微电子学论文范文

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篇1

关键词微电子技术集成系统微机电系统DNA芯片

1引言

综观人类社会发展的文明史，一切生产方式和生活方式的重大变革都是由于新的科学发现和新技术的产生而引发的，科学技术作为革命的力量，推动着人类社会向前发展。从50多年前晶体管的发明到目前微电子技术成为整个信息社会的基础和核心的发展历史充分证明了“科学技术是第一生产力”。信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，与材料和能源一起是人类社会的重要资源，但对它的利用却仅仅是开始。当前面临的信息革命以数字化和网络化作为特征。数字化大大改善了人们对信息的利用，更好地满足了人们对信息的需求；而网络化则使人们更为方便地交换信息，使整个地球成为一个“地球村”。以数字化和网络化为特征的信息技术同一般技术不同，它具有极强的渗透性和基础性，它可以渗透和改造各种产业和行业，改变着人类的生产和生活方式，改变着经济形态和社会、政治、文化等各个领域。而它的基础之一就是微电子技术。可以毫不夸张地说，没有微电子技术的进步，就不可能有今天信息技术的蓬勃发展，微电子已经成为整个信息社会发展的基石。

50多年来微电子技术的发展历史，实际上就是不断创新的过程，这里指的创新包括原始创新、技术创新和应用创新等。晶体管的发明并不是一个孤立的精心设计的实验，而是一系列固体物理、半导体物理、材料科学等取得重大突破后的必然结果。1947年发明点接触型晶体管、1948年发明结型场效应晶体管以及以后的硅平面工艺、集成电路、CMOS技术、半导体随机存储器、CPU、非挥发存储器等微电子领域的重大发明也都是一系列创新成果的体现。同时，每一项重大发明又都开拓出一个新的领域，带来了新的巨大市场，对我们的生产、生活方式产生了重大的影响。也正是由于微电子技术领域的不断创新，才能使微电子能够以每三年集成度翻两番、特征尺寸缩小倍的速度持续发展几十年。自1968年开始，与硅技术有关的学术论文数量已经超过了与钢铁有关的学术论文，所以有人认为，1968年以后人类进入了继石器、青铜器、铁器时代之后硅石时代（siliconage）〖1〗。因此可以说社会发展的本质是创新，没有创新，社会就只能被囚禁在“超稳态”陷阱之中。虽然创新作为经济发展的改革动力往往会给社会带来“创造性的破坏”，但经过这种破坏后，又将开始一个新的处于更高层次的创新循环，社会就是以这样螺旋形上升的方式向前发展。

在微电子技术发展的前50年，创新起到了决定性的作用，而今后微电子技术的发展仍将依赖于一系列创新性成果的出现。我们认为：目前微电子技术已经发展到了一个很关键的时期，21世纪上半叶，也就是今后50年微电子技术的发展趋势和主要的创新领域主要有以下四个方面：以硅基CMOS电路为主流工艺；系统芯片（SystemOnAChip，SOC）为发展重点；量子电子器件和以分子（原子）自组装技术为基础的纳米电子学；与其他学科的结合诞生新的技术增长点，如MEMS，DNAChip等。

221世纪上半叶仍将以硅基CMOS电路为主流工艺

微电子技术发展的目标是不断提高集成系统的性能及性能价格比，因此便要求提高芯片的集成度，这是不断缩小半导体器件特征尺寸的动力源泉。以MOS技术为例，沟道长度缩小可以提高集成电路的速度；同时缩小沟道长度和宽度还可减小器件尺寸，提高集成度，从而在芯片上集成更多数目的晶体管，将结构更加复杂、性能更加完善的电子系统集成在一个芯片上；此外，随着集成度的提高，系统的速度和可靠性也大大提高，价格大幅度下降。由于片内信号的延迟总小于芯片间的信号延迟，这样在器件尺寸缩小后，即使器件本身的性能没有提高，整个集成系统的性能也可以得到很大的提高。

自1958年集成电路发明以来，为了提高电子系统的性能，降低成本，微电子器件的特征尺寸不断缩小，加工精度不断提高，同时硅片的面积不断增大。集成电路芯片的发展基本上遵循了Intel公司创始人之一的GordonE．Moore1965年预言的摩尔定律，即每隔三年集成度增加4倍，特征尺寸缩小倍。在这期间，虽然有很多人预测这种发展趋势将减缓，但是微电子产业三十多年来发展的状况证实了Moore的预言[2]。而且根据我们的预测，微电子技术的这种发展趋势还将在21世纪继续一段时期，这是其它任何产业都无法与之比拟的。

现在，0．18微米CMOS工艺技术已成为微电子产业的主流技术，0．035微米乃至0．020微米的器件已在实验室中制备成功，研究工作已进入亚0．1微米技术阶段，相应的栅氧化层厚度只有2．0～1．0nm。预计到2010年，特征尺寸为0．05～0．07微米的64GDRAM产品将投入批量生产。

21世纪，起码是21世纪上半叶,微电子生产技术仍将以尺寸不断缩小的硅基CMOS工艺技术为主流。尽管微电子学在化合物和其它新材料方面的研究取得了很大进展；但还不具备替代硅基工艺的条件。根据科学技术的发展规律，一种新技术从诞生到成为主流技术一般需要20到30年的时间，硅集成电路技术自1947年发明晶体管1958年发明集成电路,到60年代末发展成为大产业也经历了20多年的时间。另外，全世界数以万亿美元计的设备和技术投入，已使硅基工艺形成非常强大的产业能力；同时，长期的科研投入已使人们对硅及其衍生物各种属性的了解达到十分深入、十分透彻的地步，成为自然界100多种元素之最，这是非常宝贵的知识积累。产业能力和知识积累决定了硅基工艺起码将在50年内仍起重要作用，人们不会轻易放弃。

目前很多人认为当微电子技术的特征尺寸在2015年达到0．030～0．015微米的“极限”之后，将是硅技术时代的结束，这实际上是一种误解。且不说微电子技术除了以特征尺寸为代表的加工工艺技术之外，还有设计技术、系统结构等方面需要进一步的大力发展，这些技术的发展必将使微电子产业继续高速增长。即使是加工工艺技术，很多著名的微电子学家也预测，微电子产业将于2030年左右步入像汽车工业、航空工业这样的比较成熟的朝阳工业领域。即使微电子产业步入汽车、航空等成熟工业领域，它仍将保持快速发展趋势，就像汽车、航空工业已经发展了50多年仍极具发展潜力一样。

随着器件的特征尺寸越来越小，不可避免地会遇到器件结构、关键工艺、集成技术以及材料等方面的一系列问题，究其原因，主要是：对其中的物理规律等科学问题的认识还停留在集成电路诞生和发展初期所形成的经典或半经典理论基础上，这些理论适合于描述微米量级的微电子器件，但对空间尺度为纳米量级、空间尺度为飞秒量级的系统芯片中的新器件则难以适用；在材料体系上，SiO2栅介质材料、多晶硅／硅化物栅电极等传统材料由于受到材料特性的制约，已无法满足亚50纳米器件及电路的需求；同时传统器件结构也已无法满足亚50纳米器件的要求，必须发展新型的器件结构和微细加工、互连、集成等关键工艺技术。具体的需要创新和重点发展的领域包括：基于介观和量子物理基础的半导体器件的输运理论、器件模型、模拟和仿真软件，新型器件结构，高k栅介质材料和新型栅结构，电子束步进光刻、13nmEUV光刻、超细线条刻蚀，SOI、GeSi／Si等与硅基工艺兼容的新型电路，低K介质和Cu互连以及量子器件和纳米电子器件的制备和集成技术等。

3量子电子器件（QED）和以分子原子自组装技术为基础的纳米电子学将带来崭新的领域

在上节我们谈到的以尺寸不断缩小的硅基CMOS工艺技术，可称之为“scalingdown”，与此同时我们必须注意“bottomup”。“bottomup”最重要的领域有二个方面：

(1)量子电子器件（QED—QuantumElectronDevice）这里包括单电子器件和单电子存储器等。它的基本原理是基于库仑阻塞机理控制一个或几个电子运动，由于系统能量的改变和库仑作用，一个电子进入到一个势阱，则将阻止其它电子的进入。在单电子存储器中量子阱替代了通常存储器中的浮栅。它的主要优点是集成度高；由于只有一个或几个电子活动所以功耗极低；由于相对小的电容和电阻以及短的隧道穿透时间，所以速度很快；且可用于多值逻辑和超高频振荡。但它的问题是制造比较困难，特别是制造大量的一致性器件很困难；对环境高度敏感，可靠性难以保证；在室温工作时要求电容极小（αF），要求量子点大小在几个纳米。这些都为集成成电路带来了很大困难。

因此，目前可以认为它们的理论是清楚的，工艺有待于探索和突破。

(2)以原子分子自组装技术为基础的纳米电子学。这里包括量子点阵列（QCA—Quantum－dotCellularAutomata)和以碳纳米管为基础的原子分子器件等。

量子点阵列由量子点组成，至少由四个量子点,它们之间以静电力作用。根据电子占据量子点的状态形成“0”和“1”状态。它在本质上是一种非晶体管和无线的方式达到阵列的高密度、低功耗和实现互连。其基本优势是开关速度快，功耗低，集成密度高。但难以制造，且对值置变化和大小改变都极为灵敏，0．05nm的变化可以造成单元工作失效。

以碳纳米管为基础的原子分子器件是近年来快速发展的一个有前景的领域。碳原子之间的键合力很强，可支持高密度电流，而热导性能类似于金刚石，能在高集成度时大大减小热耗散，性质类金属和半导体，特别是它有三种可能的杂交态，而Ge、Si只有一个。这些都使碳纳米管（CNT）成为当前科研热点，从1991年发现以来，现在已有大量成果涌现，北京大学纳米中心彭练矛教授也已制备出0．33纳米的CNT并提出“T形结”作为晶体管的可能性。但是问题是如何去生长有序的符合设计性能的CNT器件，更难以集成。

目前“bottomup”的量子器件和以自组装技术为基础的纳米器件在制造工艺上往往与“Scalingdown”的加工方法相结合以制造器件。这对于解决高集成度CMOS电路的功耗制约将会带来突破性的进展。

QCA和CNT器件不论在理论上还是加工技术上都有大量工作要做，有待突破，离开实际应用还需较长时日！但这终究是一个诱人探索的领域，我们期待它们将创出一个新的天地。

4系统芯片（SystemOnAChip）是21世纪微电子技术发展的重点

在集成电路（IC）发展初期，电路设计都从器件的物理版图设计入手，后来出现了集成电路单元库（Cell－Lib），使得集成电路设计从器件级进入逻辑级，这样的设计思路使大批电路和逻辑设计师可以直接参与集成电路设计，极大地推动了IC产业的发展。但集成电路仅仅是一种半成品，它只有装入整机系统才能发挥它的作用。IC芯片是通过印刷电路板（PCB）等技术实现整机系统的。尽管IC的速度可以很高、功耗可以很小，但由于PCB板中IC芯片之间的连线延时、PCB板可靠性以及重量等因素的限制，整机系统的性能受到了很大的限制。随着系统向高速度、低功耗、低电压和多媒体、网络化、移动化的发展，系统对电路的要求越来越高，传统集成电路设计技术已无法满足性能日益提高的整机系统的要求。同时，由于IC设计与工艺技术水平提高，集成电路规模越来越大，复杂程度越来越高，已经可以将整个系统集成为一个芯片。目前已经可以在一个芯片上集成108－109个晶体管，而且随着微电子制造技术的发展，21世纪的微电子技术将从目前的3G时代逐步发展到3T时代（即存储容量由G位发展到T位、集成电路器件的速度由GHz发展到灯THz、数据传输速率由Gbps发展到Tbps，注：1G=109、1T=1012、bps：每秒传输数据位数）。

正是在需求牵引和技术推动的双重作用下，出现了将整个系统集成在一个微电子芯片上的系统芯片（SystemOnAChip，简称SOC）概念。

系统芯片（SOC）与集成电路（IC）的设计思想是不同的，它是微电子设计领域的一场革命，它和集成电路的关系与当时集成电路与分立元器件的关系类似，它对微电子技术的推动作用不亚于自50年代末快速发展起来的集成电路技术。

SOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个（或少数几个）芯片上完成整个系统的功能，它的设计必须是从系统行为级开始的自顶向下（Top－Down）的。很多研究表明，与IC组成的系统相比，由于SOC设计能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，可以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标。例如若采用SOC方法和0．35μm工艺设计系统芯片,在相同的系统复杂度和处理速率下，能够相当于采用0．18～0.25μm工艺制作的IC所实现的同样系统的性能；还有，与采用常规IC方法设计的芯片相比,采用SOC设计方法完成同样功能所需要的晶体管数目约可以降低l～2个数量级。

对于系统芯片（SOC）的发展，主要有三个关键的支持技术。

（1）软、硬件的协同设计技术。面向不同系统的软件和硬件的功能划分理论（FunctionalPartitionTheory），这里不同的系统涉及诸多计算机系统、通讯系统、数据压缩解压缩和加密解密系统等等。

（2）IP模块库问题。IP模块有三种,即软核，主要是功能描述；固核，主要为结构设计；和硬核，基于工艺的物理设计、与工艺相关，并经过工艺验证过的。其中以硬核使用价值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和FlashMemory以及A／D、D／A等都可以成为硬核。其中尤以基于深亚微米的新器件模型和电路模拟为基础，在速度与功耗上经过优化并有最大工艺容差的模块最有价值。现在,美国硅谷在80年代出现无生产线（Fabless)公司的基础上，90年代后期又出现了一些无芯片（Chipless）的公司,专门销售IP模块。

（3）模块界面间的综合分析技术,这主要包括IP模块间的胶联逻辑技术（gluelogictechnologies）和IP模块综合分析及其实现技术等。

微电子技术从IC向SOC转变不仅是一种概念上的突破,同时也是信息技术新发展的里程碑。通过以上三个支持技术的创新,它必将导致又一次以系统芯片为主的信息技术上的革命。目前，SOC技术已经崭露头角，21世纪将是SOC技术真正快速发展的时期。

在新一代系统芯片领域，需要重点突破的创新点主要包括实现系统功能的算法和电路结构两个方面。在微电子技术的发展历史上,每一种算法的提出都会引起一场变革，例如维特比算法、小波变换等均对集成电路设计技术的发展起到了非常重要的作用,目前神经网络、模糊算法等也很有可能取得较大的突破。提出一种新的电路结构可以带动一系列的应用,但提出一种新的算法则可以带动一个新的领域,因此算法应是今后系统芯片领域研究的重点学科之一。在电路结构方面,在系统芯片中，由于射频、存储器件的加入，其中的电路结构已经不是传统意义上的CMOS结构，因此需要发展更灵巧的新型电路结构。另外，为了实现胶联逻辑（GlueLogic）新的逻辑阵列技术有望得到快速的发展,在这一方面也需要做系统深入的研究。

5微电子与其他学科的结合诞生新的技术增长点

微电子技术的强大生命力在于它可以低成本、大批量地生产出具有高可靠性和高精度的微电子结构模块。这种技术一旦与其它学科相结合,便会诞生出一系列崭新的学科和重大的经济增长点，这方面的典型例子便是MEMS（微机电系统）技术和DNA生物芯片。前者是微电子技术与机械、光学等领域结合而诞生的，后者则是与生物工程技术结合的产物。

微电子机械系统不仅是微电子技术的拓宽和延伸,它将微电子技术和精密机械加工技术相互融合，实现了微电子与机械融为一体的系统。MEMS将电子系统和外部世界联系起来，它不仅可以感受运动、光、声、热、磁等自然界的外部信号，把这些信号转换成电子系统可以认识的电信号，而且还可以通过电子系统控制这些信号，发出指令并完成该指令。从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统。MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等〖3〗。

MEMS的发展开辟了一个全新的技术领域和产业。它们不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统所不能完成的任务。正是由于MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异及功能强大等传统传感器无法比拟的优点,因而MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。例如微惯性传感器及其组成的微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统（ABS）、稳定控制和玩具；微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护；信息MEMS系统将在射频系统、全光通讯系统和高密度存储器和显示等方面发挥重大作用；同时MEMS系统还可以用于医疗、光谱分析、信息采集等等。现在已经成功地制造出了尖端直径为5μm的可以夹起一个红细胞的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等。

MEMS技术及其产品的增长速度非常之高，目前正处在技术发展时期，再过若干年将会迎来MEMS产业化高速发展的时期。2000年，全世界MEMS的市场达到120到140亿美元，而带来的与之相关的市场达到1000亿美元。

目前，MEMS系统与集成电路发展的初期情况极为相似。集成电路发展初期，其电路在今天看来是很简单的，应用也非常有限，以军事需求为主,但它的诱人前景吸引了人们进行大量投资，促进了集成电路飞速发展。集成电路技术的进步,加快了计算机更新换代的速度，对CPU和RAM的需求越来越大,反过来又促进了集成电路的发展。集成电路和计算机在发展中相互推动，形成了今天的双赢局面，带来了一场信息革命。现阶段的微机电系统专用性很强，单个系统的应用范围非常有限,还没有出现类似于CPU和RAM这样量大面广的产品。随着微机电系统的进步，最后将有可能形成像微电子技术一样有广泛应用前景的新产业，从而对人们的社会生产和生活方式产生重大影响。

当前MEMS系统能否取得更更大突破，取决于两方面的因素：第一是在微系统理论与基础技术方面取得突破性进展，使人们依靠掌握的理论和基础技术可以高效地设计制造出所需的微系统；第二是找准应用突破口，扬长避短，以特别适合微系统应用的重大领域为目标进行研究,取得突破，从而带动微系统产业的发展。在MEMS发展中需要继续解决的问题主要有：MEMS建模与设计方法学研究；三维微结构构造原理、方法、仿真及制造；微小尺度力学和热学研究；MEMS的表征与计量方法学；纳结构与集成技术等。

微电子与生物技术紧密结合诞生的以DNA芯片等为代表的生物芯片将是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点。它是以生物科学为基础，利用生物体、生物组织或细胞等的特点和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，并与工程技术相结合进行加工生产，它是生命科学与技术科学相结合的产物。具有附加值高、资源占用少等一系列特点，正日益受到广泛关注。目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片。

采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片上制作出包含有多达万种DNA基因片段的芯片。利用这种芯片可以在极快的时间内检测或发现遗传基因的变化等情况，这无疑对遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要的作用。

DNA芯片的基本思想是通过生物反应或施加电场等措施使一些特殊的物质能够反映出某种基因的特性从而起到检测基因的目的。目前Stanford和Affymetrix公司的研究人员已经利用微电子技术在硅片或玻璃片上制作出了DNA芯片〖4〗。他们制作的DNA芯片是通过在玻璃片上刻蚀出非常小的沟槽，然后在沟槽中覆盖一层DNA纤维。不同的DNA纤维图案分别表示不同的DNA基因片段，该芯片共包括6000余种DNA基因片段。DNA（脱氧核糖核酸）是生物学中最重要的一种物质，它包含有大量的生物遗传信息，DNA芯片的作用非常巨大，其应用领域也非常广泛：它不仅可以用于基因学研究、生物医学等，而且随着DNA芯片的发展还将形成微电子生物信息系统，这样该技术将广泛应用到农业、工业、医学和环境保护等人类生活的各个方面，那时，生物芯片有可能象今天的IC芯片一样无处不在。

目前的生物芯片主要是指通过平面微细加工技术及超分子自组装技术，在固体芯片表面构建的微分析单元和系统，以实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞以及其它生物组分的准确、快速、大信息量的筛选或检测。生物芯片的主要研究包括采用生物芯片的具体实现技术、基于生物芯片的生物信息学以及高密度生物芯片的设计、检测方法学等等。

6结语

在微电子学发展历程的前50年中，创新和基础研究曾起到非常关键的决定性作用。而随着器件特征尺寸的缩小、纳米电子学的出现、新一代SOC的发展、MEMS和DNA芯片的崛起，又提出了一系列新的课题，客观需求正在“召唤”创新成果的诞生。

回顾20世纪后50年，展望21世纪前50年，即百年的微电子科学技术发展历程，使我们深切地感受到，世纪之交的微电子技术对我们既是一个重大的机遇，也是一个严峻的挑战，如果我们能够抓住这个机遇，立足创新，去勇敢地迎接这个挑战，则有可能使我国微电子技术实现腾飞，在新一代微电子技术中拥有自己的知识产权，促进我国微电子产业的发展，为迎接21世纪中叶将要到来的伟大的民族复兴奠定技术基础，以重铸中华民族的辉煌！

参考文献

[1]S.M.SZE:LecturenoteatPekingUniversity,FourDecadesofDevelopmentsinMicroelectronics:Achievementsandchallenges.

[2]BobSchaller.TheOrigin,Natureandlmplicationof“Moore’sLaw”,.1996.

[3]张兴、郝一龙、李志宏、王阳元。跨世纪的新技术－微电子机械系统。电子科技导报，1999，4：2

[4]NicholasWadeWhereComputersandBiologyMeet:MakingaDNAChip.NewYorkTimes,April8,1997

篇2

中职电子商务是一门既重理论又讲究实践操作的学科，其主要知识点包括Internet应用、网上支付、信息安全、网店开设推广、商品知识、网店美工、电子商务物流和客户服务等等。例如电子商务物流中不同材质商品的包装，为了防止因商品包装而产生的客户投诉甚至退单的情况发生，不同类型商品均有其打包的注意事项和操作流程，如易变形易碎品需使用轻质填充物防止商品变形打碎，还有首饰类、衣服、鞋包、电子产品、液体类、书刊等商品，在教学中都会进行商品包装实操训练。因受场地和设备的限制，教师在全班演示操作后，不可能令所有学生看清楚并马上掌握，大多学生即使在课堂上领会操作要点，但过后又可能忘记，还得再次请教老师或其他同学。教育理论表明，知识的掌握在于重复，这就要求学生在课堂上学到的知识，在课后要及时反复学习，温故而知新。教师在组织电子商务项目教学时，可以利用微信的语音或图文功能将学习任务的主题、要求和学习要点发送给学生，学生在完成项目学习任务过程中，可以随时随地的打开微信查看图文，重听教师的讲授内容，从视觉和听觉上开拓学习思路。这样既能及时解答学生的疑问，又减轻了教师的工作量。上例中教师可以通过微信将不同商品包装的教学演示视频短片发给学生，使学生能够随时随地拿出手机观摩复习。学生反映，他们通过微信可以将课外的零碎时间利用来学习，如车站、厕所、宿舍、公交车、床上等都是他们学习的好地方，这对于学生熟练掌握初步习得的技能是非常有利的。

二、加强互动教学，拉近师生情感

中职电子商务教学质量的提高离不开良好的课堂教学，然而在课堂中学生不可能和教师有更多的交流，即使在课外也不可能有过多的时间交流。有些学生性格比较内向，平时不愿意和教师或同学面对面交流，加上中职学校教师一般都担任多个班级的课程，工作量较大，没有更多的时间与学生面对面的接触和解答学生的疑问，师生之间缺少实时互动与交流。反而有很多学生喜欢通过微信与老师交流，教师利用微信的互动功能加强与学生的交流，了解学生的需要，解答学生的问题。微信可以将通讯录中的一部分人组建在一起群聊，群成员的发言，其他成员可以及时听到看到，还能一起对讲，群聊中被人@到，也会收到提醒。教师在进行电子商务项目分组教学时，同组学生组建一个微信群，并给微信群起个响亮易记的名字，教师也是这个微信群的成员之一。成员可以随时联系，互相探讨学习任务，教师在微信群能够及时了解学生的学习情况和学习小组的任务完成进度，随时解答学习小组的疑问和及时调整学习内容。同时，教师还要组建一个班级微信群，将所有学习小组的成员都拉进群，并邀请电子商务行业的专家加入。

