光在集成电路中的应用
一、集成光电子的概念及研究意义
21世纪，人们将迈入一个高度信息化的社会。信息时代的特征是：信息大爆炸、信息传递非常快捷、信息处理十分迅速。其量化的标志是三“T”：信息传输速度将达到每秒万亿比特（Tb/s）；基于网络高速互联的计算机在人类活动中发挥着无与伦比的巨大贡献，单个计算机的数据处理速度将要达到每秒万亿次（T/s）的量级；超高密度的光存储技术将把海量信息浓缩在一片片小小的存储介质之中，单片存储器的存储容量将达到万亿字节（Tb）。由Tb/s信息传输、T/s信息处理、Tb信息存储所构成的三“T”模式将成为人类数字化生存最显著的标志。
由此可见，光电子技术在未来的信息社会中必将扮演重要的角色，将成为21世纪科技发展的基石和支柱之一。而这些都离不开集成光电子学的发展。
我们说20世纪是电子世纪。电是由电子传导的，电子带有电荷，电子的运动及电信号易受电磁场干扰；电子具有有限的质量和惯性，因而电子传输信号的速率也受到限制。而光波是波长非常短、频率极高的电磁波，光子的静止质量为零，因而光传输的速率为光速，非常高；光子又是一种电中性粒子，因此光子的运动及光信号不受电磁场干扰。而电子学的发展又为我们更好地控制和使用光波奠定了基础。第一，利用微电子学中的半导体p-n结和谐振腔相关技术产生激光，而且这种激光易于用电的方法控制；第二，利用电子学中的电磁波传输原理，发展包括光纤在内的光波导，实现光信号的传输包括远距离传输；第三，电子学在发展过程中所发展起来的整套电子学技术，包括真空电子技术、半导体技术和光电-电光转换技术，架起了电子和光信息技术的桥梁。凡此种种使得光电子技术在信息领域的应用中迅速发展且有独特的优势。
集成光电子学集中并发展了光学和微电子学的固有技术优势，将传统的由分立器件构成的庞大的光电子系统变革为集成光电子系统。由光电子学材料、光电子器件以及光电子器件集成化这三部分内容构成的集成光电子学系统具有宽带、高速、高可靠、抗电磁干扰、体积小、重量轻等优点，可以被广泛用于光纤通信、信息处理、传感技术、自动控制、电子对抗、光子计算机等高技术领域。集成光电子学已成为现代光电子学的一个重要分支，各国从事光电子、光信息系统研究的专家、学者都意识到了集成光电子学系统的重要性。
采用光纤连接可带来如下的优点：
（1）电磁干扰小。这是因为在光导纤维中传输的光信号通常不会与在其附近出现的电信号相互作用。在彼此邻近的两根光纤之间也不会有显著的耦合。
（2）因为在光纤中没有电流流动，不存在电的短路或接地问题。
（3）在易燃区安全，不像电线或同轴电缆那样有发热及产生花火问题。
（4）传输损耗小。光纤的损耗在一个相当宽的波长范围内非常小。而双绞线电缆及同轴电缆的损耗随频率增加而迅速增加。
（5）保密性好，难以窃听。
（6）尺寸小，重量轻。
SiO是一种低廉而富的材料，（7）价格低廉，原材料丰富。制造光导纤维所用的
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而产生电线所用的铜则是日益稀缺的材料，其成本不断增加。
（8）带宽很宽。同样的传输长度，光纤的传输带宽为10GHz甚至更高，而同轴电缆只有50MHz左右。因此，光纤的整个带宽可以用来同时传输许多信号。而且光纤很细，这
就意味着，即使不考虑其他方面的改善，经过相同横截面的传输通路，利用光纤可以传输
的信号大约为用同轴电缆的410倍。
集成光电回路和集成光电子体系比集成电子体系具有更大的优越性。虽然计算机已经进入大规模和超大规模集成电路的时代，但计算速率始终局限在电子学所能达到的范围，而光
子计算机的理论计算速率可高达1010次/秒至1110次/秒，存储容量达到Kb 1018。它比目前
计算速率最快的电子计算机高一百倍到一千倍，存储容量大一百万倍。如果用集成光电回路来实现光信号的逻辑运算、传送和处理，则可制成体积小、速度快、容量大的“全光计算机”。光子计算机比电子计算机有着并行处理、信号互补干扰、开关速度快、光速传递、宽带以及信息容量极大的优点。
集成光电回路具有同光纤类似的特征带宽，而且两种情形中的载体都是光波而不是电流，这样就避免了导线固有的电容和电感导致的频率限制效应。在集成光电回路中可以方便有效地实现将许多信号耦合进一个光波导。除了能把许多信号耦合到一个光波导之外，集成光电回路还可以用调制功能方便地把光信号从某个波导通到另一个波导。这能够用电光、声光或热光调制等多种方式来实现。
目前，集成光电子学已初具规模，并在光通信及光信息处理方面显示出电子学无法比拟的优越性。不单是比分立光学元器件系统具有巨大优越性，作为一种信息的处理与传输系统，与微电子系统相比，集成光电子学系统也具有其固有的巨大优越性。其优点可以分为两个方面：其一是与用集成光电回路代替集成电路有关；其二则与用光导纤维代替电线或者同轴电缆有关。
集成光电子学是在光电子学和微电子学发展的基础上，采用集成方法研究和发展光电子学器件和复合光电子学器件系统的一门新的学科。集成光电子学的出现是光电子器件和电子器件本身发展的必然结果，它的发展受到了微电子集成电路技术的启发和促进。
传统的光学系统体积大、稳定性差、调整和光束的准直困难，不能适应现代光电子技术发展的需求。现代的光电子技术中，对于信号的产生与处理的方式与微电子学不同，这里有两个重要的改变：首先是用光导纤维代替通常的电线或者同轴电缆进行信息的传输；其次是使用集成光路取代通常的集成电路。在集成光路上，各光电子学元件成型在一个衬底上，用衬底内部或表面上形成的光波导连接起来。采用类似于半导体集成电路的方法，把光学元件和电子元件以薄膜的形式集成在同一衬底上的集成光电子回路。这样的集成器件具有体积小、性能稳定可靠、效率高、功耗低、使用方便等优点。
集成光电子学是当今光电子学领域的发展前沿之一，它主要研究集成在一个平面上的光电子学器件和光电子系统的理论、技术与应用，是光子学发展的必由之路和高级阶段。集成光电子学以半导体激光器等光电子元件为核心集成起来，并以具有一定功能的体系为标志。目前，主要是研究和开发光通信、光传感、光学信息处理和光子计算机所需的多功能、稳定、可靠的光集成体系和光电子集成体系(OEIC: optical-electronic integrated circuit)；把激光器、调制器、探测器等有源器件集成在同一衬底上，并用光波导、隔离器、耦合器等无源器件连接起来构成的微型光学系统称为集成光路，以实现光学系统的薄膜化、微型化和集成化。如果同时与电子器件集成，则构成复合光电子集成体系。集成光电子学的理论基础是光学和光电子学，涉及波动光学与信息光学、非线性光学和、半导体光电子学、晶体光学、薄膜光学、导波光学、耦合模与参量作用理论、薄膜光波导器件和体系等多方面的现代光学和光电子学内容；其工艺基础则主要是薄膜技术和微电子工艺技术。集成光电子学的应用领域非常广泛，除了光纤通信、光纤传感技术、光学信息处理、光计算机与光存储等之外，还在向其他领域，如材料科学研究、光学仪器、光谱研究等方面渗透。
提到“集成”，人们首先想到集成电路(IC: integrated circuit)。毫无疑问，现在和将来的信息化社会，在很大程度上依赖以硅技术为基础的微电子学技术。现代微电子学起源于1947年发明的晶体管。在晶体管诞生10年后，德克萨斯仪器公司的基尔毕(Kriby)发明
了集成电路。最早的集成电路，只不过是把一个晶体管用导线与几个电阻等元件连接。被集
10个元器件）。现在，集成电路仍然成的晶体管个数，到1997年已经达到了1G-DRAM（约6
以每3年增加10倍集成度的速度发展。微电子学的集成电路之所以取得如此爆炸性的进展，是由于充分发挥了集成化的优越性，从最早的去掉焊点提高可靠性开始，经过成品率和小型化的提高，从量的扩大引起质的变化“集成”成为了一种潜力难以估量的技术手段。目前集成光电子新技术自然还难以和微电子学集成技术相比较，后者已达到了很成熟的阶段。但是，从集成电路的飞速发展历程看来，我们有理由期望。在不久的将来，集成光电子学也会以迅速的速度实现高集成度、小型化、多功能化的目标。
目前集成光电子学也正以其独特的优点进入了迅速发展的阶段。所谓光电子器件，广义上讲是指通过以光电互相转换为主要形式的光效应完成信息或能量转换的功能性器件，它是光电系统及其应用的基础，它是光学和光电子学与其应用之间以及与其它学科之间联系的重要纽带，因此它对光学和光电子以及相关学科的发展起着关键性促进作用。集成光电子学的器件尺寸较大和集成度不高度一是困扰集成光电子学发展的一个重要问题。近来，微腔激光器、纳米光波导等新技术原理的出现为实现小尺寸和高集成度提供了理论基础，使得集成光电子学进入了高速发展的新阶段。
二、集成光电子的集成方式
