集成电路的研制范文

导语：如何才能写好一篇集成电路的研制，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：数字电路； 量程自动转换； 智能化； 数字信号； 电压表

中图分类号：TN919-34； TP216+.1 文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2011)20-0184-03

Development of Intelligent Digital Voltmeter Based on Digital Integrated Circuit

LI Huai-fu

（Sichuan Information Technology College, Guangyuan 628017, China）

Abstract： In order to solve the intelligentization difficulties existing in ordinary digital voltmeter, such as range automatic convertion, polarity judgment of measured voltage, amplitude transformation, overrange display and alarm signal intelligentization, the digital circuit chip is adioted to realize the intelligentization of voltmeter functions according to digital logic control relation. The design principle of the circuit is elaborated. The circuit system composition, function and characteristics of each part in the circuit, selection of circuit components, and signal processing process are introduced. The design functions are verified by an actual product. A homemade intelligent digital voltmeter with the design functions has been put into practice.

Keywords： digital circuit; range automatic convertion; intelligentization; digital signal; voltmeter

0 引 言

在现在市场上广泛使用的一般数字电量测量电表都没有解决量程自动转换问题，测量操作时仍然靠人工拔动开关转换量程，测量电表的智能化设计是一个难点。在现有的智能电表中，智能化功能大多采用单片机控制电路或双向移位寄存器来实现，其缺点是电路系统、量程控制信号的产生比较复杂，调试与制作难度大，可靠性较差等。实际上,电路系统完全可以用常用数字集成电路组成，通过组合逻辑功能来实现多个量程之间的自动转换等功能。

1 电路系统的方框结构

电路系统由被测输入电压极性检测与变换电路、电压幅度变换电路、量程自动控制转换信号产生电路、多路模拟开关切换电路、量程控制放大电路、A/D转换电路和显示电路等组成，如图1所示［1-2］。

图1中各部分电路的功能分别是：

(1)电压极性显示信号产生电路：由电压比较器根据被测电压极性产生“+”或“-”极性显示信号。

(2) 电压通道选择与极性转换电路：有2个通道，对于正极性电压由通道1通过，若为负极性电压由通道2通过，再变换为正极性后输出。

(3) 量程自动控制信号产生电路：根据被测电压的高低确定各段的测量范围（量程）,产生量程自动转换控制信号、超量程显示与报警信号，并控制各量程小数点的位置。

图1 数字式智能电压表电路结构方框图

(4)程控放大器与模拟开关切换电路：在量程自动转换控制信号的作用下选择不同的通道，将某个量程的输入电压放大或衰减一定比例后送入A/D转换器。

(5) A/D转换电路：将模拟电压信号转换为数字信号。

(6) 译码与显示电路：将数字信号译码后，由数码管显示出测量结果。

2 电路原理图简介

根据图1构建的数字式智能电压表电路原理［3-5］如图2所示。图中主要元器件的作用如下：

U1（LM324）为四运放IC1，U1-1/4与U1-2/4的作用是产生被测电压极性识别信号与控制U2的信号通道。U1-3/4构成程控放大电路，对被测电压进行10，1，1/10，1/100的放大或衰减。U1-4/4为反相放大器，用于调整输出电压幅度以满足A/D转换器正常工作要求；

U2（SGM522）为二通道模拟开关IC，实现正、负极性的被测电压分通道传输，以便对负极性信号实施反相处理；

U3（C4066）为四通道模拟开关IC，在量程自动控制信号的作用下，实现让不同量程的电压分通道传输，以便配合U1-3/4电压进行幅度变换；

U4（LM339）、U5（74LS05）、U6与U7（74LS21）组成自动量程控制信号产生电路。其中，U4为四比较器IC，用于确定各量程的测量范围，U5为四反相器，对高或低电平实施反相变换，U6、U7均为四输入双与门IC，通过逻辑运算获得自动量程控制信号；

图2 数字式智能电压表电路原理图

U8（C14433）为双积分式A/D转换器（又称双斜式A/D转换器），转换输出结果与输入信号的平均值成正比，对叠加在输入信号上的交流干扰有良好的抑制作用，具有零漂补偿的3位半（BCD码）单片双积分式A/D转换功能，转换速率为3～10 Hz，转换精度为±1 LSB，模拟输入电压范围0～±1.999 V或0～±199.9 mV，输入阻抗大于100 MΩ。MC14433转换结果以BCD码形式，分别按千、百、十、个位由Q0～Q3端输出，相应的位选通信号由DS1～DS4提供；

U9（MC14511B）为译码集成电路，将BCD码译码成十进制信号，控制数码管的位显示；

U10（MC1413）为7路反相缓冲集成电路，用于实现高低电平间的转换，增强对数码显示管的驱动能力。

3 电路工作原理

（1） 被测电压的Ux极性判断与变换电路工作原理：电路由2个过零电压比较器、一个反相器和双向限幅电路组成［6］，当Ux极性为“+”时，U1-1/4输出高电平，在C＋的控制下被测电压通过U2的第一通道。U1-2/4输出低电平，C―也为低电平，U2的第二通道不通；当Ux极性为“-”时，U1-2/4输出高电平，在C―的控制下被测电压通过U2的第二通道，并通过U5-1/4完成反相变换。U1-1/4输出低电平，C＋使U2的第一通道不通。V1,V2为双向限幅二极管，用于限制加到U1-1/4与U1-2/4输入端的电压幅度。

（2） 多路模拟开关和程控放大电路工作原理：电路由C4066，U1-3/4、R4～R7等组成。设R1~R3通道等效电阻为R1～3，其大小可设置为100kΩ，当B1为高电平时，多路模拟开关C4066的i1~O1通道接通，运放U1-3/4的反馈电阻R4取1 MΩ，对Ux放大10倍后送入A/D转换器的输入端。若A/D转换的电压满度值为2 V，则可测量0～±200 mV的电压。同理，当量程转换控制信号B2,B3,B4分别为高电平时，C4066对应的通道接通，当U1-3/4的反馈电阻R5，R6，R7分别取100kΩ、10kΩ、1kΩ时，R5使±200 mV～±2 V的电压直接通过，R6使±2～±20 V的电压衰减10倍后通过，R7使±20～±200 V的电压衰减100倍后通过。再将某┮宦肥涑龅缪咕U1-4/4反相放大，使与实际被电压极性一致，并可通过R16调节电压放大倍数（-R16/R15），保证A/D转换电路正常工作所需的输入电压。

（3）量程自动转换控制电路工作原理：量程自动转换电路由四4比较器U4、3个反相器（U5内）、2个四输入双与门U6与U7、分压电阻R10～R14等组成。由于设置R1～3为100kΩ，选择R8（470kΩ可调）与R9（5kΩ）使ux在R9上的分压比为1/100，经分压后加到各比较器的反相输入端。当ux分别为±200 mV，±2 V，±20 V，±200 V时，分电压值分别为2 mV,20 mV,0.2 V,2 V。同时，由R10～R14（电阻值如图2中所示）对VCC分压获得各比较器的参考电平也分别为2 mV,20 mV,0.2 V,2 V，并分别加至各比较器的同相输入端。当被电压Ux达到某量程的满刻度值时，使比较器的输出电平由高变低，通过组合逻辑电路产生量程自动控制与标志信号（高电平有效）。若Ux位于0～±200 mV，U6-1/2输出高电平，获得有效量程控制信号B1，其余B2～B3为低电平；同理，当被测电压分别在±2 V，±2～±20 V，±20～±200 V范围时，U6-2/2、U7-1/2、U7-2/2分别输出高电平，获得量程控制信号B2、B3和B4，状态转换表如表1所示。

逻辑表达式分别为：B1＝W•X•Y•Z，B2＝┆WX•Y•Z，B3＝WX•Y•Z，B4＝WXYZ。Z＝0为超量程标志信号。

（4） 被测电压极性、小数点位置与超量程的指示信号：被测电压极性显示控制信号由U1-2/4提供，用输出的高或低电平控制“-”或“+”号的显示；小数点位置控制信号由量程自动转换控制信号实现，B1的高电平用于显示测量范围为0～±200 mV的小数点位置，B2的高电平用于显示测量范围为±200 mV～±2 V的小数点位置，B3的高电平用于显示测量范围为±2～±20 V的小数点位置， B4的高电平用于显示测量范围为±20～±200 V的小数点位置，当被测量电压范围在±200 V以外时，不用小数点；超量程指示信号由B4的低电平实现，当B4为低电平时，表明被测电压超过了±200 V的最高上限。

（5） A/D转换、译码、显示电路工作原理：用U1-2/4输出的信号控制数码管最高位“g”段的亮与不亮，实现极性“-”显示。当U4的4个比较器都输出高电平量，便发生了超量程情况，可用它们产生报警与超量显示信号（本系统未考虑）。当程控放大器输出的信号加到U8的3脚，将模拟电压转换为BCD码，并由20、21、22、23脚输出，经U9译码为千、百、十、个四位十进制数，同时，由U8的16、17、18、19脚输出对应的选通信号，共同控制数码管显示测量结果。

4 结 语

本测量系统运用与门、反相器、比较器、多路模拟开关集成电路（C4066）等数字集成电路巧妙组合获得了被电压极性判断、量程自动转换、信号幅度变换、小数点位置显示控制、超量程显示与报警信号。电路结构设计看似复杂，但分立元件少，成本低。具有设置量程方便、电压测量范围宽、功能相对独立且容易扩展、工作稳定可靠等优点，值得借鉴。

参考文献

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［9］郝云芳，黄天录．数字电子技术［M］.北京：人民邮电出版社,2005.