在班级微信群，学习小组互相分享学习成果，交流学习心得和体会，还可以通过语音、图文和拍照等功能形象生动地提问，并及时得到行业专家、老师和其他同学的解答，促进学习任务的完成，激发学生的潜能，培养学生协作学习的习惯。例如，在客户服务课程教学过程中，教师可以利用微信群对全班学生进行分组，通过微信的语音交流功能，指导学生分组进行“接待客户来电咨询”、“处理客户退换货”的电话客服的教学。学生在不同地点分别扮演客户、客服、发货员等不同的电子商务角色，创设出近乎真实的工作场景，教师和其他同学还能够在现场监听语音内容，分析比较学习任务的完成效果，更好地改进学习。利用微信的语音功能，行业专家、老师和学生都能听到对方亲切的话语，在学习知识的同时，感受到对方的热情，拉近了彼此之间的感情。良好的师生感情有利于增强学生学习的自信心，增加学生对教师的信赖，挖掘学生学习电子商务专业知识的动机，使学生真正“爱学”、“乐学”。

三、拓宽知识面，延伸知识深度

在有限的课堂教学中，教师为了完成教学计划规定的任务，不可能在课堂中讲授更多的电子商务最前沿的知识，也不可能在课堂中熟悉所有学生，了解学生的知识掌握程度，做到因材施教。电子商务是信息技术发展的产物，日新月异的互联网技术造就了诸如O2O、跨境电子商务、移动电子商务等新型的电子商务模式。然而，中职学校电子商务专业受到教材、设备和教学软件更新速度过慢的影响，同时中职学校电子商务的专业教师有很大一部分是非本专业出身或由计算机信息类专业、财经类专业的教师担任，这二个原因导致电子商务专业的学生在学习电子商务专业知识时更多只能停留在教材内容范围，根本不能适应电子商务的高速发展，更谈不上以就业为导向了。微信的公众平台即微信公众号，可以帮助教师和学生获取电子商务的最新动态和前沿知识。公众号分为服务号和订阅号，服务号是企业开展业务、信息的公众服务平台；订阅号为媒体和个人提供一种新的信息传播方式，构建与读者之间更好的沟通模式。因此，学生通过关注电子商务企业的服务号或订阅号，比如“卖家吧”、“腾讯电商那些事”、“网迷电商”等，这些服务号或订阅号都会定期推送电子商务最新的消息和技术给关注的微信用户，教师和学生通过查阅这些消息就可以很方便地了解电子商务前沿新闻和最新动态，及时把握电子商务发展动向，有意识地拓宽学习的视野，往更深层次地理解电子商务知识。

基于微信订阅号对个人开放申请和良好的互动模式，教师在微信公众平台申请用于电子商务教学的订阅号，要求电子商务专业的学生添加此订阅号，教师就可以很方便地在网页版的微信公众平台或通过手机微信公众号助手的群发功能，将电子商务内容及时快速地推送到每位学生的手机、平板电脑等移动终端。教师还可以通过公众平台的编辑模式设置“消息自动回复”和“关键词自动回复”，学生向订阅号提问或回复，就能自动获取想了解的电子商务内容，而且内容可以是文字、图片、语音和视频。例如，笔者申请开通了电子商务学习的订阅号“studyec”，要求电子商务专业的学生添加并关注，笔者在用户管理后台将电子商务专业的学生按不同年级和知识层次进行分组，有针对性地按分组群发图文、语音和视频等形式的教学内容。比如使用语音方式布置课外作业和解答学生的疑问，鼓励学生用心学习，设置自动回复消息开设O2O电子商务模式的专题知识拓展，学生只要回复相应的数字，即可获得相应的知识内容或知识难点，延伸了课堂。学生学习的自由度大了，主动性也提高了，也能把零散的时间用在学习上，更重要的是满足了不同层次学生的需要，真正做到“因材施教”。

四、分享学习成果，反思学习过程

微信朋友圈将微信的圈中好友紧密联系在一起，通过朋友圈，能够分享图文、语音、视频和链接，圈中好友点击阅读、参与评论。在学习电子商务项目任务的过程中，学生通过微信朋友圈“晒”照片、谈心得、分享学习成果，圈中好友评论、回复，在分享和评论中反思学习过程，总结学习经验，改进学习方式方法。例如，在学习签名邮件和加密邮件收发的项目内容时，教师组织学生通过微信朋友圈分享如何收发签名和加密邮件以及操作过程中最该注意的问题，分享学习的喜悦，反思学习过程中的不足，总结Outlook和Foxmail软件进行签名邮件和加密邮件收发的优缺点，师生们踊跃发言，或提出疑问，或解答迷惑，一个无形而卓有成效的分享讨论圈就此展开。

五、轻松点赞，收获评价

学生的学习任务完成得如何？学习成果有没有达到教学目标？通常需要进行定性和定量评价，教师预先按照制定的评价量规设计学习过程或学习成果评价表，组织学生进行自评、他评和教师评，最后统计评价结果。在微信朋友圈发表观点，分享有价值的信息，常常得到圈中好友的点赞，点赞越多，证明信息越受好友欢迎，越能体现信息主人的成就。教师可以巧妙地利用微信点赞的功能，快速有效地组织教学评价。例如，学生通过微信朋友圈分享签名邮件和加密邮件的学习成果，教师组织学生在规定时间范围内对学习成果进行点赞和评论，最后要求学生将点赞和评论结果截图发送给老师和班级微信群，老师和全班同学都可以及时了解评价结果，反思和改进教学。点赞和评论的主体可以是学生本人、其他同学和老师，点赞的个数相当于定量评价，文字评论相当于定性评价，体现了评价的趣味性、评价主体的多样性和评价方式的全面性。

六、微信在电子商务教学中应用的注意问题

第一，教学中不能过分依赖微信。

微信虽然给电子商务教学带来便利，对电子商务知识的掌握起到促进作用，但是电子商务还是应该以课堂教学为主，微信只能起到辅助教学的作用，是课堂教学的有益补充。因此，教学中需要运用微信时一定要计划周详，突出教师的主导作用和学生的主体地位，以提高教学效果为前提。

第二，加强信息的管理和更新。

微信毕竟是基于移动互联网的聊天交流工具，因此在利用微信进行电子商务教学过程中，教师应该严格控制学生使用微信时不偏离学习内容而转为娱乐，要经常监听学生发送的信息是否合法合理，绝对不允许胡言乱语和发送不切实际的信息。教师在利用微信公众平台时千万不能因过分强调群发功能，却忽视了电子商务知识的传授和教学互动，还要兼顾不同层次学生的学习需求，否则就和垃圾邮件、垃圾短信没什么区别了。同时，要注意教师订阅号的信息更新，如果长时间不更新订阅号的电子商务信息，粉丝就会流失，就会失去订阅号的互动教学功能。因此，定期更新电子商务的新知识、新闻、动态，甚至电子商务人物的故事案例，对于师生用好微信教学都是极为关键的。

第三，尽可能使用语音交流，利于增进情感。

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何进，北京大学教授，博士生导师。1988年获天津大学学士学位，1993，1999年先后获电子科技大学硕士、博士学位。2001～2005年在美国加州大学伯克利分校电子和计算机科学系器件研究室作访问学者和研究科学家。2005年8月归国，现任北京大学微电子学研究院教授，主持北京大学纳太器件和电路研究室工作。

近年来，在国内外重要期刊上发表SCI论文70余篇，El论文1 50多篇。2005年8月回国后，成为国际研究项目Nano-Device Modeling Initiative的研究成员，被国际期刊Recent Patents on Engineering，Open Nano Sci-ence Journal，Recent Patents on Electrical Engineering等聘为编委会成员。

2008年5月，北京大学信息科学技术学院教授何进博士接到了一份期盼已久的邀请函，它来自美国电子和信息技术联合会麾下的国际集成电路模型标准化委员会，该委员会主席邀请何进参加于6月5-6日在美国波士顿举行的关于新一代ULTRA-SOI集成电路国际标准模型选择的CMC会议，并携带北京大学自主研发的新SOI电路模型，竞争高科技IT技术一纳米SOI集成电路模型的国际标准。

ULTRA-SOI是北京大学研究的，针对SOI器件和电路的创新性纳米尺寸绝缘栅场效应晶体管模型。它使用了新的物理核心和工程模型结构来模拟纳米尺寸的SOI MOSFET行为。与国际上的同类研究相比，ULTRA-SOI具有明显的科学创新性和高技术特色，有望在国际主流的集成电路设计EDA工具中得到实际使用，此次获邀参加国际标准竞争，显示了北京大学微电子研究在该领域基础研究方面的前沿地位，以及在集成电路工程技术开发方面所发挥的先锋作用。

何进说：“这一成果得到认可，远比在知名刊物上发表几篇文章更有说服力，也更有价值。”

科学研究的意外机遇和收获

回望自己的科研之路，何进说：“不管是做研究，还是我的个人发展，都是一步一步地走出来的。人生没有坦途，奋斗终有收获。”

其实，今天在微电子学领域崭露头角的何进起初并没有对科学研究抱有太大的期许。当年，能迈进大学的门槛，何进很满足。然而，一进大学，中学时那种极度封闭、狭小的天地一下敞开了，何进才发现原来天地是如此广阔，世界是如此丰富。时间总是不够，他有太多的事情可以做：去图书馆看书，跑学术厅听演讲，忙于各种课外活动……他的脑子里开始不断地冒出思想的火花，他甚至憧憬着去当一个哲学家。

现实常常让所谓的哲学家必须低下高昂的头颅去面对脚下的小路。大学本科毕业以后，何进被分配到一个无线电厂工作。当工作像流水线作业一样越来越熟悉的时候，他发现自己无法适应这种单调、重复的生活，于是又考上了研究生。硕士上完了，何进还是忘不了自己哲学家的梦，于是他准备报考宗教学的博士。没想到，家里人的坚决反对让一心想成为哲学家的何进终于“还了俗”：“他们怕我以后毕业了连个饭碗都找不到，我就只好向现实妥协。”

何进开始很不情愿地读起了微电子学的博士。或许是因为他本科、硕士都不是学微电子专业的，所以到了博士生的科研阶段，反而使他可以从不同的角度看待自己的专业，从别人司空见惯的旧材料中不断发现新的问题。读书，在何进看来并不难，他认为难的是找到自己的人生目标。正因为这次转折，何进正式开始了自己的科研之路，他在这里找到了自己的人生归属。2001年，何进赴美国加州大学伯克利分校电子和计算机科学系器件研究室访问研究。

幸运的是，何进在求学和工作的过程中遇到了几位让他终身受益的老师。中国科学院院士、电子科技大学的陈星弼教授，中科院院士，北京大学的王阳元教授，中科院外籍院士、美国工程院院士、美国加州大学伯克利分校的胡正明教授，IEEE终身院士古默尔(H.K Gummel)博士等，都曾先后做过何进的导师和合作者。在何进看来，导师们严谨的治学态度，他们的博学、睿智都是他终身学习的榜样。

2005年9月，何进结束了在美国加州大学伯克利分校的多年研究后回国。他有幸获得了北京大学及教育部留学回国人员科研启动基金和国家自然科学基金的资助，何进不仅迅速建立了纳太器件和电路研究室，使自己的研究工作聚焦在纳米CMOS新结构，纳米MOSFET的量子传输和准弹道输运，深亚微米芯片仿真物理模型，电子材料和相关器件等，也先后参加了国家“973”、“863”、自然科学基金等研究项目。他领导的研究小组已成为国际纳米CMOS器件物理和模型研究舞台的一支重要力量，在纳米CMOS芯片仿真模型研究方面取得了一系列国际瞩目的重要进展。

2007年9月，何进小组的CMOS集成电路用纳电子器件模型成果发表在国际电气和电子工程师协会电子器件领域最权威的学术期刊IEEE Transaction on Electron Devices 9月的《纳电子器件模型和模拟专辑》上。该专辑的相关背景是：为了应对纳米集成电路发展中的挑战，反映最近一两年来纳电子器件模拟和仿真技术的快速发展，IEEE电子器件协会(EDS)在2007年初面向全球，征集该领域的顶尖研究成果，向全世界展示该方向的最新研究成果。经过激烈竞争和严格的多轮专家评审，《纳电子器件模型和模拟专辑》在全世界范围内最后仅仅录用了20篇投稿论文。何进研究小组在该专辑的上发表了关于纳米环栅CMOS器件模型基本解的研究论文。这是中国大陆、台湾和香港地区入选该专集的惟一论文。

这也是何进研究小组继2006年在该权威期刊《先进模型和45纳米模型挑战专辑》上，发表纳米CMOS器件物理基本解和MOS器件量子效应模拟两篇重要论文以来，在微纳电子和集成电路器件模型领域取得的又一新进展。

做现实的理想主义者

虽然出国前已经是北京大学的副教授，但是从伯克利回国以后，何进还是很明显地感到国内、国外的差距：“和国外比起来，我们缺的不是硬件，缺的不是勤奋，而是眼光。”

回国之后的何进把自己的研究定位在国际前沿上，他已经取得的系列成果使他成为国际微电子学术界和工程领域享有声誉的中国科学家，他是国际集成电路界工业标准CMOS模型BSIM4.3.0的主要研发者，模型手册的主要作者(BSIM4.3.0经被国际半导体工业界广泛采用，促进了国际集成电路产业的发展)；BSIM5首席研究者，模型手册第一作者。他提出的BSIMDG模型成果被最近发表在IEEE T-ED上的综述文章称为“何氏模型”，是全世界4个典型代表。提出的纳米CMOS参数提取新技术，被发表在Micro-electronics Reliability上有关阈值电压的综述文章称为“何氏方法”，为近年来11种典型方法之一。

距离何进在北京大学的研究室不远处，就是微电子所的器件测试实验中心，何进和他的团队整天在实验中心和研究室之间忙碌着。采访时，测试中心的宁保俊老师笑着说：“何进可是我们这儿的宝贝，学生都乐意跟着何老师做研究生!”