目前已经研制成了很多对应于体分立光学元件的各种薄膜波导元件，如薄膜介质光波导、薄膜激光器、光耦合光调制器、光学双稳态器件、存储器等。包含多个元件的集成也已经实现，例如在同一个衬底上。实现激光器、光波导、探测器这三种典型元件的集成，多个分布反馈激光器的集成，多个探测器的集成，注入式激光器和场效应晶体管的集成等。集成光电子器件目前的集成规模，按集成的元件个数大约为几个到几百个。虽然不能和集成了上亿个晶体管的微电子器件相比较，但是和光学分立器件相比已经实现了小型化、低成本等技术飞跃。在光电子学的目前阶段，集成光电子学的重要性并不一定在于集成的规模。而且，集成光电子学不一定需要在一个衬底上集成所有光学元件；很多应用是有限几种元件的集成，甚至在一个衬底上做同种元件的集成。
集成光电子学器件的集成方式有两种：器件个数的集成和功能的集成。
1、功能集成
对于光电子学，所谓功能集成的发展方向就是通过把不同功能的元件集成在一起，制造出具有新的功能，或者功能强、性能高的器件。在集成电子学里，集成器件的最初目的是消除因元器件间连接引起的可靠性及其他问题。在光电子学集成特别是功能集成里，解决连接问题而引起的可靠性问题也是集成化的最初动机。和电子学中一样，伴随着“连接”问题的解决，可靠性问题也得以解决。分立元器件间的光连接主要用光纤、光波导等传输连接方式，以及直接向自由空间辐射光束连接等方法。无论采用哪种连接方法，都需要微米或亚微米级的空间连接精度。这种耦合调节需要花费大量的时间，而且难以保证连接精度，并使得制作成本加大。采用光电子集成，各光、电元器件间的连接，是通过微电子工艺的光刻技术及其后续工艺来实现并能够保证其连接精度的，这就可以将有关连接或耦合调节的工作时间大幅度地减少。这不仅可以降低成本，而且能够实现可靠性的提高。
利用功能集成实现的集成光电子器件或系统和分立元器件的单纯组合相比，集成化更容易实现小型化，低成本化以及高可靠性的目标。此外，光学系统的对准和对震动的敏感性等特有问题，在分立器件的光学系统中是很困难的问题，在集成光电子学中却可以很方便得到控制。在同一衬底上集成了半导体激光器和光调制器的带有调制器的集成光源就是功能集成
的典型实例。
以带有调制器的集成光源（如图1.1所示）和激光器与隔离器集成（如图1.2所示）为例，在10Gb/s以上的高速光信号光纤传输里，由电流直接调制引起的半导体激光器的波长不稳定即波长啁啾是限制传输距离的重要因素。为例解决这个问题，采用外部光调制器，用光调制器打开和关闭直流驱动的半导体激光器的输出光。在分立器件的组合中，取单独封装的半导体激光器和光调制器，把它们用光纤连接在一起（如图1.1（a）所示）。图1.1（b）是封装好的带有调制器的集成光源的实例示意图。通过图1.1（a）和图1.1（b）的对比可以看出，封装后，对于同一功能，集成的器件尺寸比分立元器件组合要小得多，紧凑的多。另外，对于光电子集成来说，比小型化更重要的可能是低成本化和高可靠性。由于图 1.3所示的激光器与隔离器集成可以隔离半导体激光器中反向传输的光，提高了半导体激光器的性能，实现了工作的高可靠性。
图1.1 高速光通信的光源及其形成示例
图1.2 半导体激光器—光隔离器集成示意图
由于现代通信对通信系统的容量和速率的要求越来越高，为实现全光波长转换、波长路由等功能，多波长光源和波长可调谐光源必不可少。多波长激光器可以利用波导光栅路由器和半导体激光放大器阵列进行功能集成实现。波长可调谐光源可以使用半导体激光器与光纤光栅结合而产生波长调谐功能。另外，将半导体激光器、光接收器及输出光信号和接收光信号的分波器集成在一起的光收发信号器也是功能集成的重要例子。在本书的后面章节中，很多器件是利用功能集成实现了新的功能。
2、个数集成
除了功能集成外，还有把多个同样的光电子元器件集成的所谓个数集成。作为典型例子，
有集成多个半导体激光器或光接收等器件的阵列器件（这称之为光互联），同时并联连接到计算机或者交换机等，作为并联光输出的光源或者光接收器使用。在一列上集成十至数十个元器件时，称为一维阵列器件；而在一个平面上纵横集成十至数十个元器件的，称为二维阵列器件。图1.3是阵列器件的示意图。图1.3（a）为一维阵列器件，图1.3（b）为二维阵列器件。图1.4是一种个数集成矩阵式光开关的原理图。这是把多个输入光转换成多个输出光的路由光开关，是光信息网络里不可缺少的器件。在这种矩阵式光开关里，只是简单地集成多个转换光通道的元器件，根据路由光开关的光路构成法则由光波导进行各个光开关间的连接，来实现多通道的转换。例如，在8通道矩阵式开关里要集成64个开关元件并需要用光波导来连接。
图1.3 阵列集成光器件示意图
“个数集成”的最大优点是，把多个同样的器件集成在同一个基片上，实现了大幅度的小型化。例如，对于16通道并联传输用的光发射器，比较下列二种情况就可以看出上面的优点。一种方法是把图1.2（a）所示的封装好的半导体激光器组件排列16个；另一种方法是在集成了半导体激光器的半导体激光器阵列芯片上阵列光纤的并列传输光源。另外，制作阵列芯片上连接阵列光纤的组件的成本远低于制作16个单个组件所需要的成本。所以集成化的低成本也是一大优点。“功能集成”的高可靠性来着减少了连接点而导致的高可靠性。在“个数集成”中，在光集成器件内含有多个半导体激光器及光接收器等，所以芯片的自身可靠性比单个器件的可靠性要求更苛刻，因此，这种情况下不能一概而说由集成化带来高可靠性。在这种并联传输中，作为光收/发信号器用的阵列器件，在同一衬底上还集成了驱动半导体激光器的驱动电路和放大接收信号的放大器，所以小型化的优点更明显。这些都是光电子集成体系的重要指标。
图1.4 矩阵式光开关示意图
三、光电子集成的途径
在高度信息化的时代，数据流量不断增长，对于处理庞大数据流的先进的光通信系统的要求也在不断增加。这些系统要求成本低、功能强的光学体系；要将传统的光学体系建立在由大量组件组成的，含有激光二极管，透镜，反射镜、棱镜与光纤等光学元器件的基础上。这些元器件还需要有特殊设计的光具座或者载体以构成模块；其组件要通过精密的对准步骤进行监控。这个步骤虽然确保了微米或亚微米级的对准精度，却复杂而又耗费时间，所以就很难使常规的光学体系减少成本。此外，使用微型光纤体系作为高功能器件，如多通道的波长或者频率选择器件等，是非常难以实现的。
为了克服以上问题，必须开发一种新的光学体系技术，要求符合以下要求：第一，新的技术应减少光学体系组装成本，并适用于大批量生产；第二，应用范围广泛；第三，通常还希望光学体系的外形适合于电子组装工艺，因为目前多数光学体系都与电子电路组装到一起使用。
在微电子学领域，已经成功地提供了功能强大且成本低廉的大规模集成电路（LSI：large scale integrated circuit）。借鉴微电子学的经验，光电子集成也把无源或有源光学元件与电子元件一起集成在衬底或芯片上。
光电子集成有两个途径。一种是在半导体衬底或光学晶体衬底上，只经过制作工艺，把所有元器件集成在一起的“单片集成”。另一种是用不同的制作工艺制作各部分元器件以后，组装在半导体衬底或光学晶体衬底上的“混合集成”。混合光电子集成，广义上也包括把小的单个光学与电学元件用光学粘接剂固定在一起的光电子器件/回路。
表1.1对单片集成和混合集成作出了比较。混合集成可以实现作为基础体系的光波导和有源器件较自由的结合，所以很有可能成为实现各种功能的光电子集成器件。相反，因为单片集成用生产工艺来决定一切，所以一旦技术确定下来以后，可以大幅度地减低成本，与芯片的小型化结合会有广泛的应用。通常，我们希望能较好地结合两种集成形式的优点、特点，制作出在光电子学发展中起重要作用的器件。
表1.1 单片集成与混合集成的比较
1、单片集成
所有的光电子器件或系统，一般均要经过晶体生长、光刻、刻蚀及成膜等制作工艺而制成。一旦制作工艺技术确定，便可进行大批量生产以实现低成本，是很有前途的集成形式。单片集成的有关工艺在硅系微电子学里已经很成熟。在光电子学里，根据将来的发展趋势，对单片集成已进行了广泛的研究与开发工作。
单片集成的一般优点由于集成电路和大规模集成电路而变得众所周知。集成电路已经经历了几十年的连接技术开发和工业生产。单片光电子集成曾一度被认为可以效仿集成电路的开发与制作。然而，在纯的电子集成与光电集成之间，有根本的不同。对于电子集成，绝大多数功能都可以在硅芯片上实现；电子集成的关键部件是晶体管，且集成密度越来越高。而
LiNbO等。因为大多数集成光学功能的实现则使用各种不同的材料如半导体，石英玻璃、
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光电回路需要一个电源，所以很多单片集成光电回路只能制作在有源半导体材料上。虽然可LiNbO等无源材料作为衬底，但这时必须设法用光学或机械方法把外部光源以采用石英或
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（半导体激光器）耦合在衬底上。光电子集成有源材料或材料组分的不同，会表现出不同的能级间隙和不同的折射率。很多情况下光电子集成还要求还要求同时达到光学的、光电的、电学的各种性能。所以，与集成电路和大规模集成电路相比较，光电子器件的集成显得更为复杂。目前单片集成可以达到的元件个数、密度也受到限制，这是因为光路元件通常要求一定的尺寸。例如，波导的横向尺度必须大得足以形成传播模；某些光路元件（如Y分支或定向耦合器等）要求具有足够的长度；输入与输出波导的间隔应大于所连接的光纤的直径等。此外，光组件最终通常需要采用光纤连接，以便信号输入输出。这就要求光纤到单片集成体系的对准精度很高。