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关键词 远程故障设置；汽车灯光电路；实验台设计

中图分类号 U46 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2015）145-0118-01

随着汽车功能的增加，电子控制技术的普遍应用，电气元件越来越多，布线也越来越复杂。在现代汽车上，电子控制系统与线束有着密切关系。如果把控制单元、传感器与执行元件的功能用人体来比喻，则控制单元相当于人脑，传感器相当于感觉器官，执行元件相当于运动器官，那么线束就是链接各器官的神经和血管了。汽车线束是汽车电路的主体，连接汽车的电气电子部件，并使之发挥功能，没有线束也就不存在汽车电路。目前，无论是高级豪华汽车还是经济型普通汽车，线束编成的形式基本上都是由电线、联接插件和包裹胶带组成，这样既确保电信号的传输，又保证了连接电路的可靠性，符合电子电气部件额定电流的相关规定，防止对周围电路的电磁干扰，避免了电器短路情况的发生。汽车电路是维修人员的弱项，判断不出故障点，又或造成短路车自燃、断路车不启动等问题，大量更换配件，浪费时间和金钱。可见，学习汽车线束与布线系统对理解汽车电子控制系统尤为重要。

以汽车灯光照明系统为典型的汽车电路案例是学生学习汽车电路的兴趣点。随着汽车上电气的日益增多，汽车电路也日益复杂，汽车电路图的表达方法也在发生变化，主要有以下四种：线路图（接线图）、电路原理图、布线图、线束图。目前，学生在学习灯光系统电路时接触最多的电路原理图，其次是在灯光实验时接触的接线图。而对于在汽车上能够实际接触到的汽车布线图则很少能看到，甚至看不到实车的线路，更不要说拆解线束以及对真实线束电路的检修了。为此，除非拆卸车身否则无法看到具体线路情况，然而对整车拆卸又不现实。

1 整体设计方案

本实验台的开发、设计与制作基于实车的灯光线路，是集灯光演示、灯光布线、线路再现、故障设置与检修等多功能为一体，其整体功能如图1。基于远程控制模块，完成无线智能化故障设置，通过故障设置检测箱设定故障，并利用检测端子来测量与检修故障。

2 硬件部分

在实际车身上，内部线束是看不到的。就像人身体中的毛细血管，实际复杂存在着却表面上看不到。因此，再现线束布线位置，只有对车身进行拆解，将线束展现出来。目前国内暂无全车线束拆解的实验台，只有针对部分车体如车门结构与线束的解剖。实验台以灯光系统布线为例，将典型的汽车电路线束拆解出来，保证了教学与实际的一致性，实际线束位置一目了然。对于实车线束来说，线束与车身是关键点。需从全车线束中摘出灯光线束；而对于车身部分来说，模型固然成本不高，但无法反映出真实布线情况，因此必须采用实车车身。

实验台主要硬件组成为别克君威车体、智能化远程控制模块、故障设置检测箱、外接电源等，采用别克君威原车电路，保持原车全车电路的使用性能及控制方法，加装智能化故障设置及排除系统，可以直观的反映全车电路的结构及应用，有助于全车电路的实验和学习。

3 软件部分

通过设计故障模块软件完成电路故障的设置与检修，此模块为远程故障控制系统。可实现无线设置十几个故障，同时包括灯光理论知识模块和电路测量软件模块。教师使用移动终端创建SQL Server数据库，安装无线网络智能化考评系统软件。无线设置故障，通过无线发射与接收模块控制设备产生故障，学生在实际设备中排除故障，训练学生的排故能力。另外，当出现远程控制系统失效时，也可使用手动操作完成故障设置。进入实验故障控制台界面后，在设备控制台故障列表中选择故障，鼠标右键点击“设定故障”就可将该故障信号，通过无线控制模块发射器将信号传到位于车身的智能化远程控制模块，进而控制车身灯光电路。该远程控制模块同时具备编辑题库功能。如果远程控制故障设置功能出现问题，则可以使用手动故障设置。设计由解锁键、确定键、查询键、清除键、复位键及锁定键。以1号故障为例，先输入1后显示屏显示F――1，然后按确定键此时显示屏显示为P――1，故障设置完成。设置多个故障时先输入一个故障代码后按确定键然后再输入下一个故障代码再按确定键。设置完多个故障时显示屏显示的是最后一个故障。设置故障后按清除键即可清除所设置的故障，设置多个故障后如果想清除单个故障时，按查询键查询到所要清除的故障代码此时显示屏显示P――X （X 为所要清除的故障所对应的故障代码）按清除键即可。设置故障后为了防止学员看到所设置的故障代码按锁定键即可，锁定后显示屏显示LOCK，锁定后除解锁键和密码数字键以外的键都不起作用。如果想进去智能化故障设置系统必须按解锁键在输入密码即可。

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当前随着科学技术以及我国铁路行业的不断发展，铁路企业在生产经营中面临的内外形势是比较复杂的。铁路企业要想提高自己的经济效益就需要加强管理，会计工作是铁路企业财务管理中的重点，会计工作能为铁路企业的发展决策提供一定的参考依据。目前会计电算化已经成为会计工作的发展趋势，铁路企业在运行的过程中也应该顺应这种形势，实施会计电算化。

一、铁路会计电算化过程中存在的主要风险

虽然对于各行各业来说，会计电算化的实施对企业会计工作产生了很多积极的影响，铁路企业也同样对会计电算化的依存度提高，但是由于电算化中会计工作硬件、软件方面存在的缺陷，往往会导致在电算化过程中各种风险的发生，这些风险不仅仅是对会计工作本身产生不利的影响，而且很有可能导致铁路企业信息泄露，甚至给铁路企业造成非常大的损失。所以铁路企业在实施会计电算化的过程中要有效规避风险，做好风险控制工作。根据笔者近年来的调查和总结，铁路企业在会计电算化过程中面临的主要风险有以下几种：

1.决策不科学导致的风险

铁路企业实行会计电算化是企业把具体决策的实施，由于不同的企业实际情况是不一样的，实施电算化会计的最佳时机也是不一样的。在进行电算化决策的过程中企业应该充分了解自己的实际情况，需要明确本企业是是否适合开展会计电算化，适合什么时候开或者是在哪些项目中开比较合适。如果铁路企业对这些没有进行全面的了解的话，那么很有可能做出的会计电算化的决策是错误的，不仅不能有效提高会计工作效率，而且浪费了铁路企业的人力物力。

2.硬件设备不安全导致的风险

企业实施会计电算化必然要配备完善的硬件设施，会计电算化中完善的硬件设备主要包括：服务器、显示器、主机以及各种计算机外围设备和充足的电源，这些设备必须在会计工作的过程中是完好无损的。如果铁路企业在选择这些设备的时候没有对其性能了解不够，那么很有可能导致在会计电算化的过程中会计工作中断，不能保证会计电算化的顺利进行。例如，在会计电算化中如果电源供应中断，那么就会给会计人员带来很大的麻烦，甚至导致会计信息的丢失。

3.软件系统不安全导致的风险

随着计算机技术和信息技术的不断发展，会计工作软件的种类也在逐渐增多，软件的使用环境是不一样的，并且各种软件的更新换代也比较频繁。铁路企业实施会计电算化的时候应该选择合适的会计软件，软件的安全性和可靠性有深入的了解。一旦会计电算化软件由于设计人员的问题存在漏洞，那么在使用的过程中会计信息的存储和处理就会存在比较严重的问题，甚至很多会计数据会出现不准确的现象，严重降低铁路企业会计工作质量。

4.会计人员导致的风险

对于完整的会计电算化流程来说，主要的执行者有会计电算主管、软件操作人员、系统维护人员以及电算审查人员，要保证会计电算化的顺利实施这些人员的素质要求应该是比较高的。但是从实际的情况来看，这些人员的素质有高有低一些人员在操作的过程中并不能很好遵守各种规则，对会计数据的安全性产生威胁，导致会计电算化过程中各种问题的出现，严重阻碍了铁路企业会计电算化的顺利实施。

5.制度不健全导致的风险

任何的会计活动都需要一定的制度作保障，会计电算化的实施也是一样的。不仅针对所有的环节制定相关的制度，而且要保证制度的可操纵性和实效性，从而使其能保证会计电算化工作的顺利开展。但是铁路企业在运行的过程中往往对会计电算化工作制度建设不重视，对相关人员的行为没有相应的法律制度作保障，使得会计电算化实施中比较混乱，导致铁路企业中会计电算化的实施效果降低。