何进说：“目前，国家的政策、北京大学的政策都是越来越好。但是一个学科的发展，不是一个人所能决定的，它需要一个强大的团队，需要努力勤奋的学生，更需要更多的资源。即使在北大，要想干事情，也要从社会上去争取更多的资源，也会有很多不熟悉的地方……”

当何进在为如何发展团队，如何学会争取各种资源而思考的时候，他还要面对另外一个困难的现实――自己的研究生大多在忙着准备出国。“我带的12个研究生5个在忙着准备托福、GRE考试，快成出国预备班了……以前学生要出国，我可以理解，因为我们缺少和国际前沿对接的途径，但现在不同了。看到他们把学习重心放在了学外语、出国上，我还是觉得有些痛心。”他说，“国内的学生在勤奋程度、主动学习和掌握正确的方法这三个方面都还做得不够。美国的学生到了研究生阶段非常勤奋，半夜两三点钟在实验室干活并不稀奇，很拼命。而且他们的学习主动性很强。而我们的学生常常是老师给什么，学生做什么。方法也很重要，没有正确的方法，就没有效率。”

篇4

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篇5

关键词微电子技术集成系统微机电系统DNA芯片

1引言

综观人类社会发展的文明史，一切生产方式和生活方式的重大变革都是由于新的科学发现和新技术的产生而引发的，科学技术作为革命的力量，推动着人类社会向前发展。从50多年前晶体管的发明到目前微电子技术成为整个信息社会的基础和核心的发展历史充分证明了“科学技术是第一生产力”。信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，与材料和能源一起是人类社会的重要资源，但对它的利用却仅仅是开始。当前面临的信息革命以数字化和网络化作为特征。数字化大大改善了人们对信息的利用，更好地满足了人们对信息的需求；而网络化则使人们更为方便地交换信息，使整个地球成为一个“地球村”。以数字化和网络化为特征的信息技术同一般技术不同，它具有极强的渗透性和基础性，它可以渗透和改造各种产业和行业，改变着人类的生产和生活方式，改变着经济形态和社会、政治、文化等各个领域。而它的基础之一就是微电子技术。可以毫不夸张地说，没有微电子技术的进步，就不可能有今天信息技术的蓬勃发展，微电子已经成为整个信息社会发展的基石。

50多年来微电子技术的发展历史，实际上就是不断创新的过程，这里指的创新包括原始创新、技术创新和应用创新等。晶体管的发明并不是一个孤立的精心设计的实验，而是一系列固体物理、半导体物理、材料科学等取得重大突破后的必然结果。1947年发明点接触型晶体管、1948年发明结型场效应晶体管以及以后的硅平面工艺、集成电路、CMOS技术、半导体随机存储器、CPU、非挥发存储器等微电子领域的重大发明也都是一系列创新成果的体现。同时，每一项重大发明又都开拓出一个新的领域，带来了新的巨大市场，对我们的生产、生活方式产生了重大的影响。也正是由于微电子技术领域的不断创新，才能使微电子能够以每三年集成度翻两番、特征尺寸缩小倍的速度持续发展几十年。自1968年开始，与硅技术有关的学术论文数量已经超过了与钢铁有关的学术论文，所以有人认为，1968年以后人类进入了继石器、青铜器、铁器时代之后硅石时代（siliconage）〖1〗。因此可以说社会发展的本质是创新，没有创新，社会就只能被囚禁在“超稳态”陷阱之中。虽然创新作为经济发展的改革动力往往会给社会带来“创造性的破坏”，但经过这种破坏后，又将开始一个新的处于更高层次的创新循环，社会就是以这样螺旋形上升的方式向前发展。

在微电子技术发展的前50年，创新起到了决定性的作用，而今后微电子技术的发展仍将依赖于一系列创新性成果的出现。我们认为：目前微电子技术已经发展到了一个很关键的时期，21世纪上半叶，也就是今后50年微电子技术的发展趋势和主要的创新领域主要有以下四个方面：以硅基CMOS电路为主流工艺；系统芯片（SystemOnAChip，SOC）为发展重点；量子电子器件和以分子（原子）自组装技术为基础的纳米电子学；与其他学科的结合诞生新的技术增长点，如MEMS，DNAChip等。

221世纪上半叶仍将以硅基CMOS电路为主流工艺

微电子技术发展的目标是不断提高集成系统的性能及性能价格比，因此便要求提高芯片的集成度，这是不断缩小半导体器件特征尺寸的动力源泉。以MOS技术为例，沟道长度缩小可以提高集成电路的速度；同时缩小沟道长度和宽度还可减小器件尺寸，提高集成度，从而在芯片上集成更多数目的晶体管，将结构更加复杂、性能更加完善的电子系统集成在一个芯片上；此外，随着集成度的提高，系统的速度和可靠性也大大提高，价格大幅度下降。由于片内信号的延迟总小于芯片间的信号延迟，这样在器件尺寸缩小后，即使器件本身的性能没有提高，整个集成系统的性能也可以得到很大的提高。

自1958年集成电路发明以来，为了提高电子系统的性能，降低成本，微电子器件的特征尺寸不断缩小，加工精度不断提高，同时硅片的面积不断增大。集成电路芯片的发展基本上遵循了Intel公司创始人之一的GordonE．Moore1965年预言的摩尔定律，即每隔三年集成度增加4倍，特征尺寸缩小倍。在这期间，虽然有很多人预测这种发展趋势将减缓，但是微电子产业三十多年来发展的状况证实了Moore的预言[2]。而且根据我们的预测，微电子技术的这种发展趋势还将在21世纪继续一段时期，这是其它任何产业都无法与之比拟的。

现在，0．18微米CMOS工艺技术已成为微电子产业的主流技术，0．035微米乃至0．020微米的器件已在实验室中制备成功，研究工作已进入亚0．1微米技术阶段，相应的栅氧化层厚度只有2．0～1．0nm。预计到2010年，特征尺寸为0．05～0．07微米的64GDRAM产品将投入批量生产。

21世纪，起码是21世纪上半叶,微电子生产技术仍将以尺寸不断缩小的硅基CMOS工艺技术为主流。尽管微电子学在化合物和其它新材料方面的研究取得了很大进展；但还不具备替代硅基工艺的条件。根据科学技术的发展规律，一种新技术从诞生到成为主流技术一般需要20到30年的时间，硅集成电路技术自1947年发明晶体管1958年发明集成电路,到60年代末发展成为大产业也经历了20多年的时间。另外，全世界数以万亿美元计的设备和技术投入，已使硅基工艺形成非常强大的产业能力；同时，长期的科研投入已使人们对硅及其衍生物各种属性的了解达到十分深入、十分透彻的地步，成为自然界100多种元素之最，这是非常宝贵的知识积累。产业能力和知识积累决定了硅基工艺起码将在50年内仍起重要作用，人们不会轻易放弃。

目前很多人认为当微电子技术的特征尺寸在2015年达到0．030～0．015微米的“极限”之后，将是硅技术时代的结束，这实际上是一种误解。且不说微电子技术除了以特征尺寸为代表的加工工艺技术之外，还有设计技术、系统结构等方面需要进一步的大力发展，这些技术的发展必将使微电子产业继续高速增长。即使是加工工艺技术，很多著名的微电子学家也预测，微电子产业将于2030年左右步入像汽车工业、航空工业这样的比较成熟的朝阳工业领域。即使微电子产业步入汽车、航空等成熟工业领域，它仍将保持快速发展趋势，就像汽车、航空工业已经发展了50多年仍极具发展潜力一样。

随着器件的特征尺寸越来越小，不可避免地会遇到器件结构、关键工艺、集成技术以及材料等方面的一系列问题，究其原因，主要是：对其中的物理规律等科学问题的认识还停留在集成电路诞生和发展初期所形成的经典或半经典理论基础上，这些理论适合于描述微米量级的微电子器件，但对空间尺度为纳米量级、空间尺度为飞秒量级的系统芯片中的新器件则难以适用；在材料体系上，SiO2栅介质材料、多晶硅／硅化物栅电极等传统材料由于受到材料特性的制约，已无法满足亚50纳米器件及电路的需求；同时传统器件结构也已无法满足亚50纳米器件的要求，必须发展新型的器件结构和微细加工、互连、集成等关键工艺技术。具体的需要创新和重点发展的领域包括：基于介观和量子物理基础的半导体器件的输运理论、器件模型、模拟和仿真软件，新型器件结构，高k栅介质材料和新型栅结构，电子束步进光刻、13nmEUV光刻、超细线条刻蚀，SOI、GeSi／Si等与硅基工艺兼容的新型电路，低K介质和Cu互连以及量子器件和纳米电子器件的制备和集成技术等。

3量子电子器件（QED）和以分子原子自组装技术为基础的纳米电子学将带来崭新的领域

在上节我们谈到的以尺寸不断缩小的硅基CMOS工艺技术，可称之为“scalingdown”，与此同时我们必须注意“bottomup”。“bottomup”最重要的领域有二个方面：

(1)量子电子器件（QED—QuantumElectronDevice）这里包括单电子器件和单电子存储器等。它的基本原理是基于库仑阻塞机理控制一个或几个电子运动，由于系统能量的改变和库仑作用，一个电子进入到一个势阱，则将阻止其它电子的进入。在单电子存储器中量子阱替代了通常存储器中的浮栅。它的主要优点是集成度高；由于只有一个或几个电子活动所以功耗极低；由于相对小的电容和电阻以及短的隧道穿透时间，所以速度很快；且可用于多值逻辑和超高频振荡。但它的问题是制造比较困难，特别是制造大量的一致性器件很困难；对环境高度敏感，可靠性难以保证；在室温工作时要求电容极小（αF），要求量子点大小在几个纳米。这些都为集成成电路带来了很大困难。

因此，目前可以认为它们的理论是清楚的，工艺有待于探索和突破。

(2)以原子分子自组装技术为基础的纳米电子学。这里包括量子点阵列（QCA—Quantum－dotCellularAutomata)和以碳纳米管为基础的原子分子器件等。

量子点阵列由量子点组成，至少由四个量子点,它们之间以静电力作用。根据电子占据量子点的状态形成“0”和“1”状态。它在本质上是一种非晶体管和无线的方式达到阵列的高密度、低功耗和实现互连。其基本优势是开关速度快，功耗低，集成密度高。但难以制造，且对值置变化和大小改变都极为灵敏，0．05nm的变化可以造成单元工作失效。