因此，鉴于光电子器件在工作原理、所用材料、元器件间连接及应用市场规模等与电子器件说的不同，需要采用与电子器件不同的方法和对策。现在，集成光电子学器件多数处于研究开发阶段，部分单片集成器件研究开始实用化。
与混合集成相比，单片集成性能更稳定，这相当于提高可靠性与降低成本。但单片集成需要注意的是，不同的组件安置得相互很靠近的话，需要考虑相互之间的串扰（电的、光的、热的）。
2、混合集成
在器件制作、装配技术基本成熟的条件下，光电混合集成技术能够提供各种光体系。当今，光通信系统要求各种类型的光体系，它们不仅成本低廉而且功能强大。目前已经提出的几种光接入网方式，它们正随着实现所谓的光纤到层（FTTF：fiber to the floor）、光纤到办公室（FTTO：fiber to the office）或光纤到户（FTTH：fiber to the home）的光通信网的目标而发展。成功普及利用这些网络的关键，是找到减少成本建设的方法。其障碍之一，就是常规光体系成本较高。此外，随着多媒体技术的发展，通信流量的增长要求有高性能的光传输、连接与开关系统。这些系统使用波分复用（WDM：wavelength division multiplexer）和时分复用（TDM：time division multiplexer）来使其运行流量扩展到每秒万亿比特范围。所以，它们需要功能很强的光体系或者光电体系，能用波分复用和时分复用处理光信号。这些体系必须提供多方面的功能（如提供光路由开关与波长选择，多波长光信号之间的变换）。
人们期待混合集成技术对这些光系统提供微光组件。不仅是较简单的传输体系，而且还有用于光信号处理的多功能的体系，都可以通过混合集成技术来实现。图1.5是混合集成的一个典型例子。这是在硅衬底上形成的，石英系光波导上安装芯片的双向光通信用收发器的
图1.5 一种混合光集成示意图
光器件单元。半导体激光器、接收器等有源器件和搭载它的光波导基础光路采用不同的工艺制备，分别选择各自最合适的材料与最合适的器件形式；这也是混合集成的最大特征。其结果是，大多在研究初期就可以得到满足实用化条件的性能。在这个例子中，光波导基础光路采用了可以制作光波导的石英作为衬底，在其上附上了InP 系半导体激光器和光接收器等。有源光器件和光波导间的精密的位置调整和固定是混合集成低成本的关键。除了上述形式的混合集成光路以外，有的还附装一些集成电子电路，如在光路上附装驱动光路中有源光器件的电路，或附装放大经光电转换后的电信号的电路。通过采用非常低成本的集成电路，如Si-IC ，可以实现整体低成本的集成光电子学器件
虽然混合光电集成被认为是很有前途的方法，然而在将光有源器件装配到无源波导衬底上的困难，却成为它发展的一个障碍。目前通过平面光波回路（PLC ：planar lightwave circuits ）平台的发展，无源对准技术和半导体器件都能适用于混合集成，这个困难正在被克服。图1.6是具有石英-硅台平面的所谓平面光波回路平台基本结构。这种用具有台面区域的硅代替常
图1.6 具有石英-硅台平面的所谓平面光波回路平台基本结构
规的平坦的硅衬底的平面光波回路平台由三部分组成：平面光波回路区、器件装配区和电导线区。在平面光波回路区中，埋入式二氧化硅光波导形成在台面硅衬底的基平面上。在平面光波回路平台上的光波导的传播损耗很小（<0.1dB/cm ）。器件装配区含有硅台面，硅台面对于光电器件起了对准面和散热器的作用。在硅台面上形成大约厚度为0.5m 的2SiO 作为
电绝缘层，而在硅台面上的2SiO 薄层上面形成的金电极与金锡薄焊料图形。通过设计使光波导区与光电子器件有源层距焊料表面的高度相同，通过把光电子器件倒置在焊料上，二氧化硅波导和光电子器件可以容易地垂直对准。在导线区，导线可做在石英层上，而不是硅衬底上。这是一个优点，因为在硅衬底上的导线对于高速电信号有很大的传输损耗和很大的电容，这主要是由于硅表面的微弱的导电性，这个问题可在平面光波回路平台中通过在石英层上形成导线解决。所以，平面光波回路平台还可起到作为对于光电子器件的优异的导线基板的功能。图1.7所示为一个带有平面光波回路平台的混合集成的波分复用收发机模块的配置图。一个1.3m μ模斑尺寸变换器（SSC ：spot-size converter ）-激光二极管（LD ：laser diode ）和两个波导（WG ：waveguide ）-光电二极管（PD ：photoguide ），其中一个用作接收机光电二极管而另一个则是监视器光电二极管，它们都是使用无源对准技术压焊在平面光波回路平台上形成的硅台面上的倒装焊芯片。平面光波回路平台包括一个1.3m μ/1.55m μ波分复用滤波器和一个用于1.3m μ光的Y 形波导。含有两个光纤阵列的光纤体贴在平面光波回路的一个解理面上。
图1.7 一种WDM 收发机模块的配置示意图
目前看来，在集成光电子学技术中，单片集成和混合集成各有特色，今后将会同时并进。包括半导体激光器/光调制器的单片集成中，半导体激光器今后将继续采用分布反馈布喇格光栅和多量子阱等结构，并对诸如阱层厚度、阱数等结构、性能方面做进一步改进。混合集成今后主要是利用平面光波回路的混合光集成，这种集成光电子学技术的特点是成本比较低，适于光用户系统使用。目前日本NTT （日本电报电话公司）正在对局部设封止盖的封顶发和用树脂隐埋光器件周围的浇注法和这些技术的可靠性进行研究。如果这些技术研制成功，混合光集成器件将会进一步降低成本。总之，为了满足日益增长的各种需求，今后集成光电子学器件都将继续朝着高速、高可能性、小型、多功能、扩大集成规模、提高产量、降低成本等方面发展。
四、光电子器件
1、纳米光电子器件：
1.1紫外纳米激光器
继微型激光器、微碟激光器、微环激光器、量子雪崩激光器问世之后，美国加利福尼亚伯克利大学的化学家杨佩东及其同事制作成室温纳米激光器。它在光激励下，发射线宽小于0．3nm ，波长385nm 的激光。这种氧化锌(ZnO)纳米激光器被认为时世界上最小的激光器，也是纳米技术的首批实际器件之一。由于能制作高密度纳米线阵列，所以ZnO 纳米激光器能
开发许多今天的GaAs器件不可能涉及的应用领域。这种短波长纳米激光器可应用于光计算、信息存储和纳米分析领域。
1.2 微型激光器
2010年左右，蚀刻到半导体上线条的宽度将窄到100nm以下。在这些电路中穿行的将只有少数几个电子，因此增加一个或者减少一个电子都会造成很大差异，这就明确地把片制造商放到了量子世界中。
1.3量子阱激光器
由直径小于20rim的一堆堆物质构成或者相当于60个硅原子排成一串的长度的量子点，可以控制非常小的电子群的运动而不与怪异的量子效应冲突。量子阱激光器是由两层其他材料夹着一层超薄的半导体材料制成的。处在中间的电子被圈在一个量子平原上，只能够在两堆空间中移动。这使得为产生激光而向这些电子注入能量变得容易一些。其结果是，用较少的能量可以产生较多的激光。
1.4量子点激光器
科学家们希望用量子点方法代替量子线方法来获得更大的收获，但是研究人员已制成的量子点激光器却不尽人意。原因是多方面的，包括制造一些大小几乎完全相同的电子群有困难。大多数量子装置要在极低的温度条件下工作。甚至微小的热量也会使电子变得难以控制，并且陷入量子效应的困境。但是，最近已制成可在室温下工作的单电子晶体管。不过很多问题仍有待解决。因此，大多数科学家正在努力研制全新的方法，而不是试图仿照目前的计算机设计量子装置。专家预言，有朝一日数以十亿计的量子点可能会堆在平常传统的硅片上，这有望成为一台尖端的超级计算机。这一前景使得量子点激光器成为最热门的研究开发课题。
1.5 微碟激光器
微碟激光器是贝尔实验室的Richart E．Slusber及其同事们开发出来的。运用先进的腐蚀工艺，刻出了直径只有几微米、厚度只有lOOnm的极薄的微碟。这些半导体碟的周围是空气，下面靠一个微小的底座支撑(类似于制造计算机芯片时使用的光刻技术)。由于半导体和空气的折射率相差很大，微碟内产生的光在此结构内发射，直到所产生的光波积累足够多的能量后，沿着它的边缘掠射出去，这种激光器工作效率很高、能量阈值很低，工作时只需大约100llA的电流。微控激光器时当代半导体研究领域的热点之一，半导体激光器的应用覆盖了整个光电子学领域。已成为当今光电子科学的核心技术。忧郁半导体激光器阵列在军事领域的重要作用，该类激光器阵列在工业、医疗、信息显示等领域具有广泛的应用前景，也可以用于军事上的跟踪、制导、武器模拟、点火引爆、雷达等诸多方面。
长春光学精密机械学院高功率半导体激光国家重点实验室和中国科学院北京半导体研究所制成了InGaAs／InGaAsP多量子阱碟状微控激光器。长春光机与物理所的科技人员在国内首次研制出直径分别为8IJm，4．5lJm和2 um的光泵浦 InGaAs／InGaAsP微碟激光器，其中2 ll m直径的微碟激光器在77K温度下激射阙值功率为5lI W，是目前国际上报道的最好水平；他们还在国际上首次研制出带有引出电极结构的电泵。
