真空微电子学的崛起

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1、真空微电子学的崛起1.微电子学的出现、发展及其困境本世纪初出现的电子管在无线电通讯、雷达等方面的应用起过重大作用，尤其是在第二次世界大战期间，真空电子学取得了长足进展.但由于真空电子管体积大，速度慢.功耗高、迫切需要用新的器件来代替，这对战时需要尤为迫切.这一要求直接导致了1947年贝尔实验室的半导体晶体管发明.与真空电子管相比，晶体管体积小、重量轻、功耗低=这一划时代的发明给当今人类社会创造出了巨大财富.晶休管发明的理论基础是以M子力学建立起来的能带论.为此，贝尔实验室的肖克莱(Shokley)、巴丁(B

2、ardeen)和布拉圯(Bratain)因发明晶体管而获1956年的诺贝尔物理奖.晶体管出现的初期，并未得到人们足够的重视，连《纽约时报》也仅仅在晶体管发明的七个月后才用很小的一点篇幅登载了这一消息.但在1958年仙童公司的诺伊斯发明了集成电路后、电子学也就开始f翻天覆地的变化.集成电路的发明正是微电子学出现的标志.由于集成电路将分立的晶体管.电阻.电容等元件集成在一起、不仅是电子系统的体积缩小，而且也由F焊点数大为减少，电子系统的可靠性提高.在五十年代未到八十年末，以半导体为基础的新器件不断现出，如P-N

3、结隧道效应(江崎二级管)、半导体激光器.MOS器件等.其中PN结隧道效应不仅是一些微波半导体器件工作的基础，也为本世纪初出现的量子力学提供了直接证据，为此江崎在1973年获诺贝尔物理奖.集成电路的快速发展，对计算机、通信、雷达、自动化及日常消费品等领域产生了巨大冲击.国外在八十年代有一些专著如《微电子技术浪潮》、《微电子学与社会》等问世，专门讨论微电子学对当今社会的影响.由r.微电子学以硅材料为基础，所以我国有位专家认为人类先后经历了石器时代、铁器时代，现在是硅器时代i可见微电子学正在逐步改变人类的生活。微

4、电子学的核心是集成电路，集成电路的发展则是以提高集成度、速度等，或者说提高器件的性能价格比为主要方卩

5、丨.正如丨975年莫尔指出的那样，集成电路的集成度OCVD、MBE、X光光刻等等.超大规模集成技术的发展不仅为缩小器件的尺寸提供了强有力的手段，也为新的器件.材料制备提供了可能，如超晶格、真空微三极管等。集成电路的集成度提高并不是无止境的，八十年代初期，美国一些名牌大学的博士论文就开始探讨集成电路的极限.能量守恒定律、热力学统计物理中的载流于涨落和量子力学遂道效应是器件最小尺寸的基本限制。人类不仅满足现在，

6、而且要探求未来.空间技术、海洋工.程、机器人等要求器件在超高速、极低温、极高温、高辐射环境中工作.尽管一方面对固体电子器件在这些环境中作了不少工作，如八十年代西德的克利青(Klitzing)对MOS晶体管在强磁场、超低温下的实验，发现了“量子霍尔效应.使当代物理学的基本常数测定更为精确而获〗985年诺贝尔物理奖.另一方面，也在探求新的材料与器件，如HEMT(高电子迁移率晶体管、SOI(绝缘体上硅))，GaA,SiC等等.但由于载流子在固体中运动，所以，因受到声子，杂质等散射而使饱和漂移速度都小于5xl07c

7、m/s;因在极低温度下，器件中载流f会“冻结”而不能工作(或者说导带中无电子而呈绝缘体);在极髙温度下，器件中载流尸“热激发”太多使器件失效;在高辐射环境中，射线穿过固体产生电子一空穴对、及晶格位移等而使器件失效。显然，由于电子在固体中传输，在这些环境中的应用面临困境.而电子在真空中的输则不存在上述问题，真空中的电子速度理论极限是光速3xl01Qcm/s,实际上也已込6〜9x丨〇8cm/s.因此，面临新的应用，以半导体为基础的微电子产业呼换着真空微电子学.2.硅微机械加工技术的成熟六十年代和七十年代，集成电

8、路工艺和计算技术的快速发展已经使复杂的数据处理简单，精确，电子学许多新的应用障碍不再是微处理器或存储器，而是与之有关的接口功能，尤其是需要把电子系统与非电世界联系起来的传感器和执行器.传感器并不是什么新的术语，从事电子学及与电子学有关的人都知道这个名词，但传感器突飞猛进的发展还是八十甲K初的事。由于七十年代以前，电子学发展对低成本传感器和执行器的要求并不迫切，因为即使在需要这种元件的电子系统中，往往只需很少几个，整个电子系统的成本相对较高，几个传感器的高成本并不能对系统成本产生重要影响，因此，传感器的执行器

9、的发展维持在小批量、高成本、非标准化、可靠性低且单个校准的水平上，这种状况非常类似于真空电子管.由于电子学格局的变化，对低成本、髙性能传感器的需要，七十年代末及八十年代初，传感器及执行器的研究异军突起.正象当年把分立的器件集成在一起形成集成电路那样，人们有理由也把传感器与集成电路结合在一起形成集成传感器或集成执行器.这种作法之目的在于要借助超大规模集成技术，使传感器形成产业化.超大规模集成技术通俗地讲基本上是一种