以碳纳米管为基础的原子分子器件是近年来快速发展的一个有前景的领域。碳原子之间的键合力很强，可支持高密度电流，而热导性能类似于金刚石，能在高集成度时大大减小热耗散，性质类金属和半导体，特别是它有三种可能的杂交态，而Ge、Si只有一个。这些都使碳纳米管（CNT）成为当前科研热点，从1991年发现以来，现在已有大量成果涌现，北京大学纳米中心彭练矛教授也已制备出0．33纳米的CNT并提出“T形结”作为晶体管的可能性。但是问题是如何去生长有序的符合设计性能的CNT器件，更难以集成。

目前“bottomup”的量子器件和以自组装技术为基础的纳米器件在制造工艺上往往与“Scalingdown”的加工方法相结合以制造器件。这对于解决高集成度CMOS电路的功耗制约将会带来突破性的进展。

QCA和CNT器件不论在理论上还是加工技术上都有大量工作要做，有待突破，离开实际应用还需较长时日！但这终究是一个诱人探索的领域，我们期待它们将创出一个新的天地。

4系统芯片（SystemOnAChip）是21世纪微电子技术发展的重点

在集成电路（IC）发展初期，电路设计都从器件的物理版图设计入手，后来出现了集成电路单元库（Cell－Lib），使得集成电路设计从器件级进入逻辑级，这样的设计思路使大批电路和逻辑设计师可以直接参与集成电路设计，极大地推动了IC产业的发展。但集成电路仅仅是一种半成品，它只有装入整机系统才能发挥它的作用。IC芯片是通过印刷电路板（PCB）等技术实现整机系统的。尽管IC的速度可以很高、功耗可以很小，但由于PCB板中IC芯片之间的连线延时、PCB板可靠性以及重量等因素的限制，整机系统的性能受到了很大的限制。随着系统向高速度、低功耗、低电压和多媒体、网络化、移动化的发展，系统对电路的要求越来越高，传统集成电路设计技术已无法满足性能日益提高的整机系统的要求。同时，由于IC设计与工艺技术水平提高，集成电路规模越来越大，复杂程度越来越高，已经可以将整个系统集成为一个芯片。目前已经可以在一个芯片上集成108－109个晶体管，而且随着微电子制造技术的发展，21世纪的微电子技术将从目前的3G时代逐步发展到3T时代（即存储容量由G位发展到T位、集成电路器件的速度由GHz发展到灯THz、数据传输速率由Gbps发展到Tbps，注：1G=109、1T=1012、bps：每秒传输数据位数）。

正是在需求牵引和技术推动的双重作用下，出现了将整个系统集成在一个微电子芯片上的系统芯片（SystemOnAChip，简称SOC）概念。

系统芯片（SOC）与集成电路（IC）的设计思想是不同的，它是微电子设计领域的一场革命，它和集成电路的关系与当时集成电路与分立元器件的关系类似，它对微电子技术的推动作用不亚于自50年代末快速发展起来的集成电路技术。

SOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个（或少数几个）芯片上完成整个系统的功能，它的设计必须是从系统行为级开始的自顶向下（Top－Down）的。很多研究表明，与IC组成的系统相比，由于SOC设计能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，可以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标。例如若采用SOC方法和0．35μm工艺设计系统芯片,在相同的系统复杂度和处理速率下，能够相当于采用0．18～0.25μm工艺制作的IC所实现的同样系统的性能；还有，与采用常规IC方法设计的芯片相比,采用SOC设计方法完成同样功能所需要的晶体管数目约可以降低l～2个数量级。

对于系统芯片（SOC）的发展，主要有三个关键的支持技术。

（1）软、硬件的协同设计技术。面向不同系统的软件和硬件的功能划分理论（FunctionalPartitionTheory），这里不同的系统涉及诸多计算机系统、通讯系统、数据压缩解压缩和加密解密系统等等。

（2）IP模块库问题。IP模块有三种,即软核，主要是功能描述；固核，主要为结构设计；和硬核，基于工艺的物理设计、与工艺相关，并经过工艺验证过的。其中以硬核使用价值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和FlashMemory以及A／D、D／A等都可以成为硬核。其中尤以基于深亚微米的新器件模型和电路模拟为基础，在速度与功耗上经过优化并有最大工艺容差的模块最有价值。现在,美国硅谷在80年代出现无生产线（Fabless)公司的基础上，90年代后期又出现了一些无芯片（Chipless）的公司,专门销售IP模块。

（3）模块界面间的综合分析技术,这主要包括IP模块间的胶联逻辑技术（gluelogictechnologies）和IP模块综合分析及其实现技术等。

微电子技术从IC向SOC转变不仅是一种概念上的突破,同时也是信息技术新发展的里程碑。通过以上三个支持技术的创新,它必将导致又一次以系统芯片为主的信息技术上的革命。目前，SOC技术已经崭露头角，21世纪将是SOC技术真正快速发展的时期。

在新一代系统芯片领域，需要重点突破的创新点主要包括实现系统功能的算法和电路结构两个方面。在微电子技术的发展历史上,每一种算法的提出都会引起一场变革，例如维特比算法、小波变换等均对集成电路设计技术的发展起到了非常重要的作用,目前神经网络、模糊算法等也很有可能取得较大的突破。提出一种新的电路结构可以带动一系列的应用,但提出一种新的算法则可以带动一个新的领域,因此算法应是今后系统芯片领域研究的重点学科之一。在电路结构方面,在系统芯片中，由于射频、存储器件的加入，其中的电路结构已经不是传统意义上的CMOS结构，因此需要发展更灵巧的新型电路结构。另外，为了实现胶联逻辑（GlueLogic）新的逻辑阵列技术有望得到快速的发展,在这一方面也需要做系统深入的研究。

5微电子与其他学科的结合诞生新的技术增长点

微电子技术的强大生命力在于它可以低成本、大批量地生产出具有高可靠性和高精度的微电子结构模块。这种技术一旦与其它学科相结合,便会诞生出一系列崭新的学科和重大的经济增长点，这方面的典型例子便是MEMS（微机电系统）技术和DNA生物芯片。前者是微电子技术与机械、光学等领域结合而诞生的，后者则是与生物工程技术结合的产物。

微电子机械系统不仅是微电子技术的拓宽和延伸,它将微电子技术和精密机械加工技术相互融合，实现了微电子与机械融为一体的系统。MEMS将电子系统和外部世界联系起来，它不仅可以感受运动、光、声、热、磁等自然界的外部信号，把这些信号转换成电子系统可以认识的电信号，而且还可以通过电子系统控制这些信号，发出指令并完成该指令。从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统。MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等〖3〗。

MEMS的发展开辟了一个全新的技术领域和产业。它们不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统所不能完成的任务。正是由于MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异及功能强大等传统传感器无法比拟的优点,因而MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。例如微惯性传感器及其组成的微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统（ABS）、稳定控制和玩具；微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护；信息MEMS系统将在射频系统、全光通讯系统和高密度存储器和显示等方面发挥重大作用；同时MEMS系统还可以用于医疗、光谱分析、信息采集等等。现在已经成功地制造出了尖端直径为5μm的可以夹起一个红细胞的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等。

MEMS技术及其产品的增长速度非常之高，目前正处在技术发展时期，再过若干年将会迎来MEMS产业化高速发展的时期。2000年，全世界MEMS的市场达到120到140亿美元，而带来的与之相关的市场达到1000亿美元。

目前，MEMS系统与集成电路发展的初期情况极为相似。集成电路发展初期，其电路在今天看来是很简单的，应用也非常有限，以军事需求为主,但它的诱人前景吸引了人们进行大量投资，促进了集成电路飞速发展。集成电路技术的进步,加快了计算机更新换代的速度，对CPU和RAM的需求越来越大,反过来又促进了集成电路的发展。集成电路和计算机在发展中相互推动，形成了今天的双赢局面，带来了一场信息革命。现阶段的微机电系统专用性很强，单个系统的应用范围非常有限,还没有出现类似于CPU和RAM这样量大面广的产品。随着微机电系统的进步，最后将有可能形成像微电子技术一样有广泛应用前景的新产业，从而对人们的社会生产和生活方式产生重大影响。

当前MEMS系统能否取得更更大突破，取决于两方面的因素：第一是在微系统理论与基础技术方面取得突破性进展，使人们依靠掌握的理论和基础技术可以高效地设计制造出所需的微系统；第二是找准应用突破口，扬长避短，以特别适合微系统应用的重大领域为目标进行研究,取得突破，从而带动微系统产业的发展。在MEMS发展中需要继续解决的问题主要有：MEMS建模与设计方法学研究；三维微结构构造原理、方法、仿真及制造；微小尺度力学和热学研究；MEMS的表征与计量方法学；纳结构与集成技术等。

微电子与生物技术紧密结合诞生的以DNA芯片等为代表的生物芯片将是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点。它是以生物科学为基础，利用生物体、生物组织或细胞等的特点和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，并与工程技术相结合进行加工生产，它是生命科学与技术科学相结合的产物。具有附加值高、资源占用少等一系列特点，正日益受到广泛关注。目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片。

采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片上制作出包含有多达万种DNA基因片段的芯片。利用这种芯片可以在极快的时间内检测或发现遗传基因的变化等情况，这无疑对遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要的作用。

DNA芯片的基本思想是通过生物反应或施加电场等措施使一些特殊的物质能够反映出某种基因的特性从而起到检测基因的目的。目前Stanford和Affymetrix公司的研究人员已经利用微电子技术在硅片或玻璃片上制作出了DNA芯片〖4〗。他们制作的DNA芯片是通过在玻璃片上刻蚀出非常小的沟槽，然后在沟槽中覆盖一层DNA纤维。不同的DNA纤维图案分别表示不同的DNA基因片段，该芯片共包括6000余种DNA基因片段。DNA（脱氧核糖核酸）是生物学中最重要的一种物质，它包含有大量的生物遗传信息，DNA芯片的作用非常巨大，其应用领域也非常广泛：它不仅可以用于基因学研究、生物医学等，而且随着DNA芯片的发展还将形成微电子生物信息系统，这样该技术将广泛应用到农业、工业、医学和环境保护等人类生活的各个方面，那时，生物芯片有可能象今天的IC芯片一样无处不在。

目前的生物芯片主要是指通过平面微细加工技术及超分子自组装技术，在固体芯片表面构建的微分析单元和系统，以实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞以及其它生物组分的准确、快速、大信息量的筛选或检测。生物芯片的主要研究包括采用生物芯片的具体实现技术、基于生物芯片的生物信息学以及高密度生物芯片的设计、检测方法学等等。

6结语

在微电子学发展历程的前50年中，创新和基础研究曾起到非常关键的决定性作用。而随着器件特征尺寸的缩小、纳米电子学的出现、新一代SOC的发展、MEMS和DNA芯片的崛起，又提出了一系列新的课题，客观需求正在“召唤”创新成果的诞生。

回顾20世纪后50年，展望21世纪前50年，即百年的微电子科学技术发展历程，使我们深切地感受到，世纪之交的微电子技术对我们既是一个重大的机遇，也是一个严峻的挑战，如果我们能够抓住这个机遇，立足创新，去勇敢地迎接这个挑战，则有可能使我国微电子技术实现腾飞，在新一代微电子技术中拥有自己的知识产权，促进我国微电子产业的发展，为迎接21世纪中叶将要到来的伟大的民族复兴奠定技术基础，以重铸中华民族的辉煌！

参考文献

[1]S.M.SZE:LecturenoteatPekingUniversity,FourDecadesofDevelopmentsinMicroelectronics:Achievementsandchallenges.

[2]BobSchaller.TheOrigin,Natureandlmplicationof“Moore’sLaw”,.1996.

