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關鍵詞：數(shù)字電路； 量程自動轉換； 智能化； 數(shù)字信號； 電壓表

中圖分類號：TN919-34； TP216+.1 文獻標識碼：A

文章編號：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

在現(xiàn)在市場上廣泛使用的一般數(shù)字電量測量電表都沒有解決量程自動轉換問題，測量操作時仍然靠人工拔動開關轉換量程，測量電表的智能化設計是一個難點。在現(xiàn)有的智能電表中，智能化功能大多采用單片機控制電路或雙向移位寄存器來實現(xiàn)，其缺點是電路系統(tǒng)、量程控制信號的產生比較復雜，調試與制作難度大，可靠性較差等。實際上,電路系統(tǒng)完全可以用常用數(shù)字集成電路組成，通過組合邏輯功能來實現(xiàn)多個量程之間的自動轉換等功能。

1 電路系統(tǒng)的方框結構

電路系統(tǒng)由被測輸入電壓極性檢測與變換電路、電壓幅度變換電路、量程自動控制轉換信號產生電路、多路模擬開關切換電路、量程控制放大電路、A/D轉換電路和顯示電路等組成，如圖1所示［1-2］。

圖1中各部分電路的功能分別是：

(1)電壓極性顯示信號產生電路：由電壓比較器根據(jù)被測電壓極性產生“+”或“-”極性顯示信號。

(2) 電壓通道選擇與極性轉換電路：有2個通道，對于正極性電壓由通道1通過，若為負極性電壓由通道2通過，再變換為正極性后輸出。

(3) 量程自動控制信號產生電路：根據(jù)被測電壓的高低確定各段的測量范圍（量程）,產生量程自動轉換控制信號、超量程顯示與報警信號，并控制各量程小數(shù)點的位置。

圖1 數(shù)字式智能電壓表電路結構方框圖

(4)程控放大器與模擬開關切換電路：在量程自動轉換控制信號的作用下選擇不同的通道，將某個量程的輸入電壓放大或衰減一定比例后送入A/D轉換器。

(5) A/D轉換電路：將模擬電壓信號轉換為數(shù)字信號。

(6) 譯碼與顯示電路：將數(shù)字信號譯碼后，由數(shù)碼管顯示出測量結果。

2 電路原理圖簡介

根據(jù)圖1構建的數(shù)字式智能電壓表電路原理［3-5］如圖2所示。圖中主要元器件的作用如下：

U1（LM324）為四運放IC1，U1-1/4與U1-2/4的作用是產生被測電壓極性識別信號與控制U2的信號通道。U1-3/4構成程控放大電路，對被測電壓進行10，1，1/10，1/100的放大或衰減。U1-4/4為反相放大器，用于調整輸出電壓幅度以滿足A/D轉換器正常工作要求；

U2（SGM522）為二通道模擬開關IC，實現(xiàn)正、負極性的被測電壓分通道傳輸，以便對負極性信號實施反相處理；

U3（C4066）為四通道模擬開關IC，在量程自動控制信號的作用下，實現(xiàn)讓不同量程的電壓分通道傳輸，以便配合U1-3/4電壓進行幅度變換；

U4（LM339）、U5（74LS05）、U6與U7（74LS21）組成自動量程控制信號產生電路。其中，U4為四比較器IC，用于確定各量程的測量范圍，U5為四反相器，對高或低電平實施反相變換，U6、U7均為四輸入雙與門IC，通過邏輯運算獲得自動量程控制信號；

圖2 數(shù)字式智能電壓表電路原理圖

U8（C14433）為雙積分式A/D轉換器（又稱雙斜式A/D轉換器），轉換輸出結果與輸入信號的平均值成正比，對疊加在輸入信號上的交流干擾有良好的抑制作用，具有零漂補償?shù)?位半（BCD碼）單片雙積分式A/D轉換功能，轉換速率為3～10 Hz，轉換精度為±1 LSB，模擬輸入電壓范圍0～±1.999 V或0～±199.9 mV，輸入阻抗大于100 MΩ。MC14433轉換結果以BCD碼形式，分別按千、百、十、個位由Q0～Q3端輸出，相應的位選通信號由DS1～DS4提供；