1.6新型纳米激光器
这种新型激光器实际上是以半导体硫化镉为原料制成的纳米线，直径仅一万分之一毫米。研究人员将硫化镉纳米线安装在涂有硅材料的基底上，制成一个回路。接通电源后，研究人员观察到，在一定电压下，电流通过硅材料流向硫化镉纳米线，纳米线的另一端随即发出蓝绿色的光。随着电流强度增大，光的颜色变得单一。波长也相当短。由于白炽灯泡和二极管发出的光波长都很好，因此研究人员断定硫化镉纳米线发出的光是激光。新型纳米激光器的技术关键就在于，它具备电子自动开关的性能，无需借助外力激活。由于光纤激光技术目前广泛应用于信息通讯领域，这一新的技术成果无疑会使纳米激光器的实用性大为增强。
2、光通信光电子器件
光纤通信作为当今世界走向信息社会的重要支柱产业，随着信息网络化的发展，对传输容量的要求不断提高，密集波分复用技术与时分复用技术的结合，已成为光纤通信发展的主流技术。
F—P腔 1.3um半导体激光器已成为常规商品，正在想可靠性低价位方向发展。在1.55umDFB激光器与1.3um大功率高线性度DFB激光分别在高速大容量光纤通信和CATV中得到广泛应用，特别的是用作DWDM的光源DFB激光器，在同一芯片上的多波长DFB-LD光源也在发展中。还应该提到的是，GaALInas激光器的发展使器件的温度特性得到很大的改善，目前温度特性已经达到125k。
3、光显示用光电子器件
显示技术是光电子技术应用范围最广产值最大的一个领域而半导体发光二极管则是光显示技术中最活跃的分支。
近年来AlGaInP材料的应用可以制备出重650nm到560nm的红、橙、绿LED。在最求显示的完美境界---全色显示中，长期以来受干扰的是蓝光的缺失。从禁带能量相宜而入选的材料有ZnSSe系和GaN系材料，前者在P-掺杂和降低位错方面有重大突破，但是因为可靠性问题而终难实现。后者则发展迅速，主要技术突破有岑迪的选择、双流生长MOCVD技术、超晶格缓冲层、横向外延OVERGROWTH等
1、讨论集成运放稳定性与闭环增益的关系，并简述相位补偿的方法。 由于运放电路是一个多极点高增益放大器，且一般都工作在闭环状态，所以在实际应用中有时会出现自激振荡，而使运放电路不能正常工作。 产生自激振荡的条件：A(j ω)F(j ω)=－1 其中幅值条件： A(j ω)F(j ω)=1 相位条件：()()0F 2n φωφωππ +=±± 只有同时满足幅值条件和相位条件，运放才会产生自激振荡，只满足其中条件之一，运放不会产生自激振荡。要使集成运放在闭环下能稳定地工作，就必须破坏产生自激振荡的两个条件或两个条件之一。所以运放电路闭环稳定工作的条件应为 ()()A .F 1ωω≥时，相移φπ<± 相移φπ=±时，()()A .F 1 ωω< 单极点集成运放最大相移为0 90-，所以单极点运放电路在任何反馈深度下都不会产生自激振荡。对于两个极点的集成运放，只有在频率f →∞时，相移才能达到0180-，而此时增益d A 0→，也不会满足自激振荡的振幅条件，所以也不会产生自激振荡，但由于集成运放中分布电容的影响，对于两个极点的运放电路也有可能产生自激振荡。对于三个极点的 运放电路，其最大相移为0 270-，其幅频特性和相频特性曲线如图1所示。 图1 三极点放大器频率特性
假设环路增益是与频率无关的常数，则环路增一为d A F ，取对数后为 d 120lg A 20lg F ?? - ? ?? 其中，d 20lg A 是开环增益频率特性曲线，120lg F ?? ??? 是反馈曲线。 当负反馈系数m F F =时，反馈曲线为M ，当环路增益为0dB 时，开环频率特性曲线与反馈曲线M 相交于m 点。在m 点，环路增益为1，满足自激振荡的幅度条件，m 点对应的频率为如为m f ，相应的相移为0 m 180φ<，不满足自激振荡的相位条件，既当反馈系数m F F =时，满足闭环稳定条件，所以运放电路工作是稳定的。 当增加负反馈深度时，反馈系数s F F =时，这时120lg F ?? ??? 将减小，反馈曲线M 变为曲线S ，曲线S 与开环频率特性曲线相交于s 点，设s 点对应的频率为s f ，如果当s f f =时， 相移0 180φ=，这时就同时满足了自激振荡的两个条件，运放电路在闭环时工作是不稳定的。 当在增加负反馈深度时，反馈系数n F F =时，这时120lg F ?? ??? 将会更小，反馈曲线S 变为N ，在反馈曲线N 上，总可以找到相移0 180φ=时的频率s f ，当s f f =时，这时既满足 自激振荡的幅度条件，又满足自激振荡的相位条件，所以当反馈系数n F F =时，运放电路闭环更不稳定。 由以上分析可知，集成运放反馈越深，既闭环增益越小，越容易产生自激振荡。 相位补偿的作用是用补偿网络来改变集成运放开环的频响特性，以增加负反馈放大器的相位余量。相位补偿的方法有滞后相位补偿、超前相位补偿。滞后相位补偿是通过相位补偿网络使放大器开环增益的附加相移进一步滞后。常用的滞后相位补偿的方法有：简单电容补偿、电阻电容串联补偿、密勒电容补偿等。它们的共同点是压低第一个转折频率，结果使反馈放大器的上限频率受影响，这是用牺牲带宽换取放大器闭环工作的稳定性。超前补偿则是在不压低第一转折频率的前提下，设法引入一个超前相移的零点频率，这样既扩大了 20dB/10oct -的范围，又有效地扩展了反馈放大器的上限频率，也就扩大了反馈放大区的 稳定工作范围。因为补偿后，第二个转折频率推迟出现，所以比未补偿时相位超前，故称为
集成电路的现状与发展趋势 1、国内外技术现状及发展趋势 目前，以集成电路为核心的电子信息产业超过了以汽车、石油、钢铁为代表的传统工业成为第一大产业，成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。1999年全球集成电路的销售额为1250亿美元，而以集成电路为核心的电子信息产业的世界贸易总额约占世界GNP的3%，现代经济发展的数据表明，每l~2元的集成电路产值，带动了10元左右电子工业产值的形成，进而带动了100元GDP的增长。目前，发达国家国民经济总产值增长部分的65%与集成电路相关；美国国防预算中的电子含量已占据了半壁江山（2001年为43.6%）。预计未来10年内，世界集成电路销售额将以年平均15%的速度增长，2010年将达到6000~8000亿美元。作为当今世界经济竞争的焦点，拥有自主版权的集成电路已曰益成为经济发展的命脉、社会进步的基础、国际竞争的筹码和国家安全的保障。 集成电路的集成度和产品性能每18个月增加一倍。据专家预测，今后20年左右，集成电路技术及其产品仍将遵循这一规律发展。集成电路最重要的生产过程包括：开发EDA（电子设计自动化）工具，利用EDA进行集成电路设计，根据设计结果在硅圆片上加工芯片（主要流程为薄膜制造、曝光和刻蚀），对加工完毕的芯片进行测试，为芯片进行封装，最后经应用开发将其装备到整机系统上与最终消费者见面。 20世纪80年代中期我国集成电路的加工水平为5微米，其后，经历了3、1、0.8、0.5、0.35微米的发展，目前达到了0.18 微米的水平，而当前国际水平为0.09微米（90纳米），我国与之相差约为2-3代。 （1）设计工具与设计方法。随着集成电路复杂程度的不断提高，单个芯片容纳器件的数量急剧增加，其设计工具也由最初的手工绘制转为计算机辅助设计（CAD），相应的设计工具根据市场需求迅速发展，出现了专门的EDA工具供应商。目前，EDA主要市场份额为美国的Cadence、Synopsys和Mentor等少数企业所垄断。中国华大集成电路设计中心是国内唯一一家EDA开发和产品供应商。 由于整机系统不断向轻、薄、小的方向发展，集成电路结构也由简单功能转向具备更多和更为复杂的功能，如彩电由5片机到3片机直到现在的单片机，手机用集成电路也经历了由多片到单片的变化。目前，SoC作为系统级集成电路，能在单一硅芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/O等功能，将数字电路、存储器、MPU、MCU、DSP等集成在一块芯片上实现一个完整系统的功能。它的制造主要涉及深亚微米技术，特殊电路的工艺兼容技术，设计方法的研究，嵌入式IP核设计技术，测试策略和可测性技术，软硬件协同设计技术和安全保密技术。SoC以IP复用为基础，把已有优化的子系统甚至系统级模块纳入到新的系统设计之中，实现了集成电路设计能力的第4次飞跃。