[3]张兴、郝一龙、李志宏、王阳元。跨世纪的新技术－微电子机械系统。电子科技导报，1999，4：2

[4]NicholasWadeWhereComputersandBiologyMeet:MakingaDNAChip.NewYorkTimes,April8,1997

篇6

【关键词】竞赛；集成电路；教学改革

Inspiration of 2011’Beijing Student Competition on Integrated Circuit

GENG Shu-qin HOU Li-gang WANG Jin-hui PENG Xiao-hong

VLSI & System laboratory Beijing University of Technology Beijing，China 100124

Abstract：Teaching 21stIntegrated circuit student is history task for teachers.Inspiration of 2011’Beijing Student Competition on Integrated Circuit is presented such as correct idea，right organize procedure，a steady preparation，corporation between university and company，teaching methods.The result of practice is that competition on Integrated circuit can push the procedure of cultivating of student，can push Quality Education，can advance the ability of theory and practice，can improve the ability of resolve problem，can cultivate the spirit of creativity，can enhance the ability of Team Corporation.It leads the point of teaching methods reformation.The student ability of plot and circuit design is increased.

Keywords：competition；Integrated circuit；teaching reformation

集成电路在社会发展中扮演着非同寻常的角色，几乎渗透到了各行各业。随着全球经济一体化的发展，集成电路的制造与开发中心正逐步向我国转移。我们肩负重大的历史使命，是要把我国建设成为集成电路的生产大国进而成为集成电路强国[1]。因此培养二十一世纪集成电路设计人才是我们教师面临的历史任务。北京华大九天软件有限公司致力于开发自主产权的EDA软件，提供高端的SoC解决方案和一站式设计生产服务，为培养集成电路设计人才提供了很好的软件平台。北京市2011首届“华大九天杯”大学生集成电路大赛以充分调动各方面的参与积极性。对学生来说，竞赛为他们提供了一个开阔眼界、互相学习和交流的好机会，这是任何课堂教学都无法替代的；对指导老师来说，竞赛可以促进他们转变陈旧的教学理念，改进落后的课程体系，积极寻求新的教学模式，真正做到教学目标、教学内容和教学方法与时俱进，切实达到面向应用、面向市场、面向社会并最终为社会提供优秀专业人才的最高教学目标[2]。实践表明，开展大学生集成电路设计竞赛，对于推进我国集成电路人才培养、推进素质教育、理论实践结合能力、解决问题的能力、培养学生创新精神、团队协作能力和培养学生的集体荣誉感等方面具有重要意义，同时也对高校的集成电路设计课程和实践教学改革起了一定的引导作用，极大的强化了学生绘制版图和电路设计能力。本人有幸带领学生参加了此次比赛，获得了一些启示。

1.立足现实，拓宽应用

本次大赛的活动宗旨是丰富微电子学专业学生的专业知识，培养学生理论联系实际、独立思考和操作能力，巩固和加深所学专业知识基础，推动京津地区高校微电子学专业的交流和发展，并对国产正版EDA软件的普及和应用起到积极推动作用。

2011年北京大学生集成电路设计大赛分成大学本科和研究生两个级别（本科生组33个组；研究生33个组），每组3人，进行笔试和上机操作。比赛相关规则：笔试阶段，采用闭卷形式，由各参赛队员独立完成，最终成绩计入小组总分；上机操作，以小组形式参加。

2.正确的指导思想

电子学会组织的此次大学生集成电路大赛立足高，紧密结合教学实际，着重基础、注重培养实践能力的原则为大赛成功举行树立了正确的指导思想。

“华大九天杯”集成电路大赛凝聚了各级领导、专家、学者和我校学科部领导、老师及每个参赛队员的心血与汗水。在比赛的前后，我们的指导思想是：参赛获奖不是最终目的，深人持久地开展教育教学改革，充分调动学生学习积极性，吸引更多的学生参加各类竞赛和科技活动，培养更多的优秀专业人才，才是我们的努力方向。集成电路大赛引来了众多企业，他们对参赛学生的青睐，对于与学校合作的重视，也正是我们学校所渴求的。在参赛中与同行各企业充分交流，学校与企业的紧密结合，才能更清楚市场对优秀毕业生的要求，进而能明确培养目标，并在平时的课程教学中加以渗透，在教学中不断改进；在参赛中与其他兄弟院校充分分享经验，不断学习别人的长处，分析参赛中暴露的共性问题，在教育教学中不断改进；在参赛中提高教师的指导水平和改进教育教学方法；在参赛中提高学生的综合素质，培养大批适应现代化建设需要的基础扎实、知识面宽、能力强、素质高、具有创新精神和实践能力的高级应用型人才，才是我们参加北京大学生集成电路设计竞赛的最终目的。

3.准备认真，重在过程

承办方北方工业大学周密的准备工作和热情的服务为大赛成功举行创造了良好的外部环境。北方工业大学和华大九天公司组织的集训为成功参赛奠定了扎实的基础。

在学科部领导和各位老师的努力下，在实验室老师的大力协助下，在华大九天公司培训人员的大力支持下，我们组织了两个阶段的集中培训，并在培训的基础上进行了有针对性的辅导练习，并在参赛前举行了预赛。这些环节对学生和老师起到了很好的引导和督促作用，保证了良好的训练环境，营造了积极向上的参赛氛围。

在电子竞赛的准备过程中，适逢暑假，假期长，学生们可以充分利用暑假时间认真复习电子器件、数字电子电路、集成电路分析与设计等课程的理论知识。同时，学生们还学习华大EDA软件，进行实际电路和版图绘制上机练习，培养了理论联系实践的学风。通过竞赛准备，学生需要综合运用所学知识，解决竞赛中遇到的各种问题，提高了运用理论知识解决实际问题的能力。通过竞赛准备，磨合了小组间的默契配合和分工，增进了师生情谊，提高了团队作战能力。通过竞赛准备，找出了自己在知识上的不足，明确了社会的需要、工作岗位的需要和工作性质，树立了新的奋斗目标，产生了学习新的动力。

4.参赛对嵌入式系统和集成电路设计教学改革的启示

北京大学生集成电路设计竞赛对于培养学生参加实践的积极性、理论联系实际的学风和团队意识有着重要作用，竞赛给学生提供了一个施展才华、发挥创新能力的机会和平台。并对高校集成电路设计课程的教学内容和电子科学与技术的课程体系改革和学生今后工作起到一定的引导作用。

4.1 知识整合的系统教学思想

自从1958年基尔比发明集成电路以后，集成电路一直按照摩尔定律的预测飞速发展。面对集成电路如此迅猛的发展形势，教学工作也要与时俱进，不断改革创新。我承担《嵌入式系统》和《集成电路分析与设计》课程，深深体会到微电子专业的学生学习嵌入式系统与其他专业有所区别，因为芯片的设计方向日益朝着片上系统SOC、片上可编程系统SOPC的方向发展[3]。学生不仅需要有系统的概念[4]，同时需要对典型处理器体系结构有清晰的理解，在设计SOC芯片时才会有系统的设计思想[5]，又会对处理器内部体系架构有清晰的概念。因此，在对微电子专业的学生讲授嵌入式系统时，要紧密结合集成电路设计的要求，结合集成电路分析与设计、数字电子、模拟电子、电子器件等课程的内容，使学生不仅对处理器结构体系清楚，更熟悉各模块电路，如ALU单元电路、筒形移位器、乘法器、寄存器、SRAM、DRAM单元等等。在处理器的，培养学生系统的概念，掌握外部单元电路，如存储器单元电路、系统总线单元、SPI、IIC、UART等等接口电路，从使用者的期望角度出发，来进行芯片的设计，既是使用者，又是设计者。学生在学习集成电路设计的课程时，紧密结合嵌入式系统中的系统体系结构、结合处理器内部的体系结构，具有整体的大的系统性设计概念，整合学生对各个课程的分离的知识内容，培养综合运用所学知识解决系统问题。通过增加实验和上机课时，提高学生将理论与实践紧密结合，培养学生运用所学理论知识解决实际问题的能力。

4.2 改革传统的教学模式

我国的大学课堂教学模式长期以来被德国教育家赫尔巴特的“四段论”与前苏联教育家凯洛夫的“五环节”所主宰，在新的教育环境和教育目标下，他们所倡导的课堂教学结构和施教程序越来越明显地暴露出它的弊端，最突出的是“以教代学”的陈腐教学思想和“注入式”、“满堂灌”的落后教学方法.这种“以教师为中心，以教材为中心”的课堂教学，决定了学生在整个教学过程中所处的被动地位，很大程度地禁锢了学生的创造性思维，对学生自学能力、实践能力和创新能力的培养构成了严重的障碍[2]。

现代教育理论指出：指导学生从实践和探索中通过思考获取知识，又在解决问题的探索活动中，运用已获得的知识和技能是培养智能的最好途径。

本次竞赛上午闭卷完成理论知识的考试。本科生的上机操作内容是根据提供的状态图设计一个计数器电路，然后进行原理图的绘制，再次进行版图绘制，进而进行DRC、LVS等环节验证，并撰写设计报告。学生需要利用数字电路中所学的状态表，构造出逻辑关系式，运用卡诺图化简得到最简电路，最后再绘制单元电路，设计出具体的CMOS电路和版图，并进行验证。同时还需要构造出计数器所需的时钟电路。在上机的开始一个半小时中，指导老师可以参与指导，这样增加了比赛中老师对学生的限时指导内容，更有利于学生的竞赛，符合培养人才的现论要求。

学生基本上完成了从需求分析、电路设计、绘制电路、（仿真）、版图绘制、验证到撰写报告等环节。通过竞赛，使学生能亲自感受一个简单的集成电路设计流程，培养了学生的系统设计概念。学生从早晨9点一直进行到下午六点，在短短的一天内要完成笔试和7个小时的上机电路绘制和验证等工作，小组成员只有密切配合，充分发挥各自的优势，保持坚韧不拔的精神，才能取得最终的胜利。这种方式非常有利于培养学生的合作精神和团队精神，锻炼了学生的毅力和体力。

施教之功，贵在引导。可以看出，竞赛在很大程度上符合现代教育理论的要求，符合学生的认知规律。以学生为主体、教师为主导的教学模式正是以传授知识为前提，以形成技能为基点，以培养智能为重心，以全面发展人才为归宿。在《嵌入式系统》和《集成电路分析与设计》课程教学中，增大课程的实验内容，学生带着问题，进行学习，进行思考、小组讨论，经老师点拨，实现了运用所学理论解决实际问题的过程，既培养了学生的综合能力，又完成了教学任务，符合现代教育论的要求。

施教之旨，在于培养学习方法和思维方式，培养获取新知及再创造之本领。将学生分成小组，布置某一命题，发挥学生的主动性，引导他们查阅资料，分析归纳总结，并在课堂中进行报告或实验演示。学生反映效果很好，获取了知识，又培养了学生自学能力和主动获取知识的方法。

5.引导学生参与科研，撰写学术论文

通过大赛引导大学生形成一股扎扎实实的学习和研究的风气。激发学生在专业领域的学习兴趣，参与到老师平时的科研中，增加动手实践的机会。并在科研中进一步培养学生的研究兴趣，形成良性循环。对于取得的研究成果，可以引导学生撰写论文，并能在广大同学中起到表率作用。

6.结束语

培养二十一世纪集成电路设计人才是我们教师面临的历史任务。北京市2011首届“华大九天杯”大学生集成电路大赛以充分调动各方面的参与积极性。正确的指导思想、科学的组织程序、踏实认真的准备工作以及大赛对校企合作、对教学改革将产生重要的影响。实践表明，开展大学生集成电路设计竞赛，对于推进我国集成电路人才培养、推进素质教育、理论实践结合能力、解决问题的能力、培养学生创新精神、团队协作能力和培养学生的集体荣誉感等方面具有重要意义，同时也对高校的集成电路设计课程和实践教学改革起一定的引导作用，极大的强化了学生绘制版图、电路设计能力和集成电路设计思想。

参考文献

[1]甘学温,赵宝瑛等.集成电路原理与设计[M].北京:北京大学出版社,2007.

[2]陈建英,李涛,撒晓英.抓住竞赛契机 深化计算机专业教学改革[J].西南民族大学学报·自然科学版,2010,36(9):75-77.

[3]Ahmet Bindal,Sandeep Mann,Billal N.Ahmed.An Undergraduate System-on-Chip

(SoC)Course for Computer Engineering Students[J].IEEE TRANSACTIONS ON EDUCATION,2005,48(2)：P279-289.