二、如何有效控制铁路电算化中的风险

1.严格遵循决策程序，保证决策的科学性

会计电算化的直接目的是为了提高企业会计工作效率，从而

为企业财务管理水平的提高服务。但是会计电算化是企业在一定的发展阶段进行的，在制定会计电算化发展决策的时候铁路企业应该结合自己的实际情况开展，规范决策程序。一方面，企业的领导者或者是会计师要在会计电算化过程中担任领导，对会计电算化的实施时间以及实施项目进行详细的计划，充分论证会计电算化化的可行性。另外一方面，铁路在决策过程中还应该积极听取群众的意见，进行民主决策，防止“一言堂”，通过这样的程序提高决策的科学性和合理性。

2.加强硬件购置和管理

各种硬件设备是会计电算化的物质基础，硬件设备的性能对会计电算化的正常开展有很大的影响。所以从硬件设备的购置到使用都应该加强管理。在购置过程中，铁路企业要对计算机设备的种类、数量等有清晰的了解，同时要做好网络敷设，保证会计电算化的顺利进行，在硬件连接中要使用服务器—客户机的方式，保证会计信息安本文由收集整理全。另外在后期的硬件管理中，要对各种硬件进行定期的维修，保证硬件设备可以充分发挥其功能，在日常操作中要做好备份，避免因为死机等原因导致会计数据丢失。

3.重视软件购置和管理

软件是会计电算化过程中的一个重要组成部分，软件的性能直接影响到会计工作的效率和会计工作质量。铁路企业购买会计电算化软件的时候要对会计软件的安全性进行验证，而且会计软件必须经过财政部门的评审，通过实践的方式确保软件的安全性。如果是铁路企业自发研制的会计软件，那么要保证研发过程的规范性，同时在正式的使用之前要经过一段时间的试运行，再试运行的过程中对软件的相关数据进行验证，对于出现的各种漏洞要求研发人员改进，有效能提高会计电算化软件的安全性和可靠性。

4.建立健全会计电算化管理制度

铁路企业推行会计电算化是一项系统性的工作，设计的人员和环节比较多，所以需要严格的制度作保障。第一，要建立岗位责任制。会计电算化过程中的环节比较多，岗位兼任往往会发生会计信息泄露的事故。所以要建立岗位责任制，明确相关人员的岗位责任，并且将不相容的岗位分离，例如，会计电算化操作人员不能兼任软件编制岗位，也不能对已存在的会计资料进行审核工作。第二，完善操作管理制度。铁路企业要对各操作岗位进行严格的制度管理，在操作系统设置一定的密码和电子口令，只有拥有相关权限的人员才能对系统进行操作，有效避免了细心泄露。第三，对于铁路企业的会计电算化来说，还应该建立一些其他的制度。例如，操作人员要进行操作的时候应该征求审查人员的同意，或者是在操作过程中防止携带各种移动存储设备等等。

5.加强人员素质建设

铁路企业会计电算化中加强会计人员素质建设需要从两个方面做起。一方面要不断提高会计人员的业务素质，通过培训以及个人自学，使他们能掌握最新的会计知识，同时也能掌握相关的会计电算化软件操作知识，更好的适应会计电算化的开展。另外一方面，要加强他们的职业道德建设。职业道德是保障会计人员的基本职业要求，通过宣传教育应该使会计电算化工作人员在工作中能坚持基本的职业道德，提高会计电算人员的责任意识，从而能真正发挥会计电算化的效力。

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0 引言

 

现阶段微电子技术在社会生产生活中具有重要的地位，软件和集成电路已经成为21世纪社会发展的基础。微电子技术作为高新技术的组成部分之一，逐渐成为电子信息技术的核心部分，深入到社会生产生活的每一个角落。电子器件的小型化和微型化是现代微电子技术的重要特征之一，其核心是系统集成(SOC)和集成电路(IC)。

 

1 微电子技术的发展历史和现状

 

微电子技术一门以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术，其具有工作速度快、重量轻、体积小、可靠性高等诸多优点。微电子技术是一项起源于19世纪末20世纪初的新兴技术，微电子技术的发展史从某种意义上说是集成电路的发展史。

 

现阶段大规模集成电力的集成度代表这微电子技术的发展水平。从集成电路在1958年被发明以来，集成电路的发展规律依然遵循着“摩尔定律”，即DRAM的储存量每隔3年就变为原来的4倍，集成电路芯片上的元件数量每18个月增加1倍(具体见表1)。微电子技术的发展历程如下，美国贝尔实验室于 1947年制造出第一个晶体管，这为制造体积更小的集成电路奠定了相关的技术基础。1958年美国德克萨斯仪器公司的基比尔于研究员制造出第一个集成电路模型，并与次年该公司宣布发明了第一个集成电路。1959年美国仙童公司将微型晶体管的制造工艺—“平面工艺”经过一定的技术改进后用于集成电路的制造过程中，实现了集成电路由实验阶段向工业生产阶段的过渡。1964年相关的技术人员又研制出PMOS集成电路，大大减小了集成电路的体积，其与分立元件相比较PMOS集成电路具有可靠性高、功耗低、制造工艺简单和适于大量生产等诸多优点。到目前为止，与第一块集成电路相比集成电路的集成度的尺寸缩小了200 多倍，集成度提高了550多万倍，元件成本降低了100多万倍。

 

在当今社会中微电子元件可以说是无处不在，每个人都在享受这微电子技术带来的方便快捷。集成电路被广泛应用于社会的各个行业，比如计算机技术、环境工程、交通医疗等领域。微电子技术对各种传统产业具有强有力的带动作用，几乎所有的传统产业与微电子技术结合，利用芯片更新技术，都可给传统产业注入活力。例如，像汽车的电子化使传统的汽车工业渗透进了微电子技术，采用微电子技术的电子引擎监控系统“汽车安全防盗系统”出租车的计价器等已得到广泛应用，现代汽车上有时甚至要有十几个到几十个微处理器又如，印刷工业采用了微电子技术排版不再采用铅字，文字的增添“删除“编排，字体的选取等都在计算机上进行，在很短的时间内就可以全部按需要设置完成，与传统印刷工业改动一字就要涉及全局已不可同日而语。

 

微电子技术不仅在工业制造中应用广泛，同时为商业的发展提供了巨大的方便。随着微电子技术的不断发展和计算机的应用，商场超市传统的记账方式发生了巨大的变化，账目的记录、查询、统计和存储方式发生了巨大的变化。另外，随着其他技术和微电子技术的相互融合渗透逐渐发展出新的技术。比如微电子技术和信息技术融合创造出数字地图，其通过无线电传输等方式能够为人们提供所在地区的天气状况、地理状况等所有信息，为人们的出行和野外作业等提供便利。

 

2 微电子技术发展展望

 

微电子技术作为一门随着集成电路发展起来的新兴技术，其只要包括器件物理、工艺技术、材料研制、系统电路设计和封装组装等技术，简单而言主要包括材料、系统和器件三部分。

 

2.1 新型半导体材料的研制

 

其中，材料作为微电子技术发展的基础，对于先进材料的研制一直是微电子技术研发的重点领域。在未来的一段时间对于对新型半导体材、化合物和纳米材料的研发是重点。

 

新的碳化硅(SiC)材料具有禁带宽、高热导率、漂移速度快、高击穿电压等诸多优点。这些优点能够保证元件在高温高压下进行工作，同时元件的功率比较大，能够进行高频工作并且集成度高。现阶段，新型研制出的氧化硅晶体管能够在520℃下进行工作并且击穿电压能够达到800℃。另外和其他宽紧带的材料相比较，碳化硅材料能够通过热氧化的方式生成二氧化硅(SiO2)。

 

氮化铝(AlN)是一种举要抗辐射性能高、高击穿电压和宽禁带的材料，并且绝缘体上的硅具有低功耗、高速、抗辐射、无栓锁等诸多优点。另外，铟磷化合物也是一种新型的半导体材料，它能够很好的将数字功能和射频集中在同一个芯片上，它的运行功耗更加低，运行速度比硅型芯片的更加快。

 

虽然上面有很多的新型材料但是晶体管的尺寸受到热效应、磁场效应和量子效应的影响，传统的微电子发展正面临严重的瓶颈。现在对纳米尺度下新的量子现象和效应的研究成为国际上近年来的研究热点，新型纳电子器件得以迅速发展。碳纳米管(CNT)是其中的一员，它(CNT)是人工合成的天然纳米线，由于是一维输运，所以它的电子迁移率比体硅高很多，特别是可能实现弹道输运。另外由于CNT具有非常高的击穿电场(最高可达108V /cm)，所以CNT中的电子漂移速度可以远远超过硅反型层中的电子，故被业界一直认为最有可能成为硅材料的未来最终继承者。因为它既可承担导线的功能，又可承担半导体(即晶体管开关)的功能，但其技术走向市场还有待成熟。如IBM公司于2002年宣布开发出性能优异的碳纳米晶体管，但同时宣称从硅电子时代过渡到碳纳米为代表的纳米电子时代可能要10年左右。在芯片集成方面的重要发展方向是SOC和SIP。

