物理学与微电子科学技术的发展研究论文

时间：2021-03-08 19:46:11 物理学毕业论文我要投稿

物理学与微电子科学技术的发展研究论文

　　【摘要】：开创时期的微电子或半导体只是物理学的一个分支，换句话说，微电子学的基础是近代固体物理。在高速度的发展进程中，微电子不断的推进了物理学的进展。由此，在此过程中，技术科学和基础科学相互结合，紧密相连，形成了具有现代化特色的“时代感”。在进一步拓展的过程中，微电子研究和物理学，正在酝酿着一次新的革命，并在物理学研究的背景下理解微电子的发展动向。并且晶体管、集成电路、MOS 器件、微处理器等成为了里程碑里重要的研究和发明，为物理学的研究提供了崭新的技术基础。微电子学也正在向着材料、工艺和物理基础等方面迎接新的挑战，呈现多维发展的趋势。

物理学与微电子科学技术的发展研究论文

　　关键词：物理学；微电子；科学技术

　　1.探索微电子技术在新时代的发展基础

　　随着科技的不断进步，信息和材料、能源成为了“新时代”的重要资源。信息是客观事物的状态及其运动特征的普遍形式，在一定基础上具有一定的形态。包含了信息采集、处理、传输、存储、执行、显示等过程中。在数字化和网络化特征的渗透下，改变了人们的生产和生活方式。例如：计算机的诞生，第一台计算机ENIAC 问世，占地面积就150平方米，不仅价格昂贵，运行速度缓慢，纯储量较低。这样的计算机怎么才能进入实际的生活和工作？这些正是在微电子技术的推动下，才有了今天的此种成就。

　　微电子学也是卫星电子学，是脱离了电子学和固体物理学的一种交叉性学科。主要研究的领域是固体材料上构建的微小型电子电路和子系统及系统的学科。不仅面临着来自于技术、材料和基础理论等限制的挑战，还期待着对新材质的又一次飞跃。微电子技术是在应用社会需求的'推动下，按照摩尔定律，进行实现创新和发展。总结集成电路的出现，对未来的发展道路有了一个总体性的定位，即集成电路的集成度。目前的形势下充分体现了微电子技术在整个信息社会发展的过程中起到了重要的推动作用。利用集成电路获取信息、传递、处理、存储、交换等功能，在如此强大的功能下，却处于了成本低、高可靠性、大批量生产、耗能低、体积小的特点。正因为这些特点，让微电子技术涉及到了现代化农业和国防、科学技术上去。由此可见，微电机学是物理学发展和突破的基础，两者之间存在这紧密的联系，在微电子基础促进物理学研究的同时，物理学也为其發展提供了广阔的发展空间。

　　2.基于物理学领域下的微电子诞生和突破

　　以半导体晶体管为基础的微电子学，是微观物理世界的重要发现。20世纪30 年代，量子力学代表着物理学的完善及其成熟，也为晶体管的出现奠定了基础。1924 年衍射实验证实了电子的波动性概念。四年后又出了电子的费米-狄拉

　　克统计理论。接着又是三年，提出了固态半导体的量子力学理论。1939 年第一次提出了空间电荷区理论；1947 年具有放大和功率增益性能的点接触二极管诞生了；1948年，肖克莱完成了晶体管的三个基本概念，次年发表论文。并于1950和1952年制得了锗、硅单晶，接着是合金法制成了锗，扩散型基区台式晶体管。指导1956年微电子学的诞生。由此可见，晶体管的发明是在社会需求的作用下产生的。

　　3.微电子技术和物理学进展的相互融合

　　集成电路是将晶体管等元件进行科学集成，并于1952得到了提出。是爱宝电子管和电阻、电容等元件焊装在一起，构建具有一定功能的电路系统。就像以上所提到的世界上第一台计算机ENIAC，就是利用这个电路系统，不断连线和焊接点增加，在复杂的设备线路下，形成了庞大的系统。“集成”的出现，让人类的生活和生产步入了小型化的世界里。在以往无法解决的问题中，现在采用全半导体连接的方式为全半导体化提供了新方法。Kilby 完成了集成电路的创新思维过程，利用分离硅元件和生长结晶体管等搭成一个全半导体化的实验装。实现了可行性，也是第一个集成电路的诞生。集成电路是一个技术的创新，也是在物理分析的过程中实现技术创新的。2000年Kilby也因此获得了诺贝尔物理学奖。此外，平面技术是推进集成电路产业化的关键性技术，实现了氧化、扩散等技术。Fuller及其同事，在气相到固态杂质扩散中，为形成 p-n 结技术做了系统的基础工作，并进一步，对二氧化硅特性进行了深入而系统的研究。在平面工艺中，光刻技术是一种精密的表面加工技术。1957年，DOF 实验室首次提出了半导体工艺技术，实现了精细晶体管和集成电路图形结构，有机的将光刻技术和二氧化硅氧化掩蔽融合起来。让集成电路中主流光刻技术成为了超深亚微米量级重要应用。

　　其中，金属→氧化物→半导体场效应晶体管器件的出现，是微电子技术的另外一个里程碑。并在此基础上，提出了场效应晶体管的理论。目前，半导体工业发展中，95%以上的集成电路产品都是采用 CMOS 结构进行拓展的。1971年第一台微处理器诞生以后，就一直集中在大、中、小型机中被应用，主要运用于军事和航空、航天、天气预报、科学计算等方面，直到1998年微机在全世界的占有率已经高达3.7 %。由此带动了智能化的发展，同时也为物理学及其实验技术提供了新的发展。接着计算机辅助设计（CAD），对器件和电路、工艺等领域进行深化的发展，把量子隧穿效应应用到半导体存储器领域。20 世纪 80 年代，随着新材料和新物理效应的出现，高性能铁电材料如 PZT 和 SBT呈现到了大家的面前，微电子技术也进入了第二发展期。紧接着铜互连技术的发明，在微电子技术中，起到了承上启下的重要性作用，解决了铜污染的问题。微电子技术对物理学研究工作，不仅起到了推动性作用，还让物理学的研究呈现了更为广阔的空间。

　　4.微电子技术发展的物理限制和相互作用

　　从基本物理规律的限制上看，不管是计算机还是集成电路，都是采用器件结构和工作原理，实现了信息处理的过程。其中还存在着不少物理性限制，包括电磁学和热力学等，并呈现了微电子技术的物理极限状态。从材料方面的限制看，如硅衬底材料、二氧化硅绝缘材料等无法满足新时代的需求。目前SOI，Ge-Si ， Ⅲ-Ⅴ族等实现了新材料在微电子技术当中的主要应用。从技术方面的限制看，像光学光刻工艺这样的工艺技术已经成为了物理技术的极限，EUV 光刻和纳米印制光刻技术等为新一代的光刻艺术提供了应用基础。从器件方面的限制看，MOS 器件开关已经过时，采用新的器件结构和工作原理成为了势在必行的责任和义务。从系统方面的限制看，微电子学的理论基础属于典型物理理论的范畴。随着器件尺寸的进一步缩小到纳米尺度同时，微电子技术的发展呈现出多维发展的模式。例如：微电子技术与机械学光学结合的微机电系统（MEMS），

　　总结：随着科技的不断进步，微电子技术经历了重要的三个发展阶段，并在每一个阶段都体现了突出性特征，并在此基础上，从单一的发展向着多元化的发展趋势进行转变，同时与物理学基础相辅相成，为以后的进一步拓展提供了良好的基础。

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