U9（MC14511B）為譯碼集成電路，將BCD碼譯碼成十進制信號，控制數(shù)碼管的位顯示；

U10（MC1413）為7路反相緩沖集成電路，用于實現(xiàn)高低電平間的轉換，增強對數(shù)碼顯示管的驅動能力。

3 電路工作原理

（1） 被測電壓的Ux極性判斷與變換電路工作原理：電路由2個過零電壓比較器、一個反相器和雙向限幅電路組成［6］，當Ux極性為“+”時，U1-1/4輸出高電平，在C＋的控制下被測電壓通過U2的第一通道。U1-2/4輸出低電平，C―也為低電平，U2的第二通道不通；當Ux極性為“-”時，U1-2/4輸出高電平，在C―的控制下被測電壓通過U2的第二通道，并通過U5-1/4完成反相變換。U1-1/4輸出低電平，C＋使U2的第一通道不通。V1,V2為雙向限幅二極管，用于限制加到U1-1/4與U1-2/4輸入端的電壓幅度。

（2） 多路模擬開關和程控放大電路工作原理：電路由C4066，U1-3/4、R4～R7等組成。設R1~R3通道等效電阻為R1～3，其大小可設置為100kΩ，當B1為高電平時，多路模擬開關C4066的i1~O1通道接通，運放U1-3/4的反饋電阻R4取1 MΩ，對Ux放大10倍后送入A/D轉換器的輸入端。若A/D轉換的電壓滿度值為2 V，則可測量0～±200 mV的電壓。同理，當量程轉換控制信號B2,B3,B4分別為高電平時，C4066對應的通道接通，當U1-3/4的反饋電阻R5，R6，R7分別取100kΩ、10kΩ、1kΩ時，R5使±200 mV～±2 V的電壓直接通過，R6使±2～±20 V的電壓衰減10倍后通過，R7使±20～±200 V的電壓衰減100倍后通過。再將某┮宦肥涑齙繆咕U1-4/4反相放大，使與實際被電壓極性一致，并可通過R16調節(jié)電壓放大倍數(shù)（-R16/R15），保證A/D轉換電路正常工作所需的輸入電壓。

（3）量程自動轉換控制電路工作原理：量程自動轉換電路由四4比較器U4、3個反相器（U5內）、2個四輸入雙與門U6與U7、分壓電阻R10～R14等組成。由于設置R1～3為100kΩ，選擇R8（470kΩ可調）與R9（5kΩ）使ux在R9上的分壓比為1/100，經分壓后加到各比較器的反相輸入端。當ux分別為±200 mV，±2 V，±20 V，±200 V時，分電壓值分別為2 mV,20 mV,0.2 V,2 V。同時，由R10～R14（電阻值如圖2中所示）對VCC分壓獲得各比較器的參考電平也分別為2 mV,20 mV,0.2 V,2 V，并分別加至各比較器的同相輸入端。當被電壓Ux達到某量程的滿刻度值時，使比較器的輸出電平由高變低，通過組合邏輯電路產生量程自動控制與標志信號（高電平有效）。若Ux位于0～±200 mV，U6-1/2輸出高電平，獲得有效量程控制信號B1，其余B2～B3為低電平；同理，當被測電壓分別在±2 V，±2～±20 V，±20～±200 V范圍時，U6-2/2、U7-1/2、U7-2/2分別輸出高電平，獲得量程控制信號B2、B3和B4，狀態(tài)轉換表如表1所示。