论集成电路发展的挑战与机遇 摘要：集成电路的发展史就是微电子技术生成史，从晶体管到微处理器和光刻技术等,集成电路技术以尺寸缩小、集成度提高为发展路径,必然受到材料、工艺和物理理论等挑战。但集成电路正面临产业调整与市场的双重机遇。 关键词：集成电路；挑战；机遇 目前，以数字化和网络化为特征的信息技术正渗透和改造着各产业和行业,深刻改变着人类生产生活方式以及经济、社会、政治、文化各领域。信息技术根源于集成电路技术的巨大发展，把人类社会在21世纪定格为信息社会。 一、集成电路与摩尔预测 集成电路就是将晶体管等有源元件和电阻、电容等无源元件,按电路”集成”,完成特定电路或功能的系统，集成电路体积不断减小,制造工艺技术日益精细，可一次加工完成。集成电路的学科基础是微电子学，微电子学脱胎于电子学和固体物理学的交叉技术学科,主要研究在半导体材料上构成微型电子电路、子系统及系统。以微电子学发展起来集成电路技术，包括半导体材料及器件物理,集成电路及系统设计原理和技术,芯片加工工艺、功能和特性测试技术等。当下，集成电路技术已成信息社会发展基石,集成电路将信息获取、传递、处理、存储、交换等功能集成于芯片,芯片可低成本大批量生产,且功耗低体积小,迅速成为各产业、国防的技术基础。摩尔于1964年总结集成电路发展历程,对未来集成电路发展趋势
做出预测。即：集成电路单个芯片上集成元件数,一般称为集成电路的集成度,每18个月增加一倍,即集成度每三年翻两番,尺寸缩小2倍,集成电路芯片需求量也以相同速度增加,集成电路性能提高，价格下降。几十年来,集成电路技术居然一直按摩尔定律指数增长规律发展壮大。 二、集成电路高速发展 集成电路技术伴随物理、材料和技术成果而实现各阶段的飞速发展。晶体管之前,电子管和电阻、电容等元件靠焊装构成电路系统。第一台计算机连线和焊接点很多,电路系统体积大,可靠性差。电子装备可靠性和小型化使”集成”成为需求。人们开始将电阻、电容等无源元件和有源元件制做在同一块半导体材料上。1958年9月实现第一个集成电路震荡器演示实验,标志着集成电路诞生，当时该实验在锗晶体管基础上完成。第一块集成电路发明是一个技术创新,对物理学发展产生很大影响。平面技术发明是推动集成电路产业化的关键。包括氧化、扩散、薄膜生长和光刻刻蚀等在内的平面技术，论重要性首推二氧化硅绝缘层的发现。早期晶体管基区宽度不好控制,不易做薄,频率提高受限制。1956年,科学家发现二氧化硅不仅具掩蔽作用,还是高频损耗小、击穿电场强度高的良好绝缘体。直到今天,二氧化硅仍是集成电路主要绝缘层材料。金属-氧化物-半导体场效应晶体管(mos.fet)器件是目前超大规模集成电路基本电路形式。平面工艺的光刻技术是另一关键，光刻是一种精密表面加工技术。1957年首次引入到半导体工艺技术，将光刻技术和二氧化
集成电路原理及应用（第2版）谭博学苗汇静主编 课后习题答案 第二章 模拟集成电路的线性应用 对 A 2 :由"虚断”和"虚短”得 i 3=i 4， v 2_=v 2 - =u i2， 代入 U o1 得U 。哙呱…）， 2.11 求图3所示电路的增益A f ，并说明该电路完成什么功能 则 u i1 = U 01 R 1 R 2 R 2 R 1 ，即 u o-(1 K )u i1 ， 则 U 。1 -U i2 R 3 U i2 -U o R 4 R 3 因两个输入信号均从同相端输入, 所以输入阻抗比较高。该电路为高输入阻抗的差动放 2.9 试分析图1所示电路是什么电路，有何特点？图中设 解：第一级运放为同相放大器。对 A 1 :由"虚断”和"虚短”得 i 1 =i 2， v^=v 1. =u ， 1)U i2 - U o1
解：该电路由两个集成运放构成， A1为主放大器接成反相运算放大器， A2为辅助放大器, A2也接成反相放大器，利用 A2对A1构成正反馈，是整个电路向信号源索取的电流极少。 主放大器A 1 :由“虚断”和“虚短”得 R i U i I i u i 01 u 。 R 2 R i R 2 u i u i 辅助放大器A2的电压放大倍数: o2 u o2 2R 1 该电路为自举电路, U i U i U i R i I i I i - I R 2 R 2 U i U i u i2 u 。 R 2 目的是提高电路的输入电阻。 2R 得 U^2U i RR
当 R = R 1 时，R t 2.12 求图4所示电路输出电压与输入电压的表达式，并说明该电路完成什么 功能 i1 -u o1 ，即u o1 =-u i1 。A 1为倒相器 解：对A 1 :由
集成电路封装的发展现 状及趋势 公司内部档案编码：[OPPTR-OPPT28-OPPTL98-OPPNN08]
序号：39 集成电路封装的发展现状及趋势 姓名：张荣辰 学号： 班级：电科本1303 科目：微电子学概论 二〇一五年 12 月13 日
集成电路封装的发展现状及趋势 摘要： 随着全球集成电路行业的不断发展，集成度越来越高，芯片的尺寸不断缩小，集成电路封装技术也在不断地向前发展，封装产业也在不断更新换代。 我国集成电路行业起步较晚，国家大力促进科学技术和人才培养，重点扶持科学技术改革和创新，集成电路行业发展迅猛。而集成电路芯片的封装作为集成电路制造的重要环节，集成电路芯片封装业同样发展迅猛。得益于我国的地缘和成本优势，依靠广大市场潜力和人才发展，集成电路封装在我国拥有得天独厚的发展条件，已成为我国集成电路行业重要的组成部分，我国优先发展的就是集成电路封装。近年来国外半导体公司也向中国转移封装测试产能，我国的集成电路封装发展具有巨大的潜力。下面就集成电路封装的发展现状及未来的发展趋势进行论述。 关键词：集成电路封装、封装产业发展现状、集成电路封装发展趋势。 一、引言 晶体管的问世和集成电路芯片的出现，改写了电子工程的历史。这些半导体元器件的性能高，并且多功能、多规格。但是这些元器件也有细小易碎的缺点。为了充分发挥半导体元器件的功能，需要对其进行密封、扩大，以实现与外电路可靠的电气连接并得到有效的机械、绝缘等
方面的保护，防止外力或环境因素导致的破坏。“封装”的概念正事在此基础上出现的。 二、集成电路封装的概述 集成电路芯片封装（Packaging，PKG）是指利用膜技术及微细加工技术，将芯片及其他要素在框架或基板上布置、粘贴固定及连线，引出接线端并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺。此概念称为狭义的封装。 集成电路封装的目的，在于保护芯片不受或少受外界环境的影响，并为之提供一个良好的工作条件，以使集成电路具有稳定、正常的功能。封装为芯片提供了一种保护，人们平时所看到的电子设备如计算机、家用电器、通信设备等中的集成电路芯片都是封装好的，没有封装的集成电路芯片一般是不能直接使用的。 集成电路封装的种类按照外形、尺寸、结构分类可分为引脚插入型、贴片型和高级封装。 引脚插入型有DIP、SIP、S-DIP、SK-DIP、PGA DIP：双列直插式封装；引脚在芯片两侧排列，引脚节距，有利于散热，电气性好。 SIP：单列直插式封装；引脚在芯片单侧排列，引脚节距等特征与DIP基本相同。
集成电路技术及其发展趋势 摘要目前，以集成电路为核心的电子产业已超过以汽车、石油、钢铁为代表的传统工业成为第一大产业，成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。作为当今世界竞争的焦点，拥有自主知识产权的集成电路已日益成为经济发展的命脉、社会进步的基础、国际竞争的筹码和国家安全的保障。 关键词集成电路系统集成晶体管数字技术
第一章绪论 1947年12月16日，基于John Bardeen提出的表面态理论、Willianm Shockley给出的放大器基本设想以及Walter Brattain设计的实验，美国贝尔实验室第一次观测到具有放大作用的晶体管。1958年12月12日，美国德州仪器公司的Jack 发明了全世界第一片集成电路。这两项发明为微电子技术奠定了重要的里程碑，使人类社会进入到一个以微电子技术为基础、以集成电路为根本的信息时代。50多年来，集成电路已经广泛地应用于军事、民用各行各业、各个领域的各种电子设备中，如计算机、手机、DVD、电视、汽车、医疗设备、办公电器、太空飞船、武器装备等。集成电路的发展水平已经成为衡量一个国家现代化水平和综合实力的重要标志[1]。 现代社会是高度电子化的社会。在日常生活中，小到电视机、计算机、手机等电子产品，大到航空航天、星际飞行、医疗卫生、交通运输等行业的大型设备，几乎都离不开电路系统的应用。构成电路系统的基本元素为电阻、电容、晶体管等元器件。早期的电路系统是将分立的元器件按照电路要求，在印刷电路板上通过导线连接实现的。由于分立元件的尺寸限制，在一块印刷电路板上可容纳的元器件数量有限。因此，由分立元器件在印刷电路板上构成的电路系统的规模受到限制。同时，这种电路还存在体积大、可靠性低及功耗高等问题。 半导体集成电路是通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路规则，互连“集成”在一块半导体单晶片上。封装在一个外壳内，执行特定的电路或系统功能。与印刷电路板上电路系统的集成不同，在半导体集成电路中，构成电路系统的所有元器件及其连线是制作在同一块半导体材料上的，材料、工艺、器件、电路、系统、算法等知识的有机“集成”，使得电路系统在规模、速度、可靠性和功耗等性能上具有不可比拟的优点，已经广泛的应用于日常生活中。半导体集成电路技术推动了电子产品的小型化、信息化和智能化进程。它彻底改变了人类的生活方式，成为支撑现代化发展的基石[2]。 1959年，英特尔(Intel)的始创人，Jean Hoerni 和Robert Noyce，在Fairchild Semiconductor开发出一种崭新的平面科技，令人们能在硅威化表面铺上不同的物料来制作晶体管，以及在连接处铺上一层氧化物作保护。这项技术上的突破取代了以往的人手焊接。而以硅取代锗使集成电路的成本大为下降，令
