3、超大规模集成电路定制微电子技术：数字、模拟与混合信号的深度解析

超大规模集成电路定制微电子技术：数字、模拟与混合信号的深度解析

1. 微电子技术的发展历程

微电子技术的发展历程不足半个世纪，但已成为最具影响力的技术之一。它广泛应用于通信、交通、娱乐、医疗等各个领域，深刻改变了人们的生活。

1.1 初始历史

1948 年第一只晶体管的发明开启了微电子技术的进化之旅。早期的商用器件是锗结晶体管，锗的空穴和电子迁移率高于硅，有利于实现高频性能。然而，锗的温度特性较差，且难以保护关键的晶体管周边区域（冶金结），这使得硅在 20 世纪 60 年代后逐渐成为主导的微电子技术。硅技术的发展得益于平面制造工艺的进步，二氧化硅为冶金结提供了保护，并在需要的区域提供了良好的隔离。1952 年，G. W. A. Dummer 首次提出了完全互连的单片电路的可能性，随后美国的德州仪器公司的 Jack Kilby 等公司推动了集成电路的发展。到 1962 年，小规模集成电路（SSI）封装开始广泛应用于工业领域。

1.2 持续进化

自 20 世纪 60 年代以来，基于平面技术的硅技术不断快速发展。芯片复杂度从最初的小规模集成（SSI）逐步提升到中规模集成（MSI）、大规模集成（LSI），直至现在的超大规模集成（VLSI）和特大规模集成（ULSI）。这一发展趋势鼓励了电子电路设计中使用有源器件而非无源器件，从而显著提高了电路性能。例如，运算放大器和微处理器就是这一进化的典型代表。芯片能力的提升得益于晶圆尺寸和芯片面积的增加以及芯片特征尺寸的减小。目前，单个芯片上可容纳超过 1000 万个晶体管，同时电路的传播速度和成本也得到了改善。然而，随着器件几何尺寸进入深亚微米级别，光刻技术接近理论极限，以及制造先进微电子电路的成本不断