 

2.2工艺手段越来越先进

 

随着集成电路集成度的不断提高，技术人员不断缩短光刻波长并且改进透镜的孔径，通过各种手段改进光刻技术。光刻技术现阶段主要研究的是深紫外线光刻技术和沉浸光刻技术。沉浸光刻技术是指在原来的光刻设备的透镜和晶圆之间灌满水，从而达到提高孔径数值和透镜分辨率的目的。沉浸光刻技术是下一代光刻技术的主要发展方向。比如荷兰的ASXN公司采用190nm 的深紫外光源并且采用沉浸透镜技术其应用极限达到30nm，很有希望突破遇到的光刻障碍。现在除了业界看好的沉浸光刻技术外，正在研究的其他新工艺也比较多。别如电子束技术、微型电子束阵列和X射线等等。

 

3 结论

 

21世纪社会将成为一个信息化的社会，微电子技术在信息化社会发展中将占有及其重要的位置，同时也将成为本世纪最为活跃的科技领域。本文对微电子技术的发展状况进行了分析，同时展望了微电子技术未来的发展方向。

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【关键词】 集成电路 关键设备 市场分析 发展战略

引言：

信息技术的发展，集成电路是一项重要的标志，而信息产业的发展，集成电路在产业化发展的进程中，相关设备成为了集成电路产业发展的重要基础。集成电路关键设备的制造，半导体制造装备发挥着基础性的作用，特别是工艺技术的发展，给集成电路产业赋予了生机和活力。集成电路的关键设备作为电子设备的核心部分，在电子制造也中占有重要的地位，因此，要推进集成电路关键设备的快速发展，就要针对关键设备的现行市场运行状态进行分析，并具有针对性地提出发展战略。

一、集成电路关键设备市场分析

从电子产品的消费市场来看，价位低，集成度高的芯片依然占据着主流市场，而且对半导体产业的发展产生了强大的推动作用。早在2004年，集成电路的芯片销路就非常好，并创造了可观的业绩，甚至突破了所预测的2005年的销售额度。自2008年以来，半导体产业就呈现出强大的增长态势，平均增长率为9.7%。到2008年，集成电路产业的发展，中国和印度成为了生产的和核心和销售的核心，而且此时的半导体生产率以平均10%的速度递增。2010年，世界半导体产业的销售额突破了5000亿美元，对电子设备市场起到了重要的支撑作用。

近年来，集成电路产业链发展，原有的分散管理逐渐向聚集为一个整体产业，其中的一些大型的且资金雄厚企业起到了龙头的作用，将小型的企业兼并后，使得企业规模化快发展。

未来的几十年，集成电路关键设备市场依然呈现出发展的态势，而且随着电子市场的全面开放，集成电路的销售状况更为看好，而且预期平均每年的销售增长率可以达到9%至10%。

二、集成电路关键设备的市场发展战略

2.1将促进集成电路关键设备市场发展的产业政策制定出来

要促进集成电路关键设备市场发展，就要在政策上跟进。从政策的角度出发，给集成电路关键设备的生产提供优惠政策，包括投资、税收以及贷款等方面都基于优厚的待遇，特别要采取有效策略针对目前集成电路产业发展中所存在的融资问题予以解决。针对集成电路专用设备制造业、半导体也都享受部分国家优惠政策和鼓励政策，对集成电路专用设备的进口方面要予以严格管理，特别是进口的二手设备，需要增加额度较高的环境保护税。对于国外出厂时间很长的二手设备，则要通过严格检查而避免类似的设备进入到中国市场。

2.2集成电路关键设备市场发展需要加大技术创新力度

集成电路关键设备市场发展需要加大技术创新力度还能够与国外同行业竞争而获得市场竞争优势。集成电路关键设备市场的技术创新，政府投入力度的增加实施关键环节。有必要将集成电路专用设备的发展基金建立起来，为集成电路起到一定的扶持作用。特别是集成电路产业的技术创新要与生产线结合起来，以促进中国集成电路产业的整体性提升。

2.3集成电路关键设备市场发展需要构建多元的融资渠道

集成电路关键设备市场发展，投资是需要重视的环节。如果没有充裕的资金，就很难获得发展。因此，政府要发挥作用将社会投资和民间融资带动起来，以使集成电路产业在发展的过程中可以多方筹集资金，以确保集成电路的设计制造产业顺利展开。特别要鼓励国外的企业到中国投资集成电路产业，并带来新的技术，以对中国的集成电路产业起到推动作用。

对外开放可以加大中国与国外企业的合作力度不仅可以吸引国外投资，而且还能够引进行业先进技术，并促进中外合作针对集成电路的关键设备进行研发和生产。

2.4集成电路关键设备的生产要以市场为导向

为了在集成电路关键设备的生产上实现突破，就要将国内的技术优势充分地发挥出来，从构造简单、工序简单的设备开始研发，向大型的继承电路过渡，逐渐形成生产链，以在关键设备的研制和生产上有所突破。集成电路关键设备的生产要以市场为导向，不仅仅是国内市场，还包括国外市场的集成电路关键设备发展趋势都要有所关注。基于国内外同行业竞争力，就要推动中国的集成电路产业进入到世界主流市场。

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【关键词】 雷达 微电子技术 分析

在现代化的军用雷达与电子设备之中军用微电子技术属于非常重要的技术之一，是现代军事信息作战的基础。在军用微电子工业当中，集成电路属于最具活跃的产品。在美国非常重视开发与应用军用集成电路。美国相关的国防部门早在十几年前曾提出^超高速集成电路与微波单片集成电路的发展规划。只要真正的实现这两者的发展计划对于军用雷达与武器装备未来的发展有着巨大的影响，对打赢未来信息战争发挥举足轻重作用。

一、超高速集成电路与微波单片集成电路的特点

1、超高速集成电路的特点。在未来的信息作战当中，电磁信号的环境十分汇集而且复杂，军用雷达与电子情报系统需要面对一百至二百万脉冲美妙的信号方面的强度，处理信号的系统极有可能需要执行几十亿条指令。面对极其复杂的信息作战环境，然而目前一般的集成电路处理信号系统的效率很难满足相关的需求。要想真正的处理好这方面的问题，美军便加大力度促进超高速集成电路发展。

2、微波单片集成电路的特点。微波单片集成电路将超大规模集成电路、超高速集成电路以及超高性能集成电路使用至数字电路中的微波电路，它属于集成电路处于微波电路中主要的发展。微波单片集成电路将诸多晶体管、电阻、电容等管线集中至一个芯片上，制成许多功率放大器、低噪声放大器、移相器等。仅有很少的微波单片集成电路芯片组合起来就能组成一个收发构件，用来代替很多元件。

二、超高速集成电路与微波单片集成电路的发展现状

1、超高速集成电路的发展现状。美国国防部门早在很多年前年对超高速集成电路的发展就已经开展实施以硅为主要材料发展计划，之后又转化成将硅和砷化稼作为主要材料并举的超高速集成电路发展计划，为了促使军用电子系统发展的快速进程。此计划主要是为了促进民用半导体商家的发展所难以解决的军用信号需要的元器件工艺，就是为了满足军用信号处理、抗辐射、故障容限等能力的有关需求所提出的。这个计划的的总提目标就是为了研制出功能先进、价格合理、高质量的超高速集成电路芯片，确保处理信号速率、功耗减少、可靠性、维护性合理提高的终点目标，并且使目前具备处理数据的速度必须提升一级。其实际的目标是为了使芯片的微加工线宽达到标准的规格，各项功能要比同样种类民用的产品高出百倍，将其的可靠性提升十倍。按照制定的范围超高速集成电路应当于1990年完成计划，共投资量达到十亿美元，通过集中开发了来实现亚微米特有的尺寸要求的技术。

2、60年代中期才得到逐渐的发展，70年代，砷化镓材料制造工艺的逐步成熟，对于微波单片集成电路的发展形成了很大影响。因为砷化镓材料的电子迁移率比硅高出7倍，且半绝缘砷化镓的电阻率的高度达到108，因此砷化镓属于最合理的微波传输介质材料，非常适合用在单片微波单片集成电路的衬底。正是因为砷化镓技术的普遍推广，促进了工业界集团朝向微波单片集成电路的方向发展。

三、超高速集成电路与微波单片集成电路在信息作战领域的应用

1、超高速集成电路在雷达和军用电子设备中的应用。超高速集成电路应用至军事雷达与电子装备系统中有效的提高了的在战场上获取情报、侦查情报、分析目标、处理数据等方面的能力；在很大幅度上，有效的提高了雷达、电子设备、武器系统在复杂的环境当中，以最快的速率反应能力与应变能力，实现了信息作战武器系统的高速、高效和精准性。

2、微波单片集成电路在军用雷达中的应用。与普通使用的陆基雷达相比较之下，微波单片集成电路器件与之同样的雷达在相同条件下所耗费的性能提高十倍。相控阵雷达的真正优势在于产生的微波功率的与传输效率较高，发射机的功能消耗等于使用功率管的三分之一，同时接收机的灵活度也提高了2倍。另一方面的优势在于可靠性较强，在此过程中，就算其中有百分之五的构件失灵。雷达系统依然能保证供应更好更多功能工作性能。微波单片集成电路 T/R组件极具紧凑、可靠性高、重量轻、成本低等结构方面的优势。

结束语：综上所述，超高速集成电路能够有效的提高处理信号与处理数据的能力，还能增强信号方面的接收、传输、发射能力的微波单片集成电路电路能实现构建出新一代全新的军用微电子系统，这种系统在军事信息作战领域特别是雷达和电子设备中拥有良好的应用前景。在下一代中的军用雷达关键特征在于它器件方面的模块化与集成化，而超高速集成电路与微波单片集成电路属于提高军用雷达器件集成化、模块化过程中最重要手段之一。

参 考 文 献

[1]严伟. 微电子组装技术在现代雷达中的应用[J]. 微电子学，1994，01：59-63.