[4]Lei Jing,Zixue Cheng,Junbo Wang.A Spiral Step-by-Step Educational Method for Cultivating Competent Embedded System Engineers to Meet Industry Demands[J].IEEE TRANSACTIONS ON EDUCATION,1-10.

[5]Xiumin Shi,Ji Zhang,Yanbing Ju.Research and Practice in Undergraduate Embedded System Course[C].The 9th International Conference for Young Computer Scientists,

2569-2663.

致谢：竞赛工作是由国家自然基金赞助（No.60976028）；北京工业大学博士基金赞助（No.X0002014201101，No.X0002012200802 and No.X00020

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如果单个光子所能携带的信息量大幅度增加，将极大地提高量子通信的效率，同时还可以提高量子密钥传输的安全性，并在量子力学的一些基本问题研究方面有非常重要的应用。（来源：《科技日报》2013年10月12日）

美国发明生化电子人

据美国媒体13日报道，一批美国工程师利用人造器官、肢体和其它身体组织，成功组装出会呼吸、说话和走路的逼真生化电子人（bionic man），11月11日在纽约国际动漫展公开亮相。

将播出纪录片《不可思议的生化电子人》（The Incredible Bionic Man），描述这些工程师如何利用人造肾脏、血液循环系统，一直到植入式电子耳和视网膜等组件，组装能够实际运作的机器人。

主持这项计划的影子机器人公司主管沃尔克说，他们利用全球各地17家厂商提供的组件组装生化电子人，以期显示医学已有多大的进展。

他说，这具机器人身高6.5英尺（约1.98米），拥有大约六、七成真人的功能，能在Rex助步机协助下，走动、坐下和站立。它配置的人工心脏，能够利用电子工具跳动和促成人造血液循环，像人类一样输送氧气。它也用植入式人工肾脏，取代现代洗肾机。（来源：中新网2013年10月14日）

科学家用3D打印机制造终结者机械手臂

据英国新科学家杂志报道，它看上去如同科幻电影道具，事实上是未来新款人体假肢。目前，3D打印机可以制作透明塑料质地的日常生活用品，因此我们能够十分详细地掌握其如何运行，这种精致的3D打印假肢就是一个典型的例子，它在伦敦科学博物馆3D打印展览会上展出，是此次展出600多件3D打印物品之一。

这款“终结者手臂”是由英国诺丁汉大学附加制造和3D打印研究学会主管理查德·海格设计的，他和学生们展示了3D打印机如何制造这种结实的假肢，以及可移动关节和微妙传感器——类似螺旋形状的金属触摸传感器。（来源：英国《新科学家》2013年10期）

美国可控核聚变实验取得里程碑意义的突破

美国利弗莫尔国家实验室的国家点火装置（National Ignition Facility）利用192束高能激光聚焦到氢燃料球上，创造高温高压以点燃核聚变反应。

据报道，在9月末进行的一次聚变实验中，聚变反应释放出的能量超过了氢燃料球吸收的能量——在全世界聚变装置中首次取得了里程碑突破。半个世纪以来，可控核聚变研究经历了无数次的挫折，最新的突破将能进一步推动聚变能量的研究。（来源：看引擎2013年10月8日）

西伯利亚的神奇蘑菇有望治疗艾滋病

据英国每日邮报报道，目前，俄罗斯科学家称，生长在西伯利亚的一种蘑菇可用于治疗艾滋病。

生长在桦树上的桦褐孔菌蘑菇引起科学家的关注，有望用于进一步科学研究。新西伯利亚市维克多学会科学家指出，三种不同的蘑菇可用于研制抗逆转录病毒药物，然而桦褐孔菌蘑菇更具独特功效。研究结果显示这种蘑菇具有低毒性和较强的抗病毒作用，它将有效治疗流行性感冒、天花和艾滋病。

科学家认为桦褐孔菌蘑菇含有桦木酸，具有抗逆转录病毒和消炎作用。数个世纪以来，西伯利亚当地居民曾用这种蘑菇作为治疗药物，一些人相信这种蘑菇具有抗癌作用。（来源：英国每日邮报2013年9月20日）

生命之熵

当我们看到一个物体时，往往一眼就能直观地判断出它是不是生物（生命体）。例如，看到狗或猫时，立刻就知道它是生物，而你正在读的这本杂志不是生物，做出这样的判断对你来说没什么难度。

那么，必须依赖宿主才能存活和增殖的病毒是不是生物呢？面对智力与动作越来越接近人类的高智能机器人，你是否感觉到它们也拥有鲜活的生命性质呢？如今，科学家已经成功培育出了iPS细胞（诱导性多能干细胞）。在不久的将来，也许利用一个体细胞就能培育出一个崭新的生命体。（来源：《科学世界》2013年10期）

半浮栅晶体管将引发芯片革命

上海复旦大学微电子学院张卫教授带领的科研团队，成功研制出半浮栅晶体管，有望让电子芯片的性能实现突破性提升。该成果发表在今年8月9日的《科学》杂志上，这也是我国科学家在《科学》上发表的首篇有关微电子器件的研究论文。

张卫带领的科研团队尝试把一个TFET和浮栅器件结合起来，构成了一种全新的“半浮栅”结构的器件，称为半浮栅晶体管，它在降低功耗和提高性能这两方面都取得了很大的突破。浮栅晶体管，是将电子隧穿过高势垒（接近8.9 电子伏特）的二氧化硅绝缘介质，而半浮栅晶体管，则是将电子隧穿过低势垒（1.1 电子伏特）的硅材料，隧穿势垒大大降低。（来源：《环球科学》2013年第10期）

勘验冰川消融

我们知道气候正在变迁，但若想真正理解这种变化可能比较困难。“极端冰雪调查”计划将这种变化具象地呈现出来：通过近百万张用延时摄影技术拍摄的照片，詹姆斯·巴洛格和他的同事现在获得了无可争议、令人扼腕的证据，证明古老的冰川确实正在消失。詹姆斯·巴洛格于2007年开始这项计划，当时设想其过程可能会持续两年。他们在格陵兰岛、冰岛、美国阿拉斯加州、阿尔卑斯山和落基山的冰川旁布下25台太阳能相机。詹姆斯·巴洛格从未料到能够在这么短的时间里看到这样巨大的变迁。拍下的照片中显示冰川正在以超出我们想象的速度断裂和融化。人们需要认识到，气候变化确实正在发生。（来源：《华夏地理》2013年第10期）

新型热敏涂料可伴随温度变化改变汽车颜色

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关键词 半导体器件物理 应用型本科院校 课程改革

中图分类号：G420 文献标识码：A

Semiconductor Device Physics Curriculum

Reform in Applied Undergraduate Institute

XU Mingkun

(Department of Physics and Electronics, Caohu University, Caohu, Anhui 238000)

Abstract The semiconductor device physics is a very important course of the microelectronics professional. Departure from the practice of classroom teaching, for the problems in the current teaching process, combine the characteristics of applied undergraduate college students, explore the reform "Physics of Semiconductor Devices" classroom teaching, stimulate students' enthusiasm for active learning; and effectively, make students in the classroom for better learning results, and lay a good foundation for subsequent courses. Practice shows that our exploration has achieved good teaching effect.

Key words semiconductor device physics; applied undergraduate institute; curriculum reform

0 引言

自从第一个半导体点接触式晶体管发明以来，以集成电路（IC）为核心的微电子技术得到了迅速发展，开创了人类的硅文明时代。由于微电子技术发展迅速，对专业人才的培养提出了新的要求。①《半导体器件物理》是微电子学及电子科学与技术专业必修的一门专业基础课，讨论半导体器件的结构、基本工作原理、电学特性、器件的特殊效应以及器件的基本分析方法。通过该课程学习，可为学生后续专业课如《集成电路设计》以及《集成电路工艺》等的学习打下理论基础，是学习本专业其他专业课程以及从事IC设计工作的基础。

1 教学中遇到的问题

半导体器件物理特点为理论性强、枯燥、晦涩难懂，而且要求学生对前期知识尤其是对半导体物理基本知识熟练掌握。对于应用型本科院校来说，学生基础相对薄弱，自学能力也相对不足。因此使得教学过程中教师“教”与学生“学”之间不能实现良好的衔接。在教授基本理论的同时应该更重视学生实践能力的培养。传统的教学理念以教师讲课为主，实行的是“填鸭式”的灌输教育，教学手段单一僵化，完全无视学生的学习主动性和个体特点，加上大部分学生对理论性很强的专业课热情不足，很难取得预想的教学效果。现代半导体器件发展迅速，但是半导体器件物理教材仅仅有基本原理和基本特性，不能覆盖该行业最新的发展动态，也很难引起学生学习的兴趣。鉴于此，有必要对半导体器件物理课程进行改革。

2 半导体器件物理教学改革初探

2.1 教师的相关知识储备

现代高校教师应该具有“基础精深，专业宽新”的教学理念，即要求教师对该课程及相关课程有深厚的知识储备，对该课程的理论体系有系统的掌握。同时对与该课程相关的科技前沿有足够的了解和认识，并且对学生先期的知识储备情况有充分的了解。能根据学生的具体情况对课程内容进行处理。在基本理论的讲解上要详细透彻，对重难点反复讲解。例如能带在整个半导体器件中的作用非常重要，这就要求学生能够熟练掌握各个半导体器件的能带图。因此，在半导体器件的各个章节都重点强调能带的作用。并且把每种器件的能带图作为重点内容反复强调。在专业课教学中，更应在理论知识够用的前提下，着重培养学生的实践能力，使学生对于本专业领域具有扎实的理论基础、广阔的知识面和较强的实践能力。为了增强学生的学习兴趣,在绪论部分可以增加对晶体管发明历史的介绍，讲述电子器件从电子管到晶体管的发现，新器件产生的辩证发展过程。并融入一些科学研究方法，同时在课程教学中可以穿插介绍一些科学家的轶闻趣事，以知识性和趣味性增加学生对本课程历史的认识、对半导体器件的感性和理性认识，提高学生对本课程学习的兴趣。②

2.2 引入多媒体教学开发教学动画课件

随着计算机技术的发展，多媒体教学已成为现在学校必不可少的教学手段。比起以往的黑板粉笔教学有着独特的效果，多媒体教学可以形象直观地把所讲内容展现给每一个学生，有利于学生对知识的掌握。因此，运用多媒体技术上课是大势所趋。上课过程中可以播放一些和教材内容相关的视频讲座来提高学生的学习兴趣，还可以让学生了（下转第218页）（上接第209页）解最新的科技前沿。

半导体器件内部机制变化非常抽象复杂，利用Flas可以形象直观地把这些抽象的变化过程反映出来。③将抽象理论知识动起来，加深学生对理论知识的深刻理解。例如制作PN结的形成过程、PN结能带形成的动画、双极型晶体管载流子的传输以及各电流形成的Flas、MOS结构中多子的积累、耗尽、弱反型、强反型等形成的动画等。能使学生在视觉上直观感受其物理过程所发生的变化，还能进一步加深对该过程中一些物理量的理解。

2.3 结合最新科技前沿引入讨论课

在讲解基本理论的同时，结合自己的科研成果，把当前最新的科学技术成果介绍给学生，还可以就某一学生感兴趣的课题进行讨论。同时介绍科技论文的查阅方式和方法，让学生课外通过互联网等各种渠道获取一些新近发展状况。专门安排讨论课，让学生对自己掌握的信息进行交流讨论。比如，在讲解场效应管时，可以让学生查阅此类半导体器件最新的技术、发展瓶颈和发展趋势，并就此类问题进行讨论。在讲授太阳能电池时，可以让学生收集日常生活中应用较为广泛的太阳能电池实例，并就当前的环境污染、能源危机等话题展开讨论，从而让学生对太阳能技术有更深刻的认识。在讲授发光二极管时，可就当前热门的LED背光源电视与传统的LCD电视比较，找出其特点及优点。但是要强调现在的LED背光源电视与真正的LED电视还有相当大的差距，让学生根据此类问题收集相关资料，并进行讨论。这样的教学不但锻炼了学生的自学能力，激发兴趣，做到与时俱进，还可以让学生了解到最新的科技前沿，为其以后的发展打下良好的基础。

2.4 拓展实验课程

半导体器件物理是实验和理论相结合的课程。通过开设实验课程，可以让学生自己动手把所学到的理论知识运用到实践中来。同时还可以把一些简单的验证性实验拓展为综合性设计性实验。例如四探针测量方块电阻的同时让学生自己结合所学知识设计计算掺杂浓度，晶体管特性参数及曲线测试实验中，为学生提供一些不合格的晶体管，让学生自己判断分析晶体管的缺陷。半导体器件仿真是现代半导体技术中非常重要的组成部分，由于大三学生已经学过MATLAB相关课程，因此可以开设半导体器件仿真实验，让学生自己编写程序对各种器件进行简单的仿真。虽然许多计算也可以借助另外的数学工具软件来完成，但是从MATLAB应用的广泛程度而言， 熟练掌握MATLAB对学生的进一步深造或就业等都将是非常有益的。这样不仅验证理论知识，还拓展了课堂内容。既激发了学生学习该课程的兴趣，还提高了学生的分析问题解决问题的能力。

3 总结

半导体器件物理是微电子专业非常重要的课程，本文从课堂教学实践出发，针对目前教学过程中存在的问题与不足，结合应用型本科院校学生特点，探索改革“半导体器件物理”课堂教学，激发学生主动学习的积极性；并有效地多渠道、多方面使学生在课堂中获得较好的学习效果，为后续课程的学习打下良好的基础。实践表明，我们的探索取得了良好的教学效果。

注释

① 汪慧兰.微电子技术课程设置与改革初探[J].内蒙古电大学刊,2008(11):100-101.