邏輯表達式分別為：B1＝W•X•Y•Z，B2＝┆WX•Y•Z，B3＝WX•Y•Z，B4＝WXYZ。Z＝0為超量程標志信號。

（4） 被測電壓極性、小數(shù)點位置與超量程的指示信號：被測電壓極性顯示控制信號由U1-2/4提供，用輸出的高或低電平控制“-”或“+”號的顯示；小數(shù)點位置控制信號由量程自動轉換控制信號實現(xiàn)，B1的高電平用于顯示測量范圍為0～±200 mV的小數(shù)點位置，B2的高電平用于顯示測量范圍為±200 mV～±2 V的小數(shù)點位置，B3的高電平用于顯示測量范圍為±2～±20 V的小數(shù)點位置， B4的高電平用于顯示測量范圍為±20～±200 V的小數(shù)點位置，當被測量電壓范圍在±200 V以外時，不用小數(shù)點；超量程指示信號由B4的低電平實現(xiàn)，當B4為低電平時，表明被測電壓超過了±200 V的最高上限。

（5） A/D轉換、譯碼、顯示電路工作原理：用U1-2/4輸出的信號控制數(shù)碼管最高位“g”段的亮與不亮，實現(xiàn)極性“-”顯示。當U4的4個比較器都輸出高電平量，便發(fā)生了超量程情況，可用它們產生報警與超量顯示信號（本系統(tǒng)未考慮）。當程控放大器輸出的信號加到U8的3腳，將模擬電壓轉換為BCD碼，并由20、21、22、23腳輸出，經U9譯碼為千、百、十、個四位十進制數(shù)，同時，由U8的16、17、18、19腳輸出對應的選通信號，共同控制數(shù)碼管顯示測量結果。

4 結 語

本測量系統(tǒng)運用與門、反相器、比較器、多路模擬開關集成電路（C4066）等數(shù)字集成電路巧妙組合獲得了被電壓極性判斷、量程自動轉換、信號幅度變換、小數(shù)點位置顯示控制、超量程顯示與報警信號。電路結構設計看似復雜，但分立元件少，成本低。具有設置量程方便、電壓測量范圍寬、功能相對獨立且容易擴展、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，值得借鑒。

參考文獻

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［9］郝云芳，黃天錄．數(shù)字電子技術［M］.北京：人民郵電出版社,2005.

篇2

關鍵詞 遠程故障設置；汽車燈光電路；實驗臺設計

中圖分類號 U46 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2015）145-0118-01

隨著汽車功能的增加，電子控制技術的普遍應用，電氣元件越來越多，布線也越來越復雜。在現(xiàn)代汽車上，電子控制系統(tǒng)與線束有著密切關系。如果把控制單元、傳感器與執(zhí)行元件的功能用人體來比喻，則控制單元相當于人腦，傳感器相當于感覺器官，執(zhí)行元件相當于運動器官，那么線束就是鏈接各器官的神經和血管了。汽車線束是汽車電路的主體，連接汽車的電氣電子部件，并使之發(fā)揮功能，沒有線束也就不存在汽車電路。目前，無論是高級豪華汽車還是經濟型普通汽車，線束編成的形式基本上都是由電線、聯(lián)接插件和包裹膠帶組成，這樣既確保電信號的傳輸，又保證了連接電路的可靠性，符合電子電氣部件額定電流的相關規(guī)定，防止對周圍電路的電磁干擾，避免了電器短路情況的發(fā)生。汽車電路是維修人員的弱項，判斷不出故障點，又或造成短路車自燃、斷路車不啟動等問題，大量更換配件，浪費時間和金錢。可見，學習汽車線束與布線系統(tǒng)對理解汽車電子控制系統(tǒng)尤為重要。

以汽車燈光照明系統(tǒng)為典型的汽車電路案例是學生學習汽車電路的興趣點。隨著汽車上電氣的日益增多，汽車電路也日益復雜，汽車電路圖的表達方法也在發(fā)生變化，主要有以下四種：線路圖（接線圖）、電路原理圖、布線圖、線束圖。目前，學生在學習燈光系統(tǒng)電路時接觸最多的電路原理圖，其次是在燈光實驗時接觸的接線圖。而對于在汽車上能夠實際接觸到的汽車布線圖則很少能看到，甚至看不到實車的線路，更不要說拆解線束以及對真實線束電路的檢修了。為此，除非拆卸車身否則無法看到具體線路情況，然而對整車拆卸又不現(xiàn)實。