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随着国际各大半导体制造企业进入中国，中国的半导体测试业伴随半导体设计/制造业一样进入国际化。中国的半导体测试业必须选择恰当的切入点，在满足现有低端测试服务的基础上，大力开拓中端市场；在高端市场上积极开展合作，引进技术，争取跨越式发展。

测试对设备的新要求

随着IC设计、制造业的快速发展，高速、高密度、SOC、ASIC等新型芯片不断出现，对测试设备提出了高速、高密度、通用性、高性/价比的要求。但高速、高密度、高性能的要求，必然导致测试系统的工艺、结构、器件性能、复杂性的提高，从而使得测试系统体积增加、成本提高。虽然新技术、新器件的使用，提高了测试系统的速度和性能，降低了功耗和成本，但测试性能永远要高于被测芯片的性能，新型高性能IC的速度达到几百兆甚至几千兆，通道数达到几百个到几千个。所以高端、高性能的测试系统仍然是高价格、大体积的特点。

国际上先进的测试设备制造商都针对主流测试市场推出中、高档测试设备、但任何一款测试设备都不能满足不断更新的测试需求，性能、价格的矛盾，适应性和复杂性的矛盾仍需解决。各大测试设备制造商（如泰瑞达、爱德万）都先后提出测试系统的开放性和标准化，使系统具有灵活配置、不断升级、快速编程，以适应各种测试需求。但目前国际化的测试系统开放性标准仍未形成。主要是各大测试设备制造商都希望采用各自的标准。所以目前测试系统的开放标准都有局限性。

国内测试市场正以前所未有的速度增长，随着中国CAD设计水平的提高，将会有大量的各类SOC、ASIC等国产芯片出现，贴近测试市场，提供快速、灵活配置，优良的技术服务，符合国内市场需求价位的国产测试设备，将是最受欢迎的测试设备。为此,北京自动测试技术研究所早在1998年就开展了开放性测试系统的研发，我们采用国际仪器、测控行业推行的开放性、标准化总线VXI、PXI总线，使我们的设备从低端到中高端产品都建立在统一的开放性、标准化总线结构上，保证了产品的兼容性、延续性、开放性及标准化的特点，加快了产品的升级换代。利用其开放性、标准化特点，可方便插入各仪器制造商提供的通用VXI、PXI测量，测试模块灵活配置系统。这对今后大量涌现的数模混合、SOC芯片测试提供了大量测试资源。能够根据测试需求，以最优性/价比配置系统。

测试服务业的新机遇

到2010年，全国集成电路产量将要达到500亿块，将占当时世界市场份额的5％，满足国内市场50％的需求，基本形成具有一定规模的产业群和较为完整的产业链。集成电路产业是由设计业、制造业、封装业和测试业等四业组成。测试业的生存和发展与IC产业息息相关。

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对于这类比较器的设计,减小失调电压是一个大的设计挑战,常用的技术有输入失调存储和输出失调存储等。在文献[10]中,介绍了同时采用输入失调存储和输出失调存储两种技术的自动归零高速比较器。以上文献介绍的比较器的输出级都是由使用正反馈环的高速锁存器组成的,但是,对于连续时间的鉴别器,其输出级需要采用电流放大器来代替[11],因为光电探测器的输出多为电流信号,所以电流模式的比较器[12]在前端电子中也比较受欢迎。在上述文献中,提出采用正反馈机制来提高电流镜的响应速度。对于光电探测器,输出电流的幅度和它们下降沿的斜率与入射的电荷数有关。入射的电荷数不同,下降沿的斜率也不同,这将导致一个称为“时间偏移”的误差。时间移步是探测器前端电子的固有误差,可以通过测量测得,并通过非在线的程序纠正。但是,采用恒比定时鉴别器的在线校正是另一个解决方案。峰值探测采样和保持经过成形的脉冲波形包含了反映被探测器粒子的能量信息,为了完成能量测量,这个脉冲电压的峰值应该被探测、采样并保持,为后续的数字化做准备。因此,峰值探测器是前端电子一个重要模块。目前,峰值探测有三种常用的方法。第一种是对于经过CR-RC成形或半高斯成形的脉冲,可以用一个固定的延迟信号来采样峰值电压[13]。这是因为,对所有输入电荷量级,经过调制的脉冲都有相同的成形时间。可以利用鉴别器采样到的时间标记信号经过一个精确的延时电路来实现。这种方法一般采用一个采样信号控制的开关-电容模拟存储器来实现,精确延时采用一个单稳态电路(Monostablecir-cuit)实现。第二种是,峰值电压可采用一个专用的峰值跟踪采样保持电路[14],这样峰值的探测与时间标记无关。第三种是借助于高速ADC采样成形过的脉冲电压,然后采用拟合算法恢复这个重建脉冲,并算出其最高点的电压[15]。这种电路是新颖的前端电子,目前还在实验阶段。模拟-数字转换随着VLSI和计算机科学的发展,前端电子也进入了“尽快进入数字世界(Godigitalassoonaspossible)”的时代,这种需求推动了高分辨率、高速和低功耗的ADC的开发。近年来,集成ADC技术的发展使得将ADC集成到前端读出ASIC中成为一种可能,因此,信号数字化成为前端电子开发中的一个重要部分。这里,模拟-数字转换指的是将模拟电压信号转换成数字信号的操作。模拟到数字的转换一般包括两部分:采样/保持(S/H)操作和数字量化。对于一个时间连续的输入信号Vin,ADC输出一系列数字码。对于辐射探测器应用,多通道和高于6位的动态范围是很平常的,选择一个合适的ADC用于特殊应用是一个非常困难的工作,现在很多ADC结构都可以作为候选。在文献[16]中,作者调查了过去20年中将近1000个商业ADC的指标和性能,给出了不同结构ADC的特点和应用场合。对于PET前端电子系统,快闪(Flash)结构一般被排除在外,虽然它能够获得超高速,但是其消耗的大功率和电路面积大不符合前端电子系统中需要的高分辨率和多通道要求。半快闪(Half-Flash)和流水线(Pipeline)结构是很多现代商业ADC的基础,能很好地满足要求,但是这些ADC,特别是在很好的微分非线性需要的情况下,设计复杂度较大。逐次逼近ADC设计相对简单,但是如果需要大动态范围和好的线性度,它们的面积让人望而却步。Σ-ΔADC结构能够获得高达24位的分辨率,但是,它的速度一般限制在1MS/s以下。最后,单斜坡或Wilkinson结构的优势是低功耗和多通道,但是其采样率由分辨率和参考时钟频率限定,当时钟为100MHz,一个12位单斜坡ADC的采样率仅几百kS/s。Wilkinson结构非常适合于前端电子高分辨率多通道的要求,并且广泛应用于前端电子系统中。时间-数字转换TDC是量化两个信号(定义为“Start”和“Stop”)之间的微小时间间隔并提供这个时间间隔的数字信号表示的基本电子器件,它的功能如同一个量化电压的ADC,只是TDC处理的模拟量是时间,而ADC处理电压信号。其概念和转换曲线如图5(a)和(b)所示,所测时间间隔为Start信号和Stop信号上升沿50%处的相位差。在图5(c)中,输入模拟量为时间,输出量为二进制数字码。由于受到非匹配和噪声的影响,实际的转换曲线一般偏移理想的曲线并生成量化误差。

