迟时间越小集成电路的工作速度就越快。是衡量集成电路水平的另一个性能指标。硅集成电路的发展遵循摩尔定律，即：每18个月集成电路的集成度增加一倍，而它的价格也要降低一半。这是由于制作工艺水平的提高，使得硅单晶的直径增大，从而使硅片生产的成本降低。集成电路的飞速发展，导致了计算机每23年就有一次更新换代。三、微电子技术的发展 20世纪30年代，量子力学取得了举世瞩目的成就，它应用于固体物理，
6、产生了固体能带理论，使人们对于半导体的基本性质有了新的认识，为半导体技术的开发奠定了重要的理论基础。 1、晶体管的发明二战结束后，美国电报电话公司贝尔实验室的三位科学家肖克利（W.Shockley）、布拉顿（W.Brattain）和巴丁（J.Bardeen）开始了对具有半导体特性的晶体的研究。肖克利提出了研究框架，巴丁精通固体物理学理论，布拉顿最擅长实验操作，三位科学家珠联璧合。布拉顿和巴丁通过实验发现，只要两根金属丝在半导体上的接触点距离小于0.4毫米，就可能引起放大效应。当他们用一些金箔、一些半导体材料和一个弯曲的别针来展示他们的新发现时，代表数字化革命的一种新的器件诞生了，这种新器件被命
7、名为“晶体管”。当时，贝尔实验室的研究人员已经看出了晶体管的商业价值，为写专利保密了半年之后，于1947年12月23日公布了晶体管的发明。随后各种型号的晶体管大量涌现，它不仅能够替代电子管的功能，而且体积小、寿命长、不发热、耗电省。为此，肖克利、布拉顿和巴丁分享了1956年诺贝尔物理学奖。晶体管的发明是20世纪电子技术上的重大突破，它不仅是一种器件代替另一种器件，更重要的是为集成电路的出现拉开了序幕。2、集成电路的产生 1952年，英国科学家提出将电子设备做在一个没有导线的固体块上，这种固体块由一些绝缘的、导电的、以及放大的材料层构成，成为一个不可分割的整体。这就是最初的集成电路设想。 195
8、7年，英国科学家在硅晶片上，制成了触发器集成电路。 1958年，以诺依斯为首的美国仙童半导体公司，提出了利用半导体平面处理技术在硅芯片上集成几百个，乃至成千上万个晶体管这一闪光的设想。 1959年美国德克萨斯仪器公司的青年研究人员基尔比（J.Kilby）采用平面处理技术，成功地将晶体管、电阻和电容等20多个元件集成在不超过4平方毫米的微小平板上。这种由半导体元件构成的微型固体组合件，被命名为“集成电路”（IC）。基尔比于1959年2月6日向美国专利局申报专利。1959年7月30日，美国仙童公司的诺依斯研制出了一种特别适合于做集成电路的工艺，为半导体集成电路的发展奠定了坚实的基础。同时，也申请到
9、一项发明专利。基尔比被誉为“第一块集成电路的发明家”，而诺依斯被誉为“提出了适合于工业生产的集成电路理论的人”。他俩同是集成电路的发明者。 集成电路的发明导致了电子技术发展的飞跃，使电子技术进入了微电子技术的新阶段。集成电路一出现就以十分惊人的速度发展。50年代是小规模集成电路的发展时期。60年代是中规模集成电路的发展时期。70年代是大规模集成电路的发展时期。1970年，在一只芯片上已能集成1500个晶体管。到70年代末已经开始出现集成度在20万以上的超大规模集成电路。80年代是超大规模集成电路的发展时期。在80年代末集成度已开始超过100万的大关。1989年美国英特尔（Intel）公司的80
10、486芯片容纳了120万个晶体管。90年代集成电路的集成度仍在不断提高。日本利用亚微米技术，已在一个宽1厘米、长2厘米的芯片上集成了1.4亿个电子元件。到1993年已经出现集成度为5.6亿的芯片，元件所占的面积及元件之间的连线细到0.25微米。（1微米米）。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。从集成电路的线宽来看，国际上的生产技术已达到13090纳米，在实验室70纳米的技术已经通过考核。05年在北京建成投产的（中芯国际）已进入130纳米。因而，我国的微电子集成电路生产技术同国外的差距也缩短到12代了。 四、微电子技术的摇篮硅谷在美国加利福尼亚州的旧金山