篇9

信息科学资源开发利用的前景

尽管信息科学的奥秘迟至本世纪才由控制论、信息科学论等现代科学所揭示，但人类却一直生活在信息科学的海洋中。最近，笔者根据资料，把人在利用信息科学方面的几个重要历史时期整理成如下表格。表格说明，人类长期以来，一直在致力于发展收集、处理和传输信息科学的能力，以便快速、有效地利用信息科学资源。信息科学资源的发展状况是不同寻常的，专家学者们把它的迅速增长，称为“爆炸性增长”。他们指出，信息科学资源和传统的资源、能源不同，不是越使用越少，而是越使用越多，越消费越增长。日新月异的科学发现和层出不穷的技术发明。是新知识、新信息科学不断增加和出现爆炸性增长的主要原因。自1750年以来，科学知识约50年增加10倍，为世界人口增长速度的2.5倍。有人作过如下统计：到七十年代初为止，世界每年出版的科技图书达50万种，科技杂志4万多种，科技论文多达300万篇，此外还有大量的文集、研究报告、专刊文献等其他信息科学。在出现新技术革命以后的三十年中，新增加的知识和信息科学、占人类全部知识信息科学的90%。在利用信息科学资源方面，人类已经通过科学技术的发展、尤其是现代科学中的信息科学论、控制论、系统论等学科的诞生，使人类认识到信息科学是自然界的第三大资源，懂得了信息科学的巨大功能和价值。信息科学作为生产力、竞争力和经济成就的关键，也已日益为经济和社会的发展所证实。在这种情况下，人类迅速提高了利用信息科学资源的自觉性。这种自觉性，正是人类发展信息科学技术、提高利用信息科学资源能力的强大动力。在新的技术革命中，计算机、微电子、现代通信等信息科学处理和传递技术正在突飞猛进，信息科学革命已成为新技术革命的主要标志。从七十年代开始的第一次信息科学革命和八十年代开始的第二次信息科学革命，都是人类为提高利用信息科学资源的能力而作的努力。经过这两次信息科学革命，信息科学化已经由点发展到面，出现计算机和现代通信相结合的网络信息科学化和系统信息科学化。这样，就使信息科学资源可以更迅速、更有效、更准确地为人类所利用。根据上面的分析，我们可以对信息科学资源利用的诱人前景，作出如下预测性的描述：首先，在未来的技术革命和世界新的产业革命中，可以开发利用的信息科学资源将急剧增加，继续呈现爆炸性的增长，信息科学资源将在未来的科学技术和经济社会的发展中扮演更为重要的角色。其次，随着第二次信息科学革命继续向纵深发展，利用信息科学资源的处理和传递技术，将对经济社会的发展产生重大影响，如果一个国家信息科学技术落后，那么它必将在技术经济方面拉开和发达国家的差距。第三，由于开发利用信息科学资源的需要，信息科学科学技术必将得到迅速的发展。以信息科学为中心的新研究群和新知识群正在崛起。新的研究群和知识群将由信息科学科学、微电子学、信息科学处理、信息科学通信、系统论、决策论、信息科学经济学、信息科学通讯未来研究、信息科学技术评价、知识社会学、信息科学法学、信息科学管理等知识门类组成。第四，由于信息科学资源的重要性日益增强和信息科学化社会的形成，社会将有更多的人去研究信息科学资源开发利用问题和从事信息科学资源开发利用的实际工作。

未来的决策和信息科学决策学

信息科学资源利用的发展前景，在决策方面为我们提供了那些启示呢？可以说，没有信息科学的决策实际上是不存在的。

在未来研究专家们看来，任何决策除了必须以有关决策对象的过去和现状的资料为依据外，还必须更多地依靠有关决策对象发展趋势的未来信息科学。这样做的理由很简单，因为任何决策都是面向未来的，都是筹划未来的行动目标和行动的方案的。从这个意义上说，信息科学资源开发利用的前景给我们的启示，主要有以下四个方面：

一、制订有关信息科学资源开发利用的决策时，必须把这种前景作为决策的未来信息科学。

二、我们必须尽快地作出有利于发展信息科学技术的各种决策，使信息科学技术得到更快地发展。

三、与人才的培养有关，随着信息科学资源开发和利用范围的不断扩大，我国在这方面的人才必然奇缺。这就要求我们尽早地作出培养和训练信息科学人才满足未来需要的决策。这个问题，应当作为科研、教育等方面体制改革的重点来抓。

四、随着信息科学资源的不断增长，人们从大量的信息科学中迅速、有效、准确地选择决策所必须依据的信息科学的难度，也必然随着加大，这将迫使人们从理论上和方法上进一步研究信息科学和决策的关系问题，研究信息科学因素对决策成败的影响。

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【关键词】互联网医疗；互联网+；Extjs MVVM；Thinkphp MVC

【Abstract】With the rapid development of society， people’s material life level requirement increased sharply， health consciousness and disease awareness is also growing， in such a situation， the traditional medical coping with such a situation is difficulting， Internet medical arises at the historic moment.This thesis is under the background of “Internet +”， providing a way of the combination of the Internet and health care. Website system front-end based on Extjs MVVM framework and back-end based on the Thinkphp MVC framework.The article mainly introduces the following parts： frame， development process， the function of the overall design，The realization of the function of the front-end and back-end（including the design of the database）.

【Key words】The health management system； Extjs MVVM； Thinkphp MVC； Medical

1 框架结构简介

1.1 ThinkPHP MVC[1]

MVC英文即Model- View- Controller，它是把一个应用的输入、处理、输出流程按照Model（模型层）， View（视图层）， Controller（控制层）三层进行强制分离。

View层代表与用户交互的界面，对于Web应用来说，也可以大概概括为HTML界面，但MVC设计模式对于视图的处理仅限于View上数据的采集和处理，相关的业务流程的处理不是在这里实现的。

Model层就是业务流程/状态的处理以及业务规则的制定，是整个MVC的核心。模型层接受View层请求的数据，返回处理结果。数据的处理、逻辑和功能的计算都是在这里完成的。

Controller层用来接受用户的操作并调用模型和视图完成用户的需求。可以理解为从用户接收请求，将模型与视图匹配在一起，共同完成用户的请求。划分控制层的作用也很明显，控制器就是一个分发器，选择什么样的模型，选择什么样的视图，可以完成什么样的用户请求。控制层并不做任何的数据处理，它接受用户的输入并调用模型和视图去完成用户的需求。

ThinkPHP是一个性能卓越并且功能丰富的轻量级PHP开发框架，框架本身就是MVC结构的体现。它可以支持WIN/Unix/Linux服务器环境，支持Mysql， PgSQL， Sqlite以及PDO等多种数据库[2-3]，ThinkPHP框架本身没有什么特别模块要求，具体的应用系统运行环境要求视开发所涉及的模块。其工作流程如图1：

本网站后端[4]的开发采用ThinkPHP框架，一方面处理用户登录及注册的逻辑判断、套餐及体检机构的筛选查询等一系列前端的业务逻辑及数据处理，另一方面操作Oracle数据库，通过对界面的可视化操作，完成对数据库进行增删改查等的一系列操作等。

1.2 ExtJS MVVM

MVVM[5-6]包括Model、View和ViewModel三部分，其结构如下图2所示。该框架的工作原理是：模型层的业务逻辑在服务器上执行，视图层与视图模型层在用户端执行，视图模型层监视视图层的状态，从模型层根据用户需要获取数据；视图模型层解决视图层与模型层之间的数据传递与交换，保证View与Model层的数据同步。

本网站系统用ExtJs框架做前端，降低了代码的冗余度，提高了复用性。

2 系统概要设计

2.1 网站开发流程

首先做的是对本健康医疗网[7-8]的需求进行分析，包括市场前景、用户分析等；然后需要对医疗平台进行规划，包括内容策划（就是网站要展示哪些内容，分主次）、界面策划（网站主体的风格规划）以及网站功能；再做项目开发，包括界面设计、程序设计、系统的整合；最后一步就是测试验收，包括三部分：项目人员测试、非项目人员测试以及公开的测试。

2.2 系统的整体功能设计

本网站主要包括六块功能，包括体检套餐、体检中心、检后服务、单位体检、健康管理、健康宣传教育。其功能结构如图3所示：

3 系统详细设计与实现

3.1 前台功能实现

本系统的前端界面主要分为六个部分：体检套餐、体检中心、检后服务、单位体检、健康管理、健康教育。系统流程如图4所示：

健康教育模块包括动态资讯、体检知识、健康大数据、中医资讯等，主要目的是普及一些健康知识；健康优选模块包括营养保健、健康医疗、穿戴设备等，主要功能是推广一些对健康有益的产品；体检套餐模块主要是推荐一些特色的体检套餐；体检中心模块主要是介绍体检机构的信息以及路线等；单位体检包括体检软件系统、电子报告查询等，主要是面向团检的模块；检后服务提供如体检报告查询、报告解读、疾病风险评估等一些特色服务。

3.2 后台功能的实现

后台首先配置数据库的连接信息等。本数据库包含众多的数据表，比如用户表，用来存储系统的用户信息；新闻表，用于前端的健康教育模块，文章内容、标题、图片等信息都是在这里管理的；套餐表，套餐的价格、名字、简介等皆是在此存储，进而控制在前端体检套餐模块的显示信息。

本系统采用Oracle数据库，采用的数据库设计软件是PowerDesigner。数据库部分设计图如图5所示：

操作数据库是通过php语言实现的，这里采用的是Thinkphp框架。

4 结束语

如今是互联网完全普及的时代，用互联网的思维考虑医疗的发展，是发展的趋势。本文为网络和医疗的融合提供了一种参考方式[9]。

【参考文献】

[1]张颖，等，译.Reiersol D，Shiflett C，Baker M.PHP实战[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[2]陈湘扬，陈国益.PHP5+MySQL[M].北京：电子工业出版社，2007.

[3]陆勤.数据库原理与技术[M].北京：中国水利水电出版社，2007.

[4]赵增敏.PHP动态网页开发[M].北京：电子工业出版社，2009.

[5]刘立.MVVM模式的分析与应用[J].微型电脑应用，2012，28（12）：57-60.

[6]陈明，李猛坤，张强.一种基于扩展MVVM模式的SaaS面向服务计算模型[J].微电子学与计算机，2010，27（8）：27-30.

[7]杨德文.基于HIS的医院体检信息系统的设计与开发[J].医学信息，2006，19（11）：14-19.