粉体（1）班学号：1003011020 集成电路技术的发展与应用 摘要: 集成电路（Integrated Circuit,简称IC）是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，这样，整个电路的体积大大缩小，且引出线和焊接点的数目也大为减少，从而使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”（也有用文字符号“N”等）表示。 关键词：集成电路模拟集成电路电子元件晶体管发展应用集成电路对一般人来说也许会有陌生感，但其实我们和它打交道的机会很多。计算机、电视机、手机、网站、取款机等等，数不胜数。除此之外在航空航天、星际飞行、医疗卫生、交通运输、武器装备等许多领域，几乎都离不开集成电路的应用，当今世界，说它无孔不入并不过分。 在当今这信息化的社会中,集成电路已成为各行各业实现信息化、智能化的基础。无论是在军事还是民用上,它已起着不可替代的作用。 一、集成电路的定义、特点及分类介绍 1、什么是集成电路：所谓集成电路（IC），就是在一块极小的硅单晶片上，利用半导体 工艺制作上许多晶体二极管、三极管及电阻、电容等元件，并连接成完成特定电子技术功能的电子电路。从外观上看，它已成为一个不可分割的完整器件，集成电路在体积、重量、耗电、寿命、可靠性及电性能方面远远优于晶体管元件组成的电路，目前为止已广泛应用于电子设备、仪器仪表及电视机、录像机等电子设备中。[1] 2、集成电路的特点：集成电路或称微电路（microcircuit）、微芯片（microchip）、 芯片（chip）在电子学中是一种把电路（主要包括半导体装置，也包括被动元件等）小型化的方式，并通常制造在半导体晶圆表面上。前述将电路制造在半导体芯片表面上的集成电路又称薄膜（thin-film）集成电路。另有一种厚膜（thick-film）混成集成电路（hybrid integrated circuit）是由独立半导体设备和被动元件，集成到衬底或线路板所构成的小型化电路。集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛的应用。用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可大大提高。 3、集成电路的分类： （1）按功能结构分类：集成电路，又称为IC，按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路三大系。
集成电路技术十年发展报告【精编版】
集成电路技术十年发展2012-11-27 17:06:17
清华大学教授、微电子学研究所所长魏少军 一、总体情况 集成电路产业是关系国民经济和社会发展全局的基础性、先导性和战略性产业，是电子信息产业的核心，是关系到国家经济社会安全、国防建设极其重要的基础产业。集成电路产业的竞争力已经成为衡量国家间经济和信息产业可持续发展水平的重要标志，是世界各先进技术国抢占经济科技制高点、提升综合国力的重要领域。 新世纪以来，我国的集成电路科技与产业在国务院国发2000（18号）文件和各级地方政府的持续支持下，获得了长足进步，取得了一系列重要成果： （一）集成电路产业链格局日渐完善 中国集成电路产业结构逐步由小而全的综合制造模式逐步走向设计、制造、封装测试三业并举，各自相对独立发展的格局。目前，中国集成电路产业已经形成了集成电路设计、芯片制造、封装测试及支撑配套业共同发展的较为完善的产业链格局。 （二）集成电路设计产业群聚效应日益凸现 以上海为中心的长江三角洲地区、以北京为中心的环渤海地区以及以深圳为中心的珠江三角洲地区已经成为国内集成电路产业集中分布的区域。全国集成电路设计、制造和封装产业90%以上的销售收入集中于以上三个地区。其中，包括上海、江苏和浙江的长江三角洲地区是国内最主要的集成电路制造基地，在国内集成电路产业中占有重要地位 （三）集成电路设计技术水平显著提高
国内集成电路设计企业的技术开发实力也有显著的提高，已经取得多项掌握核心技术的研发成果。2000年以来，“申威”高性能CPU、“龙芯”和“众志”桌面计算机用CPU、苏州国芯C*Core和杭州中天CK-Core嵌入式CPUIP核、智能卡集成电路芯片、第二代居民身份证专用芯片、自主高清电视（HDTV）标准和自主音视频标准AVS芯片、华为网络通讯交换装备核心系统芯片、大唐电信COMIPTM和展讯移动通信终端SoC、超大规模集成电路制造工艺、智能卡芯片专用工艺及高压特色工艺等技术和产品都取得了重要成果，大部分成果取得了产品化和产业化的重大进展，并获得国家科技进步奖励。 （四）人才培养和引进开始显现成果 集成电路是知识密集型的高技术产业，其持续、快速、健康的发展需要大量高水平的人才。但是，人才匮乏，人员流失严重却一直是困扰我国集成电路科技和产业发展的主要问题之一。为扭转这一局面，加大集成电路专业人才的培养力度，2003年国务院科教领导小组批准实施国家科技重大专项——集成电路与软件重大专项，并实施了“国家集成电路人才培养基地”计划。随后教育部、科技部批准建设国家集成电路人才培养基地。 二、集成电路设计 集成电路设计业是包括中国在内的全球整个集成电路产业中最为活跃的部分。集成电路设计企业在新兴产品的开发上扮演着关键作用。在中央处理器（CPU）、数字信号处理器（DSP）、半导体存储器、可编程逻辑阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）和系统芯片（SoC）等主流产品领域，都可以发现集成电路设计企业的身影。在过去的十年间，我国集成电路设计业在
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 集成电路测试原理及方法简介 院系：电气工程及自动化学院 姓名： XXXXXX 学号： XXXXXXXXX 指导教师： XXXXXX 设计时间： XXXXXXXXXX
摘要 随着经济发展和技术的进步，集成电路产业取得了突飞猛进的发展。集成电路测试是集成电路产业链中的一个重要环节，是保证集成电路性能、质量的关键环节之一。集成电路基础设计是集成电路产业的一门支撑技术，而集成电路是实现集成电路测试必不可少的工具。 本文首先介绍了集成电路自动测试系统的国内外研究现状，接着介绍了数字集成电路的测试技术，包括逻辑功能测试技术和直流参数测试技术。逻辑功能测试技术介绍了测试向量的格式化作为输入激励和对输出结果的采样，最后讨论了集成电路测试面临的技术难题。 关键词：集成电路；研究现状；测试原理；测试方法
目录 一、引言 (4) 二、集成电路测试重要性 (4) 三、集成电路测试分类 (5) 四、集成电路测试原理和方法 (6) 4.1.数字器件的逻辑功能测试 (6) 4.1.1测试周期及输入数据 (8) 4.1.2输出数据 (10) 4.2 集成电路生产测试的流程 (12) 五、集成电路自动测试面临的挑战 (13) 参考文献 (14)
一、引言 随着经济的发展，人们生活质量的提高，生活中遍布着各类电子消费产品。电脑﹑手机和mp3播放器等电子产品和人们的生活息息相关，这些都为集成电路产业的发展带来了巨大的市场空间。2007年世界半导体营业额高达2.740亿美元，2008世界半导体产业营业额增至2.850亿美元，专家预测今后的几年随着消费的增长，对集成电路的需求必然强劲。因此，世界集成电路产业正在处于高速发展的阶段。 集成电路产业是衡量一个国家综合实力的重要重要指标。而这个庞大的产业主要由集成电路的设计、芯片、封装和测试构成。在这个集成电路生产的整个过程中，集成电路测试是惟一一个贯穿集成电路生产和应用全过程的产业。如：集成电路设计原型的验证测试、晶圆片测试、封装成品测试，只有通过了全部测试合格的集成电路才可能作为合格产品出厂，测试是保证产品质量的重要环节。 集成电路测试是伴随着集成电路的发展而发展的，它为集成电路的进步做出了巨大贡献。我国的集成电路自动测试系统起步较晚，虽有一定的发展，但与国外的同类产品相比技术水平上还有很大的差距，特别是在一些关键技术上难以实现突破。国内使用的高端大型自动测试系统，几乎是被国外产品垄断。市场上各种型号国产集成电路测试，中小规模占到80%。大规模集成电路测试系统由于稳定性、实用性、价格等因素导致没有实用化。大规模/超大规模集成电路测试系统主要依靠进口满足国内的科研、生产与应用测试，我国急需自主创新的大规模集成电路测试技术，因此，本文对集成电路测试技术进行了总结和分析。 二、集成电路测试重要性 随着集成电路应用领域扩大，大量用于各种整机系统中。在系统中集成电路往往作为关键器件使用，其质量和性能的好坏直接影响到了系统稳定性和可靠性。 如何检测故障剔除次品是芯片生产厂商不得不面对的一个问题，良好的测试流程，可以使不良品在投放市场之前就已经被淘汰，这对于提高产品质量，建立生产销售的良性循环，树立企业的良好形象都是至关重要的。次品的损失成本可以在合格产品的售价里得到相应的补偿，所以应寻求的是质量和经济的相互制衡，以最小的成本满足用户的需要。 作为一种电子产品，所有的芯片不可避免的出现各类故障，可能包括：1.固定型故障；2.跳变故障；3.时延故障；4.开路短路故障；5桥接故障，等等。测试的作用是检验芯片是否存在问题，测试工程师进行失效分析，提出修改建议，从工程角度来讲，测试包括了验证测试和生产测试两个主要的阶段。