1 整體設計方案

本實驗臺的開發(fā)、設計與制作基于實車的燈光線路，是集燈光演示、燈光布線、線路再現(xiàn)、故障設置與檢修等多功能為一體，其整體功能如圖1。基于遠程控制模塊，完成無線智能化故障設置，通過故障設置檢測箱設定故障，并利用檢測端子來測量與檢修故障。

2 硬件部分

在實際車身上，內部線束是看不到的。就像人身體中的毛細血管，實際復雜存在著卻表面上看不到。因此，再現(xiàn)線束布線位置，只有對車身進行拆解，將線束展現(xiàn)出來。目前國內暫無全車線束拆解的實驗臺，只有針對部分車體如車門結構與線束的解剖。實驗臺以燈光系統(tǒng)布線為例，將典型的汽車電路線束拆解出來，保證了教學與實際的一致性，實際線束位置一目了然。對于實車線束來說，線束與車身是關鍵點。需從全車線束中摘出燈光線束；而對于車身部分來說，模型固然成本不高，但無法反映出真實布線情況，因此必須采用實車車身。

實驗臺主要硬件組成為別克君威車體、智能化遠程控制模塊、故障設置檢測箱、外接電源等，采用別克君威原車電路，保持原車全車電路的使用性能及控制方法，加裝智能化故障設置及排除系統(tǒng)，可以直觀的反映全車電路的結構及應用，有助于全車電路的實驗和學習。

3 軟件部分

通過設計故障模塊軟件完成電路故障的設置與檢修，此模塊為遠程故障控制系統(tǒng)?？蓪崿F(xiàn)無線設置十幾個故障，同時包括燈光理論知識模塊和電路測量軟件模塊。教師使用移動終端創(chuàng)建SQL Server數(shù)據(jù)庫，安裝無線網(wǎng)絡智能化考評系統(tǒng)軟件。無線設置故障，通過無線發(fā)射與接收模塊控制設備產生故障，學生在實際設備中排除故障，訓練學生的排故能力。另外，當出現(xiàn)遠程控制系統(tǒng)失效時，也可使用手動操作完成故障設置。進入實驗故障控制臺界面后，在設備控制臺故障列表中選擇故障，鼠標右鍵點擊“設定故障”就可將該故障信號，通過無線控制模塊發(fā)射器將信號傳到位于車身的智能化遠程控制模塊，進而控制車身燈光電路。該遠程控制模塊同時具備編輯題庫功能。如果遠程控制故障設置功能出現(xiàn)問題，則可以使用手動故障設置。設計由解鎖鍵、確定鍵、查詢鍵、清除鍵、復位鍵及鎖定鍵。以1號故障為例，先輸入1后顯示屏顯示F――1，然后按確定鍵此時顯示屏顯示為P――1，故障設置完成。設置多個故障時先輸入一個故障代碼后按確定鍵然后再輸入下一個故障代碼再按確定鍵。設置完多個故障時顯示屏顯示的是最后一個故障。設置故障后按清除鍵即可清除所設置的故障，設置多個故障后如果想清除單個故障時，按查詢鍵查詢到所要清除的故障代碼此時顯示屏顯示P――X （X 為所要清除的故障所對應的故障代碼）按清除鍵即可。設置故障后為了防止學員看到所設置的故障代碼按鎖定鍵即可，鎖定后顯示屏顯示LOCK，鎖定后除解鎖鍵和密碼數(shù)字鍵以外的鍵都不起作用。如果想進去智能化故障設置系統(tǒng)必須按解鎖鍵在輸入密碼即可。