PET前端读出电路芯片的研究进展

上个世纪80年代后期,专用集成电路技术开始应用于PET成像系统的前端电子中,前端读出电路的设计与具体的应用、所用的探测器模块和总体的系统性能相关,因而,开发前端电路芯片对专用集成电路设计者来说是一项全定制的复杂工作。早期PET用VLSI研究早在1988年,文献[23]介绍了PET成像前端的VLSI体系结构,但是,没有发现所提结构的进一步实现的报告,原因是第一代PET是一个二维成像仪器,不需要复杂的前端电子。5年后,应用于高分辨率PET扫描仪的数字前端电子专用集成电路实现由D.Newport等人发表[24],该专用集成电路由37000门数字电路组成,采用1μmCMOS门海工艺实现,前端电子的组织依旧是采用离散器件组成的电路在PCB上实现。用于PMT的专用集成电路1997年,W.Wai-hoi等人介绍了采用四象限PMT探测器阵列的可变场PET照相机的前端电子[25],这个工作建立了基于PMT的PET前端电子系统的基本结构,采用四象限PMT探测器阵列的PET系统是早期开发中的重要一支。2002年,B.Swann等人介绍了一款用于这个PET系列的全定制混合信号CMOS集成电路[26],所提出的芯片采用0.5μm的标准CMOS工艺用于LSO/PMT探测器模块,集成了前端读出电路和时间测量电路,其时间分辨率为312.5ps,这个值在当时是相当先进的,但是,能量数字化电路没有和其他模块一起集成。这个芯片的测量结果和特性在文献[27]中发表,基于这颗芯片的电子系统也兼容基于BGO的探测器模块。用于APD的专用集成电路1999年,文献[28]介绍了一个新颖的基于APD的探测器模块,用于多模PET/SPECT/CT扫描仪,这拉开了用于APD探测器的专用电路芯片的序幕。同时,小动物PET的概念也开始出现,一些科学家开始致力于这些系统的前端电子的开发。在2001年和2002年的IEEE核科学和医学成像国际会议上,大量文章涉及了APD前端信号处理芯片。在文献[29]中,M.L.Woodring等人介绍了一款基于APD的小动物PET前端读出芯片。另外,用于小动物PET的前端电子和数据采集方法也在文献[30-31]中得到报道。2004年,因为位置灵敏的APD比PMT具备更好的性能,致力于APD探测器的前端读出电路变得越来越重要。但是,APD生成的信号比PMT弱,以至于为PMT开发的传统技术不能直接用在APD的读出上。因而,需要开发新颖的前端电子,特别是低噪声的前端读出电路。文献[32-35]等主要介绍了基于APD的PET系统的低噪声前端电路和信号处理技术。这些贡献为后续的研究打下了坚实的基础。用于TOFPET的专用集成电路传统的PET成像系统中飞行时间信息只决定两个被探测的光子是否处于时间符合窗口来判断它们是否来自同一个湮灭时间,它不能用来决定响应直线上的两个光子源,因此,响应线上的所有位置发射的概率相同,飞行时间的信息不能为图像重建提供帮助。但是,TOFPET成像系统利用飞行时间差来更好的定位发射光子的湮灭位置[36-37]。具备“飞行时间”功能的PET需要一个时间-数字转换器(TDC)来测量两个光子从湮灭位置到晶体的时间间隔。由于需要高分辨率的时间甄别和诸如“时间偏移(TimeWalk)”等问题,使用高精度TDC需要考虑新颖的前端读出芯片的结构。文献[38]介绍了一个用于TOFPET的多通道读出专用电路芯片,该芯片可以获得105ps(FWHM)的固有时间精度。采用LYSO晶体和PMT的原型系统可以获得330ps的符合时间分辨率,采用22Na示踪剂和片上电荷积分电路能够获得13%的能量分辨率。用于带DOI的PET的专用集成电路对于某些PET来说,测量反应深度可以提供更精确的湮灭位置。文献[39]介绍了一款64通道的混合信号前端集成电路,用于读取基于LSO晶体和光电二极管的PET前端信号。这个PET需要测量反应深度(DOI,Depthofinteraction),每个通道由一个低噪声电荷灵敏放大器、一个CR-RC脉冲成形器和一个“胜者为王”(Winner-take-all)多路复用器。这个复用器能够选择有最大信号的通道,其好处是该模拟复用器不需要译码电路。J.F.Pratte等人在文献[40]中也介绍了一个快速成形放大器,应用于基于APD带DOI的PET/CT,电路采用0.35μm的标准CMOS工艺制造,获得1.49ns的时间分辨率。国内PET系统及前端读出芯片设计技术研究进展国内研究和开发PET成像系统晚于西方发达国家,但已经小有成就。在PET整机方面,中科院高能物理研究所[41]从1983年开始研制PET成像设备,三年后研制出第一台样机。1992年高能所与广州威达公司合作研制第一台两环PET,并于两年后交付医院临床使用,后来又对原有PET进行了升级改造。2005年,高能所研制成功第一台小型PET成像系统。其次,东软集团在2005年引进美国派斯通公司技术,成立“沈阳东软派斯通医疗系统有限公司”作为PET的生产研发基地,于2009年在沈阳研制成功东软Truesight系列PET,包括NSP-P8和NSP-P6C两个型号的产品,已经达到国际同类产品的先进水平,填补了我国在大型高尖端医疗装备领域的一项空白,并获得了美国FDA(美国食品药物管理局)认证。东软成为我国第一家能够生产并面向国际市场销售PET的公司[42]。另外,2010年12月23日,华中科技大学PET仪器开发与多模医学成像实验室研制的PET样机,是我国制成的第二台小动物PET样机,也是国内第一台从源头创新,自主开发的全数字化平板PET样机[43]。目前,国内中国科技大学、清华大学、湖南大学等开始了PET前端电子的研究。王永纲介绍了基于雪崩光电二极管(APD)阵列的PET探测器模块电子学[44]。相关文献[45-46]介绍了采用FPGA成功实现了模数转换电路(ADC)和时数转换电路(TDC)。另外,浙江大学、东南大学、四川大学等高校也开始了PET系统、图像重建和应用等方面的研究,但是没有单片集成的多通道前端读出和信号处理电路系列芯片的相关报道。西北工业大学嵌入式系统集成教育部工程研究中心于2007年4月开始启动生物医学成像应用的前端读出芯片研发项目,通过与法国斯特拉斯堡大学(UniversityofStras-bourg,France)合作,重点展开了PET成像系统前端读出电路芯片的研发。目前,已经研制了用于PET成像系统的低噪声多通道前端读出电路、高分辨率多通道TDC和ADC等原型电路芯片[47-49]。

PET前端读出芯片发展动态分析

近几年来,随着小动物PET的开发,时空分辨率变得越来越小,例如,MicroPET-II[50]的空间分辨率已经减小到1mm3,时间分辨率下降到500ps,这使得前端专用集成电路的设计越来越难。因而,需要新的前端电路结构和信号处理技术。J.D.Martinez等人在文献[51]中发表了他们关于PET成像高速数据采集和数字信号处理系统的工作,主要用于乳腺癌的探测和外科手术指导,这是首次提出采用数字信号处理器(DSP)来处理前端数据采集和处理,这个主意实际上激发了在PET前端电子集成DSP的趋势。关于这个主题的研究还可以在文献[15,52-53]中找到。这些新颖的电子包括:一是采用高速ADC和数字处理算法的流水线结构,其原理来自光传感器信号中的流水线处理技术采用的结构,在经过读出、成形和高速采样之后,前端信号采用数字滤波和专用算法进行能量和时间提取,在存储之前先进行数据处理和选择。这种方法也被P.Guerra等人提出[52],而且他们还介绍了高分辨率PET扫描仪的新颖嵌入式数字前端。这种方法最近被J.F.Genat等人再次提出,用于皮秒级时间测量。比较常用的其他方法,采用高速ADC和DSP技术可以获得几个皮秒的精度。二是集成前端能量测量电路、时间测量电路和模拟-数字接口的单片前端读出芯片,这样,每个前端读出芯片的能量和时间信息均为数字输出,这些数字信号可以简单和高效地读出,而且可以用FPGA和成像专用数字信号处理器来处理采集到的数据。相关的产品已经可从TexasInstruments公司找到[54]。另外,文献[55]中提出了一个多阈值电压采样和时间测量的数据处理方法。这种方法假定探测器输出信号可以建模成一个线性直线和指数曲线的数学模型,设置不同的阈值电压,可以采样到两个点之间的时间间隔,利用数字信号处理算法可以重建原始探测器输出信号,从而可以通过软件获得相应的能量和时间信息。

结论和展望

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早在2006年，钜泉公司授让了珠海炬力集成电路设计有限公司有关电能计量系列芯片的专有技术，双方签订技术转让合同及补充协议，合同总价款为1200万元。此后，钜泉公司进行后续研发，并于2008年将研发完成的布图设计到国家知识产权局申请登记了ATT7021AU布图设计，获得专有权。然而钜泉公司很快发现，在深圳刚刚成立才一年的锐能微公司于2009年研制的单相多功能防窃电专用计量芯片RN8209系列，严重“抄袭”了钜泉公司申请的布图设计。锐能微公司官方网站显示，该芯片在2010年7月获得中国电子工程权威杂志电子工程专辑评选的“2010年度热门产品奖”，2010年9月销售量突破1000万片。