集成电路产业发展现状与未来趋势分析 一、概念介绍 集成电路，英文为Integrated Circuit，缩写为IC；顾名思义，就是把一定数量的常用电子元件，如电阻、电容、晶体管等，以及这些元件之间的连线，通过半导体工艺集成在一起的具有特定功能的电路。 为什么会产生集成电路？我们知道任何发明创造背后都是有驱动力的，而驱动力往往来源于问题。那么集成电路产生之前的问题是什么呢？我们看一下1942年在美国诞生的世界上第一台电子计算机，它是一个占地150平方米、重达30吨的庞然大物，里面的电路使用了17468只电子管、7200只电阻、10000只电容、50万条线，耗电量150千瓦。 显然，占用面积大、无法移动是它最直观和突出的问题；如果能把这些电子元件和连线集成在一小块载体上该有多好！我们相信，有很多人思考过这个问题，也提出过各种想法。典型的如英国雷达研究所的科学家达默，他在1952年的一次会议上提出：可以把电子线路中的分立元器件，集中制作在一块半导体晶片上，一小块晶片就是一个完整电路，这样一来，电子线路的体积就可大大缩小，可靠性大幅提高。 这就是初期集成电路的构想，晶体管的发明使这种想法成为了可能，1947年在美国贝尔实验室制造出来了第一个晶体管，而在此之前要实现电流放大功能只能依靠体积大、耗电量大、结构脆弱的电子管。晶体管具有电子管的主要功能，并且克服了电子管的上述缺点，因此在晶体管发明后，很快就出现了基于半导体的集成电路的构想，也就很快发明出来了集成电路。杰克·基尔比（Jack Kilby）和罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）在1958~1959期间分别发明了锗集成电路和硅集成电路。 集成电路又称芯片，是工业生产的“心脏”，其技术水平和发展规模已成为衡量一个国家产业竞争力和综合国力的重要标志之一。 二、集成电路产业分类 集成电路，又称为IC，按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路三大类。 集成电路按制作工艺可分为半导体集成电路和膜集成电路，膜集成电路又分类厚膜集成电路和薄膜集成电路。 集成电路按用途可分为电视机用集成电路、音响用集成电路、影碟机用集成电路、录像机用集成电路、电脑用集成电路、电子琴用集成电路、通信用集成电路、照相机用集成电路、遥控集成电路、语言集成电路、报警器用集成电路及各种专用集成电路。
集成电路原理及应用(第3版) 谭博学 苗汇静 主编 课后习题答案 第二章 模拟集成电路的线性应用 2.9 试分析图1所示电路是什么电路，有何特点？图中设 3 4 21R R R R =。 （图1） 解：第一级运放为同相放大器。对A 1：由“虚断”和“虚短”得 i 1=i 2，v -1=v +1=u 1i ， 则u 1i = 1211R R R u o +，即11 21)1(i o u R R u +=， 对A 2：由“虚断”和“虚短”得 i 3=i 4，v -2=v +2=u 2i ， 则 4 2321R u u R u u o i i o -=-，即1342 34)1(o i o u R R u R R u -+= 代入u 1o 得))(1( 123 4 i i o u u R R u -+=， 因两个输入信号均从同相端输入，所以输入阻抗比较高。该电路为高输入阻抗的差动放大器。 2.11 求图3所示电路的增益A f ，并说明该电路完成什么功能。
解：该电路由两个集成运放构成，A1为主放大器接成反相运算放大器，A2为辅助放大器，A2也接成反相放大器，利用A2对A1构成正反馈，是整个电路向信号源索取的电流极少。 主放大器A 1：由“虚断”和“虚短”得 2 1R u R u o i -= ,则A f =121o o i i u u R u u R ===- 辅助放大器A2的电压放大倍数：221222 2o o VF i o u u R A u u R = ==- 该电路为自举电路，目的是提高电路的输入电阻。 由1i i i i U U R I I I = = - 由 12i o U U R R =-和321 2o U U R R =-得32i U U = 所以 1i i i U U I R R = - 因此1 1 i i i U RR R I R R = = - 当1R R =时，i R →∞，1I I = 2.12 求图4所示电路输出电压与输入电压的表达式，并说明该电路完成什么功能。
我国集成电路发展状况 摘要 集成电路产业是知识密集、技术密集和资金密集型产业，世界集成电路产业发展异常迅速，技术进步门新月异。虽然目前中国集成电路产业无论从质还是从量来说都不算发达，但伴随着全球产业东移的大潮，中国的经济稳定增长，巨大的内需市场，以及充裕的各类人才和丰富的自然资源，可以说中国集成电路产业的发展尽得天时、地利、人和之势，将会崛起成为新的世界集成电路制造中心。 首先，本文介绍了集成电路产业的相关概念，并对集成电路产业的重要特点进行了分析。其次，在介绍世界集成电路产业发展趋势的基础上本文对我国集成电路产业发展的现状进行了分析和论述, 并给出了发展我国集成电路的策略。 集成电路产业是信息产业和现代制造业的核心战略产业，其已成为一些国家信息产业发展中的重中之重。相比于其它地区，中国是集成电路产业的后来者，但新世纪集成电路产业的变迁为中国集成电路产业的蚓起带来了机遇，如果我们能抓住这一有利时机，中国不仅能成为集成电路产业的新兴地区，更能成为世界集成电路产业强国。 关键词：集成电路产业；发展现状；发展趋势 ABSTRACT
Integrated circuit(IC) industry is of a knowledge，technology and capital concentrated nature. IC industry in the world develops extremely fast and the technology improves everyday．Although currently China’s IC industry is not fully developed，taking into consideration of either quality or quantity of the products．with the shifting of the global industry centre to the east and with the stable economic growth，enormous market demands and abundant human and nature resources available in China，the development of China’s IC industry has favourable conditions in all aspects．and it is expected that in the near future China will become tire new IC manufacturing centre in the world． Firstly, this paper introduce the concept of IC , and analysis the important points of it. Secondly, this paper introduces the developments of IC in the word especially in China. In the end, this paper gives some advices of the developments of IC in our country. The IC is the core of information industry and modern manufacturing strategic industries. IT has become some national top priority in the development of information industry. Compared with other regions, the latter of the China's integrated circuit industry, but the changes of the IC industry in the new century for China's integrated circuit industry vermis creates opportunity, if we can seize the favorable opportunity, China can not only a new region of the integrated circuit industry, more can become the integrated circuit industry in the world powers. Key words: IC current situations tendency 前言