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當前隨著科學技術以及我國鐵路行業(yè)的不斷發(fā)展，鐵路企業(yè)在生產經營中面臨的內外形勢是比較復雜的。鐵路企業(yè)要想提高自己的經濟效益就需要加強管理，會計工作是鐵路企業(yè)財務管理中的重點，會計工作能為鐵路企業(yè)的發(fā)展決策提供一定的參考依據(jù)。目前會計電算化已經成為會計工作的發(fā)展趨勢，鐵路企業(yè)在運行的過程中也應該順應這種形勢，實施會計電算化。

一、鐵路會計電算化過程中存在的主要風險

雖然對于各行各業(yè)來說，會計電算化的實施對企業(yè)會計工作產生了很多積極的影響，鐵路企業(yè)也同樣對會計電算化的依存度提高，但是由于電算化中會計工作硬件、軟件方面存在的缺陷，往往會導致在電算化過程中各種風險的發(fā)生，這些風險不僅僅是對會計工作本身產生不利的影響，而且很有可能導致鐵路企業(yè)信息泄露，甚至給鐵路企業(yè)造成非常大的損失。所以鐵路企業(yè)在實施會計電算化的過程中要有效規(guī)避風險，做好風險控制工作。根據(jù)筆者近年來的調查和總結，鐵路企業(yè)在會計電算化過程中面臨的主要風險有以下幾種：

1.決策不科學導致的風險

鐵路企業(yè)實行會計電算化是企業(yè)把具體決策的實施，由于不同的企業(yè)實際情況是不一樣的，實施電算化會計的最佳時機也是不一樣的。在進行電算化決策的過程中企業(yè)應該充分了解自己的實際情況，需要明確本企業(yè)是是否適合開展會計電算化，適合什么時候開或者是在哪些項目中開比較合適。如果鐵路企業(yè)對這些沒有進行全面的了解的話，那么很有可能做出的會計電算化的決策是錯誤的，不僅不能有效提高會計工作效率，而且浪費了鐵路企業(yè)的人力物力。

2.硬件設備不安全導致的風險

企業(yè)實施會計電算化必然要配備完善的硬件設施，會計電算化中完善的硬件設備主要包括：服務器、顯示器、主機以及各種計算機外圍設備和充足的電源，這些設備必須在會計工作的過程中是完好無損的。如果鐵路企業(yè)在選擇這些設備的時候沒有對其性能了解不夠，那么很有可能導致在會計電算化的過程中會計工作中斷，不能保證會計電算化的順利進行。例如，在會計電算化中如果電源供應中斷，那么就會給會計人員帶來很大的麻煩，甚至導致會計信息的丟失。

3.軟件系統(tǒng)不安全導致的風險

隨著計算機技術和信息技術的不斷發(fā)展，會計工作軟件的種類也在逐漸增多，軟件的使用環(huán)境是不一樣的，并且各種軟件的更新?lián)Q代也比較頻繁。鐵路企業(yè)實施會計電算化的時候應該選擇合適的會計軟件，軟件的安全性和可靠性有深入的了解。一旦會計電算化軟件由于設計人員的問題存在漏洞，那么在使用的過程中會計信息的存儲和處理就會存在比較嚴重的問題，甚至很多會計數(shù)據(jù)會出現(xiàn)不準確的現(xiàn)象，嚴重降低鐵路企業(yè)會計工作質量。

4.會計人員導致的風險

對于完整的會計電算化流程來說，主要的執(zhí)行者有會計電算主管、軟件操作人員、系統(tǒng)維護人員以及電算審查人員，要保證會計電算化的順利實施這些人員的素質要求應該是比較高的。但是從實際的情況來看，這些人員的素質有高有低一些人員在操作的過程中并不能很好遵守各種規(guī)則，對會計數(shù)據(jù)的安全性產生威脅，導致會計電算化過程中各種問題的出現(xiàn)，嚴重阻礙了鐵路企業(yè)會計電算化的順利實施。