11、以南有一个狭长的山谷，这里空气清新、气候宜人。20世纪初，此地果园葱葱，是闻名的“心悦之谷”。今天，硅芯片的生产成为当地高科技产业的主导产品，硅谷也成为高技术产业的代名词而享誉世界。作为微电子技术的摇篮、微电子革命发源地的硅谷具有一种神奇的魅力。硅谷产生了许多影响世界的发明家和技术发明。如：仙童公司的世界上第一块硅集成电路、英特尔公司的世界上第一个微处理器、苹果公司的个人电脑，还有电子游戏机、无线电话、电子手表等等，这些对人类社会产生深远影响的发明，都是在硅谷诞生的。硅谷有一种特殊的氛围，激励人们去创造。 硅谷汇聚了技术和人才。硅谷的知识和人才的密集程度之高在美国首屈一指。20世纪初，硅谷的斯
12、坦福大学的电子工程系，已成为世界电子学的中心。电子三极管的发明人弗罗斯特来到这里、被称为“晶体管之父”的肖克利从贝尔实验室回到家乡创业，他们的声望吸引了全美国电子学领域的年轻精英聚集硅谷。 硅谷具有良好的外部环境。硅谷发展成为美国电子工业最大的研究和制造中心、高技术的摇篮，成为闻名世界的科技工业园，与加州政府长期注重科技工作和倡导科工贸相结合的努力是分不开的。 完善的投资环境和风险投资机制使硅谷成为思想和技术冒险者的天堂。在硅谷有许多著名的风险投资公司，它们为硅谷科技产业的发展做出了重要的贡献。英特尔公司的创始人诺依斯曾经说过，他从风险投资家亚瑟罗克那里“只用五分钟就筹齐创建英特尔公司的资金”
13、。风险投资家投入资金，帮助公司上市，然后获得利益。鼓励冒险、刺激创新、容忍失败、绝少束缚的氛围形成了硅谷独特的文化。这就是创新。企业在创新中实现梦想，人在创新中实现价值。创新像基因，植根于每一个硅谷人的身体。创新像空气，滋养着每一个硅谷人的生命。当你天天接触着别人更新、更快、更大胆的想法时，你的眼光自然在变宽，你的灵性自然被点燃，你的想象力和创造力自然在增值。以美国高科技中心硅谷为蓝本，引进世界各知名企业及高科技公司的技术、资金以及先进的管理模式是实施中国硅谷计划的初衷。丰厚的资源优势和政策环境使美国硅谷许多公司将目光投向了中国。随着硅谷（中国）发展有限公司和北京经济技术开发区“中国硅谷城”国
14、有土地使用权预约合同的敲定、总投资达1.7亿美元的电脑软件生产基地、电子媒体出版系统等项目的正式签约，落户在北京经济技术开发区的中国硅谷城已初具规模。 五、微电子技术的地位和应用 微电子技术是各种高科技中的关键技术，也是衡量科学技术水平的重要标志。 1、微电子技术已成为一种既代表国家现代化水平又与人民生活密切相关的高新技术 从计算机、通讯卫星、信息高速公路、军事雷达，到程控电话、手机，从天气预报、遥感、遥测，到闭路电视、激光唱盘、数码相机、摄像机，从医疗卫生、能源、交通，到环境工程、自动化生产、日常生活，微电子技术深入各个领域。洗衣机、电冰箱、空调、电饭煲等加上芯片就能更好地为人们服务；一片小
15、小的心脏起博器，可以让心脏病人正常生活；小汽车中的微电子产品只占成本的1015，它却可以使小汽车灵巧方便、可靠、节能。微电子技术在人们生活中无处不在，人们在解决了温饱问题后，微电子产品便成为人们追求的主要目标。因此，微电子技术不仅推动着一个国家现代化建设的步伐，同时，提高了人民的生活质量，满足了人们日益增长的物质需要。 2、引进微电子技术是企业技术改造的关键 一个企业要发展、要新生、要获得竞争力，首先必要的措施就是引进微电子技术。例如：当普通机床引进微电子技术成为数控机床后，其加工效率和精度大幅度提高；传统的纺织工业引进微电子技术后，不仅生产效率和质量大幅度提高，同时，新产品、新款式层出不穷等
16、等。微电子技术与传统技术相互渗透、相互结合，成为新技术、新产业产生的摇篮。例如：微电子技术与生物技术结合，形成生物电子技术；微电子技术与能源技术结合，形成能源电子技术；微电子技术与医疗技术结合形成医疗电子技术等等。一方面，企业的技术改造引进了微电子技术后大大增加了生产力，另一方面，微电子技术与传统生产技术结合而产生的新技术、新产业，又创造了新的生产力。因此，微电子技术对我国工业、农业等各个行业生产技术现代化水平的提高具有重要的作用。 3、微电子技术在国防现代化建设中具有重要的作用 在军事上，微电子技术的引进已成为现代化军事装备的一大特色。有人说海湾战争是硅片战胜了钢铁，联合部队在发起进攻之前，先摧毁了伊拉克的通讯指挥系统，使伊拉克的庞大队伍失去了指挥，成为一盘散沙。巡航导弹超低空飘游，穿堂入室，以难以置信的准确度打击目标，这一切都是制作在小小的芯片上的集成电路在起作用。因此，一个国家要强盛，要有尊严地立于世界之林，必须发展微电子技术。