2010年1月，钜泉公司在公证人员陪同下，前往雅创公司经营场所购买了RN8209G型号的集成电路芯片100片。3月，钜泉公司向上海市第一中级人民法院提讼。法院根据钜泉公司申请，作出证据保全裁定。扣押了锐能微公司RN8209G芯片2片，并复制含有集成电路布图设计的相关资料。

4月，锐能微公司向国家知识产权专利复审委员会提出相关撤销申请，专利复审委员经审查后未发现钜泉公司布图设计专有权存在不符合规定可以被撤销的缺陷，遂于6月终止撤销程序。在一审过程中，钜泉公司直指锐能微公司、雅创公司侵犯了其集成电路布图设计专有权，要求两被告立即停止侵权行为、销毁侵权产品及产品宣传资料、在相关媒体公开道歉、赔偿钜泉公司经济损失等共计1500万元。

争论焦点

锐能微公司在诉讼中向国家知识产权局专利复审委员会提出撤销钜泉公司涉案布图设计专有权的申请，以达到“釜底抽薪”效果，后国家知识产权局专利复审委员会因未发现可被撤销的缺陷而终止了撤销程序。

锐能微公司委托上海一家鉴定机构进行鉴定，鉴定结论是钜泉公司所主张的10个独创点不具有独创性，属于常规设计。但因系单方委托，法院未予采信。鉴于案件涉及专业知识，一审法院委托北京紫图知识产权司法鉴定中心（以下简称紫图鉴定中心）对关乎构成侵权与否的关键问题进行司法鉴定，即锐能微公司制造、销售的RN8209G和RN8209集成电路产品中的布图设计与钜泉公司 ATT7021AU集成电路布图设计是否相同或者实质性相似，以及如存在相同或者实质性相似则该部分的布图设计是否具有独创性。

经技术对比和判断，紫图鉴定中心出具的《鉴定意见书》最终认定，锐能微公司产品RN8209、RN8209G中的布图设计与钜泉公司主张的独创点5（数字地轨与模拟地轨衔接的布图）相同和独创点7（模拟数字转换电路的布图）中第二区段独立升压器电路的布图相同；上述两个点具有独创性，且不属于常规设计。

对此，钜泉公司基本认同，而锐能微公司则强烈质疑，认为上述两个独创点属于常规设计；即使具有独创性，该两部分布图设计亦仅占整个芯片布图设计的很小部分，不到1%，两家公司布图设计的相似度很低，既不相同，也不构成实质性相似，不应当判定为侵权。

经各方当事人质证，并结合鉴定专家意见，一审法院最终采信了紫图鉴定中心鉴定意见，并据此作出了锐能微公司构成侵权，承担停止侵权，赔偿钜泉公司经济损失及为制止侵权行为所支付的合理开支，共计人民币320万元的判决。

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关键词:硅基;锗,外延;光电探测器

Epitaxy and application of Ge layer on Silicon substrate

Huiwen Nie1, Buwen Cheng2

(1.Hunan Chemical Engineering Machinery School, Hunan Industrial Technology College

2.State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, Institute

of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083)

Abstract: Silicon is the most important semiconductor material and it is irreplaceable in the information industry. But Silicon also has some shortcomings, such as very low luminescence efficiency and low device speed due to the indirect bandgap and low carrier mobility. Growing other semiconductors on Si substrate can take the advantages of the different semiconductors and improve the performance of the Si-based devices and integrated circuits. The progress of Ge growth on Si was introduced in the paper. The application of the Si-based Ge epitaxy layer was discussed, especially the application on Si-based high speed photodetectors operating at long wavelength.

Key words: Si-based, Germanium, Epitaxy, Photodetector

1引言

硅基光电集成将微电子技术和光子学技术进行融合,是微电子技术的继承和发展,是信息技术发展的重要前沿研究领域。其研究内容包括硅基高效光源、硅基高速光电探测器、硅基高速光调制器、低损耗光波导器件等。硅衬底上外延生长的锗(Ge)材料是硅基高速长波长光电探测器的首选材料[1]。近几年来人们在硅基Ge材料外延生长方面取得了突破性进展,并用它研制出了3 dB带宽达40 GHz的高速光电探测器,解决了硅基光电集成的探测器研制难题。

Ge的电子和空穴迁移率都很高,Ge是所有半导体体材料中空穴迁移率最高的材料,所以Ge是研制高速集成电路的可选材料。人们曾经用Ge研制出了第一只半导体晶体管,但是由于Ge的氧化物不稳定,界面态控制困难,限制了其在集成电路方面的应用,使载流子迁移率并不高的Si材料成为集成电路和信息产业的支柱。硅集成电路遵循摩尔定律飞速发展着,但是随着特征线宽的进一步缩小,集成电路的集成度和性能的提高遇到了前所未有的挑战。人们在不断提出创新性的方案以使硅集成电路继续沿着摩尔定律发展,包括应变硅技术、高K介质技术等等。利用新的高迁移率半导体材料来替换(部分替换)Si材料,研制新型高速电路也是一个很好的途径。近年有很多的研究组开展了Ge高速集成电路方面的研究,取得了很多重要的进展。但是Ge材料的机械加工性能比硅差、Ge衬底材料的尺寸比较小、Ge材料价格昂贵、地球上Ge的丰度小,这些将是限制Ge集成电路发展的重要障碍。在硅衬底上外延出Ge材料,并用它研制高速电路,则可以解决上述障碍,并且可以充分发挥Si和Ge的各自优势,实现Si CMOS和Ge CMOS集成的高速集成电路,所以硅基Ge外延材料在新型高速集成电路方面将有可能发挥重要作用。

另外,由于Ge的晶格常数与GaAs的晶格常数匹配较好,硅基Ge外延材料可以作为GaAs系材料外延的衬底材料,制备化合物半导体材料与硅材料集成的新型材料,在多节高效太阳能电池、硅基高速电路、硅基光电单片集成等方面具有潜在的重要应用前景。所以硅基Ge材料是近年最重要的硅基异质外延材料之一。本文将重点介绍硅基Ge材料的外延生长方法及其在硅基光电探测器方面的应用。

2硅基Ge材料的生长

材料的平衡生长模式有三种:Frank-van der Merwe模式(FM,层状)、Volmer-Weber模式 (VW,岛状)和Stranski-Krastanow模式 (SK,先是层状生长,然后是岛状生长)。图1示出了三种生长模式的生长过程。晶体薄膜的平衡生长按哪一种模式生长取决于衬底表面能、薄膜表面能和界面能。如果薄膜表面能和界面能之和总是小于衬底的表面能,即满足浸润条件,则是层状生长,反之,如果薄膜表面能与界面能之和总是大于衬底的表面能,则生长会是岛状生长模式。如果在开始生长时,满足浸润条件,是层状生长,但由于存在应变,随生长层数的增加,应变能增加,使界面能增加,从而使浸润条件不再满足,外延层会形成位错以释放应变或者在表面原子有足够的迁移率时,形成三维的岛,从而生长转化为岛状生长。虽然大多数的低温生长过程是远离平衡态或接衡态的生长,但平衡生长模式是材料生长的热力学极限情况,对真实的材料生长模式有重要的决定作用。

硅和锗具有相同的金刚石结构,但它们的晶格常数不同,Si的晶格常数为0.5431 nm,Ge的晶格常数为0.5657 nm,Si衬底上外延生长Ge时,其晶格失配达4.2%。Ge-Ge键比Si-Si键弱,所以Ge具有比Si小的表面能。在Si上生长Ge时,开始时满足浸润条件,生长是层状生长,随生长厚度的增加,由于晶格失配,应变能增加,浸润条件不再满足,生长将转化为岛状生长。所以Si衬底上生长Ge是典型的SK生长模式。而且由于晶格失配,将会形成高密度的失配位错,难于在Si上生长出高质量的Ge材料,需要在工艺技术上进行创新研究,将失配位错限制在界面附近,从而保持表面器件层材料有好的晶体质量。

目前在Si衬底上生长Ge材料的主要工艺有三种:

(1) 组分渐变的SiGe Buffer层工艺[2][3]。该工艺首先生长Ge组分从0到100%逐渐增加的SiGe Buffer层,使应变逐渐释放,以获得位错密度低的Buffer层,然后在其上生长Ge外延层。该方法可以生长晶格质量很好的Ge材料,位错密度可以达到106 cm-2量级,但是由于表面会有很大的起伏,必须在生长后或生长中间插入化学机械抛光工艺流程,制作的工艺复杂耗时,而且为了获得好的晶体质量,SiGe Buffer层中Ge组分的增加速度必须控制在≤0.1/μm,所以SiGe组分渐变层的厚度将达到10μm以上,这样的材料不利于制作集成器件。