5.制度不健全導致的風險

任何的會計活動都需要一定的制度作保障，會計電算化的實施也是一樣的。不僅針對所有的環(huán)節(jié)制定相關的制度，而且要保證制度的可操縱性和實效性，從而使其能保證會計電算化工作的順利開展。但是鐵路企業(yè)在運行的過程中往往對會計電算化工作制度建設不重視，對相關人員的行為沒有相應的法律制度作保障，使得會計電算化實施中比較混亂，導致鐵路企業(yè)中會計電算化的實施效果降低。

二、如何有效控制鐵路電算化中的風險

1.嚴格遵循決策程序，保證決策的科學性

會計電算化的直接目的是為了提高企業(yè)會計工作效率，從而

為企業(yè)財務管理水平的提高服務。但是會計電算化是企業(yè)在一定的發(fā)展階段進行的，在制定會計電算化發(fā)展決策的時候鐵路企業(yè)應該結合自己的實際情況開展，規(guī)范決策程序。一方面，企業(yè)的領導者或者是會計師要在會計電算化過程中擔任領導，對會計電算化的實施時間以及實施項目進行詳細的計劃，充分論證會計電算化化的可行性。另外一方面，鐵路在決策過程中還應該積極聽取群眾的意見，進行民主決策，防止“一言堂”，通過這樣的程序提高決策的科學性和合理性。

2.加強硬件購置和管理

各種硬件設備是會計電算化的物質基礎，硬件設備的性能對會計電算化的正常開展有很大的影響。所以從硬件設備的購置到使用都應該加強管理。在購置過程中，鐵路企業(yè)要對計算機設備的種類、數(shù)量等有清晰的了解，同時要做好網(wǎng)絡敷設，保證會計電算化的順利進行，在硬件連接中要使用服務器—客戶機的方式，保證會計信息安本文由收集整理全。另外在后期的硬件管理中，要對各種硬件進行定期的維修，保證硬件設備可以充分發(fā)揮其功能，在日常操作中要做好備份，避免因為死機等原因導致會計數(shù)據(jù)丟失。

3.重視軟件購置和管理

軟件是會計電算化過程中的一個重要組成部分，軟件的性能直接影響到會計工作的效率和會計工作質量。鐵路企業(yè)購買會計電算化軟件的時候要對會計軟件的安全性進行驗證，而且會計軟件必須經過財政部門的評審，通過實踐的方式確保軟件的安全性。如果是鐵路企業(yè)自發(fā)研制的會計軟件，那么要保證研發(fā)過程的規(guī)范性，同時在正式的使用之前要經過一段時間的試運行，再試運行的過程中對軟件的相關數(shù)據(jù)進行驗證，對于出現(xiàn)的各種漏洞要求研發(fā)人員改進，有效能提高會計電算化軟件的安全性和可靠性。

4.建立健全會計電算化管理制度

鐵路企業(yè)推行會計電算化是一項系統(tǒng)性的工作，設計的人員和環(huán)節(jié)比較多，所以需要嚴格的制度作保障。第一，要建立崗位責任制。會計電算化過程中的環(huán)節(jié)比較多，崗位兼任往往會發(fā)生會計信息泄露的事故。所以要建立崗位責任制，明確相關人員的崗位責任，并且將不相容的崗位分離，例如，會計電算化操作人員不能兼任軟件編制崗位，也不能對已存在的會計資料進行審核工作。第二，完善操作管理制度。鐵路企業(yè)要對各操作崗位進行嚴格的制度管理，在操作系統(tǒng)設置一定的密碼和電子口令，只有擁有相關權限的人員才能對系統(tǒng)進行操作，有效避免了細心泄露。第三，對于鐵路企業(yè)的會計電算化來說，還應該建立一些其他的制度。例如，操作人員要進行操作的時候應該征求審查人員的同意，或者是在操作過程中防止攜帶各種移動存儲設備等等。