集成电路技术在医疗健康领域的应用 随着社会的发展和科学技术的不断进步,人们对医疗健康、生活质量、疾病护理等方面提出了越来越高的要求。同时,依托于高新领域电子技术的各种治疗和监护手段越来越先进,也使得医疗产品突破了以往观念的约束和限制,在信息化、微型化、实用化等方面得到了长足发展。本文从医疗健康领域的需求分析入手,从集成电路技术的角度对医疗健康领域的应用的关键技术(现状和前景)做了大致的分析探讨。 1医疗健康领域的需求现状 在医疗健康领域,关注的热点正在渐渐从最基本的疾病产业向保健产业转变。这二者都是以健康服务为最终目的,但是前者主要是有针对性的“对症下药”,而后者则更倾向于为一般消费者提供更全面的保健解决方案。 美国著名经济学家保罗?皮尔泽(Paul Zane Pilzer)曾是花旗银行最年轻的副总裁并出任布什、克林顿两任总统的经济顾问,在他的《财富第五波》一书中指出:二十一世纪人类面临严重饮食失衡,却人人希望更健康、抗老化,预防胜于治疗,
从而开启保健产业的兆亿商机。这是继第四波网络革命后的明星产业,相比疾病产业的被动性,保健事业是主动积极的产业。 世界卫生组织(WHO)在2008年10月公开的一份档案中提到:人口老龄化助长癌症和心脏病病例上升;心血管疾病是全世界主要的死亡原因,听力丧失、视力问题和精神障碍是最常见的残疾原因。 庞大的老龄化群体和慢性疾病患者等群体的现状(换言之,是社会需求和市场需求的现状)使得疾病产业、保健产业中亟需发展应用新的技术和产品。 2.1 世界人口老龄化,对医疗护理产品提出了更高的要求。 随着医疗水平的提高,世界平均人口寿命增加,世界和中国都面临着人口结构老龄化的问题。如根据联合国经济社会部的研究数据(如图1),到2050年世界60岁以上的老年人将达20亿,约占世界总人口的1/3,其中有79%生活在发展中国家;而中国国家人口发展战略研究报告也指出,我国在2007年老龄人口为1.43亿,占人口比重的11%,但是在2040年左右,这个数字将达到4.3亿,占全国人口的30%。这些数字意味着届时每4个人中将有1~2名老年人,同时也表明针对老年人护理的配套设施将会有很大需求。
集成电路原理及应用(第2版) 谭博学 苗汇静 主编 课后习题答案 第二章 模拟集成电路的线性应用 2.9 试分析图1所示电路是什么电路，有何特点？图中设 3 4 21R R R R = 。 （图1） 解：第一级运放为同相放大器。对A 1：由“虚断”和“虚短”得 i 1=i 2，v -1=v +1=u 1i ， 则u 1i = 1211R R R u o +，即11 21)1(i o u R R u +=， 对A 2：由“虚断”和“虚短”得 i 3=i 4，v -2=v +2=u 2i ， 则 4 2321R u u R u u o i i o -= -，即134234)1(o i o u R R u R R u -+= 代入u 1o 得))(1( 123 4 i i o u u R R u -+=， 因两个输入信号均从同相端输入，所以输入阻抗比较高。该电路为高输入阻抗的差动放大器。 2.11 求图3所示电路的增益A f ，并说明该电路完成什么功能。
解：该电路由两个集成运放构成，A1为主放大器接成反相运算放大器，A2为辅助放大器，A2也接成反相放大器，利用A2对A1构成正反馈，是整个电路向信号源索取的电流极少。 主放大器A 1：由“虚断”和“虚短”得 2 1R u R u o i -= ,则A f = 121o o i i u u R u u R ===- 辅助放大器A2的电压放大倍数：221222 2o o VF i o u u R A u u R = ==- 该电路为自举电路，目的是提高电路的输入电阻。 由1i i i i U U R I I I = =- 由 12i o U U R R =-和321 2o U U R R =-得32i U U = 所以 1i i i U U I R R = - 因此1 1 i i i U RR R I R R = =- 当1R R =时，i R →∞，1I I = 2.12 求图4所示电路输出电压与输入电压的表达式，并说明该电路完成什么功能。 解：对A 1：由“虚断”和“虚短”得 R u R u o i 1 1-=，即u 1o =-u 1i 。A 1为倒相器 对A 2：由“虚断”和“虚短”得
集成电路技术十年发展 2012-11-27 17:06:17 清华大学教授、微电子学研究所所长魏少军 一、总体情况 集成电路产业是关系国民经济和社会发展全局的基础性、先导性和战略性产业，是电子信息产业的核心，是关系到国家经济社会安全、国防建设极其重要的基础产业。 集成电路产业的竞争力已经成为衡量国家间经济和信息产业可持续发展水平的重要标志，是世界各先进技术国抢占经济科技制高点、提升综合国力的重要领域。 新世纪以来，我国的集成电路科技与产业在国务院国发2000（18号）文件和各级地方政府的持续支持下，获得了长足进步，取得了一系列重要成果： （一）集成电路产业链格局日渐完善 中国集成电路产业结构逐步由小而全的综合制造模式逐步走向设计、制造、封装测试三业并举，各自相对独立发展的格局。目前，中国集成电路产业已经形成了集 成电路设计、芯片制造、封装测试及支撑配套业共同发展的较为完善的产业链格局。 （二）集成电路设计产业群聚效应日益凸现 以上海为中心的长江三角洲地区、以北京为中心的环渤海地区以及以深圳为中 心的珠江三角洲地区已经成为国内集成电路产业集中分布的区域。全国集成电路设计、 制造和封装产业90%以上的销售收入集中于以上三个地区。其中，包括上海、江苏和浙江的长江三角洲地区是国内最主要的集成电路制造基地，在国内集成电路产业中占有重要 地位 （三）集成电路设计技术水平显着提高
国内集成电路设计企业的技术开发实力也有显着的提高，已经取得多项掌握核心技术的研发成果。2000年以来，“申威”高性能CPU、“龙芯”和“众志”桌面计算机用CPU、苏州国芯C*Core和杭州中天CK-Core嵌入式CPUIP核、智能卡集成电路芯片、第二代居民身份证专用芯片、自主高清电视（HDTV）标准和自主音视频标准AVS芯片、华为网络通讯交换装备核心系统芯片、大唐电信COMIPTM和展讯移动通信终端SoC、超大规模集成电路制造工艺、智能卡芯片专用工艺及高压特色工艺等技术和产品都取得了重要成果，大部分成果取得了产品化和产业化的重大进展，并获得国家科技进步奖励。 （四）人才培养和引进开始显现成果 集成电路是知识密集型的高技术产业，其持续、快速、健康的发展需要大量高水平的人才。但是，人才匮乏，人员流失严重却一直是困扰我国集成电路科技和产业发展的主要问题之一。为扭转这一局面，加大集成电路专业人才的培养力度，2003年国务院科教领导小组批准实施国家科技重大专项——集成电路与软件重大专项，并实施了“国家集成电路人才培养基地”计划。随后教育部、科技部批准建设国家集成电路人才培养基地。 二、集成电路设计 集成电路设计业是包括中国在内的全球整个集成电路产业中最为活跃的部分。集成电路设计企业在新兴产品的开发上扮演着关键作用。在中央处理器（CPU）、数字信号处理器（DSP）、半导体存储器、可编程逻辑阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）和系统芯片（SoC）等主流产品领域，都可以发现集成电路设计企业的身影。在过去的十年间，我国集成电路设计业在CPU、智能卡专用芯片、3G通信芯片、数字电视芯片、第二代居民身份证芯片等领域取得了令人瞩目的成果。 （一）自主知识产权CPU CPU被誉为电子信息产品的心脏，是集成电路产品的制高点。十年间，我国在超级计算机用高性能CPU、桌面计算机/服务器CPU和嵌入式CPU领域取得了一系列重要突破，部分产品达到国际领先水平，极大地提高了我国在CPU领域的科技水平和支撑电子信息产业发展的能力。