(2) Si图形衬底上生长Ge。就是在刻蚀有图形的Si衬底上进行Ge的生长,主要有两种方式,一种是在Si衬底上刻蚀出一维或二维结构的台面,然后进行Ge的外延生长[4][5][6],该方法使失配位错只要迁移到图形台面的边沿就可以消失,而不像平面衬底材料,必须迁移到衬底的边沿,所以图形衬底可以减小失配位错迁移的距离,从而减少了位错的相互作用和衍生的几率,进而降低了位错密度。另一种图形衬底是在Si衬底上制备SiO2薄膜,然后光刻并刻蚀SiO2露出生长Ge的窗口,Ge将选择性地在露出Si的位置生长,并可以横向过生长而在SiO2表面合并,形成完整的Ge外延层[7][8]。该方法的原理可以理解为与前述方法一样,但是如果窗口很小,与SiO2层厚度相当时,可以有另外一种减少位错密度的机制,那就是位错瓶颈(necking)机制[9]。Si与Ge之间由于晶格失配形成的穿透位错一般存在于方向的{111}面,所以如果在(110)横截面观察,会发现位错与(100)衬底呈54.7度角向表面延伸。当SiO2厚度与窗口尺寸相当,则窗口内生长形成的位错向上延伸过程中将全部或大部分被氧化硅的侧壁所阻档,从而生长出高质量的Ge材料。该工艺过程类似于切克劳斯基(Czochralski) Si单晶拉制过程,在切克劳斯基Si单晶拉制工艺中,在拉制前子晶被限制成很小的尺寸以消除缺陷。结合低温Ge Buffer工艺和图形衬底,Ge层的晶体质量可以得到进一步的提高,位错密度可以降低到106 cm-2量级。图形衬底上生长异质结材料(如Ge/Si, GaAs/Si等)的研究表明,外延层材料的位错密度与图形的尺寸密切相关,图形尺寸越小,位错密度越低,所以,制作具有小尺寸图形的衬底是生长低位错密度材料的基础。人们开始时利用的是普通的光刻腐蚀方法制备图形衬底,由于受光刻尺寸的限制,图形尺寸比较大,为微米量级。电子束光刻可以实现小尺寸,但不适合于制作大面积图形衬底,用它难于实现产业化生产。激光干涉法光刻可以制作几百nm级的小尺寸图形,而且可以进行大面积图形衬底的制作,是一种很好的方法,被人们所应用。但是为了进一步提高外延材料的质量,减少外延材料的位错密度,需要制作更小的纳米尺寸图形的衬底,这时,激光干涉光刻法也无能为力了,需要寻求新的方法。利用高密度的反应离子刻蚀,可以在Si表面刻蚀出纳米微结构的表面。在SF6气氛下,用脉冲激光照射Si表面,也可以制作出纳米微结构的表面。这些制作纳米微结构表面的方法被人们用于研制高响应度的光电探测器。如果在这些方法制备的具有纳米微结构的Si衬底上生长Ge材料,由于其图形尺寸小,可望获得低位错密度的Ge外延材料。另外,采用阳极氧化Al膜的方法也可以制备出纳米尺寸的图形衬底。

(3) 低温Ge Buffer层工艺。该工艺首先在400℃以下的温度下生长出应力弛豫的Ge Buffer层,厚度约50 nm,然后将衬底温度提高到600℃左右,生长合适厚度的Ge层。生长后,为了提高材料质量,可以进行循环退火处理。最终获得的材料的位错密度一般在107 cm-2量级的水平,表面的平整度也比较好。该方法的优点是工艺简单、生长时间短、Buffer层薄、适合制作集成器件。该生长工艺的机理已经为人们所熟悉[10]。人们用MBE在低温生长Ge层时发现了H可以当作表面活性剂,使之保持二维生长而不是向三维生长转化的SK模式[11][12][13]。根据这一原理,人们提出了CVD两步生长Ge的方法,即低温Ge Buffer层方法[14]。由于CVD方法生长Ge时,在低温时表面会有H的覆盖,第一步的低温过程中Ge的生长将保持二维生长,并且以位错而不是以起伏的形式释放应力,从而获得平整弛豫的Ge Buffer层。接着在Buffer层上在约600℃下生长厚的Ge材料。

目前人们基本上倾向于用Ge低温过渡层技术来外延生长硅基Ge材料,取得了很好的结果。图2是中国科学院半导体研究所用低温Ge过渡层技术在Si(100)衬底上外延生长的Ge材料的截面透射电镜照片[15]。从图可以看出晶格失配位错主要是以处于Si/Ge界面附近的Lomer位错的形式存在,而且分布比较均匀,具有好的周期性,表面附近的Ge外延层中位错很少。理论计算表明,如果认为应力全部由Lomer位错释放,位错将周期性均匀分布,沿(110)方向,位错分布的周期为9.6 nm。从图2中可以看出位错分布周期为9.7 nm,说明绝大部分的应力是通过Lomer位错释放的。Lomer位错与生长平面平行,不会向外延的Ge层穿透,这就保障了Ge外延层的晶格质量。图3给出了Si衬底上外延生长的Ge材料的X光双晶衍射曲线和卢瑟福背散射测量的结果。从X射线双晶衍射曲线可以看出,除了Si衬底的衍射峰外,只有一个强而锐的Ge衍射峰,Ge衍射峰的半高宽只有128秒,说明Ge材料具有很好的晶体质量。卢瑟福背散射测试结果可以看出,沟道谱产额与随机谱产额之比为3.4%左右,与衬底Si材料的值相当,说明材料质量很好。在Si/Ge界面处,沟道产额有增加,这说明在界面处晶体质量要差一些。

3硅基Ge材料的应用

硅基Ge材料可能的应用范围很广。首先,它是硅基长波长光电探测器的首选材料,它的应用对推动硅基光电子学的发展,特别是硅基单片光电集成具有重要意义。其次,硅基Ge外延材料可以作为硅基高速电路研究的新材料。由于Ge的电子和空穴迁移率都很高,近年人们正在投入大量精力开展Ge MOS电路的研制,并取得了一些很好的结果,可以预见,高性能的Ge MOS电路将会很快得以实现。但是Ge的机械性能比Si差,价格贵,地球上的丰度低,将硅基Ge外延材料代替Ge单晶材料,在价格、与现有微电子工艺兼容性等方面显然具有明显的优势。再其次,Ge与GaAs材料晶格匹配,硅基Ge外延材料可以作为硅基GaAs等材料的衬底,在硅基光电集成、硅基高效太阳能电池研制等方面有重要应用前景。

目前,硅基Ge外延材料的主要应用是硅基高速长波长光电探测器。如意大利的Silvia Fama等研制出的Si上Ge长波长光电探测器[16],用CVD方法生长4μm的Ge作为光吸收层,垂直入射的探测方式,在1.3μm 和1.55μm处的响应度分别为0.89 A/W和0.75 A/W,直径为135μm的器件的响应时间

吸收区与倍增区分离的Ge/Si 雪崩光电探测器(SACM-APD)是另一重要的硅基长波长光电探测器。Si是最好的倍增材料,Si APD已经很成熟,但是其带隙决定了它不能实现1310 nm和1550 nm的光响应。在Si上外延生长Ge材料,用Ge作为长波光响应吸收材料,而将Si作为倍增材料,可以实现硅基长波长微弱信号的低噪声探测。目前Intel公司和中国科学院半导体研究所都已研制出这种光电探测器。图6是中国科学院半导体研究所研制出的吸收区与倍增区分离的Ge/Si雪崩光电探测器的结构示意图和不同入射光功率下的光电流谱[24]。在N型高掺杂的Si衬底上首先生长700 nm左右的不掺杂的Si倍增区,然后制备100 nm掺杂浓度为1.6×1017 cm-3的电荷层,在电荷层上外延1.0微米的不掺杂的Ge吸收层和0.2微米的p型高掺杂Ge接触层。制作台面结构器件,器件的穿通电压为29 V,击穿电压为39.5 V,工作在39 V下,在1310 nm波长光下的光响应为20 A/W,对应的倍增因子为40。Intel公司对他们研制的Ge/Si SACM-APD进行了深入的特性分析,具有很好的直流和高频特性,增益带宽积达到340 GHz[25],是目前报道的所有半导体APD器件的最好结果。

4结束语

经过不懈努力,人们已经可以在硅衬底上外延生长出晶体质量优良的Ge材料,并用这一材料研制出了多种结构的硅基长波长高速光电探测器及其阵列,取得了重要进展。同时,人们也正在努力探索这一材料在其它方面的应用,如已经用它研制出了室温电注入发光器件[26]、在硅基Ge材料上外延生长出了GaAs等化合物半导体材料等。可以预见,硅基Ge外延材料将以其优良的加工性、低廉的价格、优良的光电特性、灵活优异的集成性等特点,在微电子学、光子学、光电集成和高效太阳能电池等方面发挥重要作用。

5致谢

本文介绍的部分工作得到"973"课题(2007CB613404)、国家自然科学基金项目(60676005)和"863计划"项目(2006AA03Z415)的资助。

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