5.加強人員素質建設

鐵路企業(yè)會計電算化中加強會計人員素質建設需要從兩個方面做起。一方面要不斷提高會計人員的業(yè)務素質，通過培訓以及個人自學，使他們能掌握最新的會計知識，同時也能掌握相關的會計電算化軟件操作知識，更好的適應會計電算化的開展。另外一方面，要加強他們的職業(yè)道德建設。職業(yè)道德是保障會計人員的基本職業(yè)要求，通過宣傳教育應該使會計電算化工作人員在工作中能堅持基本的職業(yè)道德，提高會計電算人員的責任意識，從而能真正發(fā)揮會計電算化的效力。

篇4

 

0 引言

 

現(xiàn)階段微電子技術在社會生產生活中具有重要的地位，軟件和集成電路已經成為21世紀社會發(fā)展的基礎。微電子技術作為高新技術的組成部分之一，逐漸成為電子信息技術的核心部分，深入到社會生產生活的每一個角落。電子器件的小型化和微型化是現(xiàn)代微電子技術的重要特征之一，其核心是系統(tǒng)集成(SOC)和集成電路(IC)。

 

1 微電子技術的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀

 

微電子技術一門以集成電路為核心的各種半導體器件基礎上的高新電子技術，其具有工作速度快、重量輕、體積小、可靠性高等諸多優(yōu)點。微電子技術是一項起源于19世紀末20世紀初的新興技術，微電子技術的發(fā)展史從某種意義上說是集成電路的發(fā)展史。

 

現(xiàn)階段大規(guī)模集成電力的集成度代表這微電子技術的發(fā)展水平。從集成電路在1958年被發(fā)明以來，集成電路的發(fā)展規(guī)律依然遵循著“摩爾定律”，即DRAM的儲存量每隔3年就變?yōu)樵瓉淼?倍，集成電路芯片上的元件數(shù)量每18個月增加1倍(具體見表1)。微電子技術的發(fā)展歷程如下，美國貝爾實驗室于 1947年制造出第一個晶體管，這為制造體積更小的集成電路奠定了相關的技術基礎。1958年美國德克薩斯儀器公司的基比爾于研究員制造出第一個集成電路模型，并與次年該公司宣布發(fā)明了第一個集成電路。1959年美國仙童公司將微型晶體管的制造工藝—“平面工藝”經過一定的技術改進后用于集成電路的制造過程中，實現(xiàn)了集成電路由實驗階段向工業(yè)生產階段的過渡。1964年相關的技術人員又研制出PMOS集成電路，大大減小了集成電路的體積，其與分立元件相比較PMOS集成電路具有可靠性高、功耗低、制造工藝簡單和適于大量生產等諸多優(yōu)點。到目前為止，與第一塊集成電路相比集成電路的集成度的尺寸縮小了200 多倍，集成度提高了550多萬倍，元件成本降低了100多萬倍。

 

在當今社會中微電子元件可以說是無處不在，每個人都在享受這微電子技術帶來的方便快捷。集成電路被廣泛應用于社會的各個行業(yè)，比如計算機技術、環(huán)境工程、交通醫(yī)療等領域。微電子技術對各種傳統(tǒng)產業(yè)具有強有力的帶動作用，幾乎所有的傳統(tǒng)產業(yè)與微電子技術結合，利用芯片更新技術，都可給傳統(tǒng)產業(yè)注入活力。例如，像汽車的電子化使傳統(tǒng)的汽車工業(yè)滲透進了微電子技術，采用微電子技術的電子引擎監(jiān)控系統(tǒng)“汽車安全防盜系統(tǒng)”出租車的計價器等已得到廣泛應用，現(xiàn)代汽車上有時甚至要有十幾個到幾十個微處理器又如，印刷工業(yè)采用了微電子技術排版不再采用鉛字，文字的增添“刪除“編排，字體的選取等都在計算機上進行，在很短的時間內就可以全部按需要設置完成，與傳統(tǒng)印刷工業(yè)改動一字就要涉及全局已不可同日而語。

 

微電子技術不僅在工業(yè)制造中應用廣泛，同時為商業(yè)的發(fā)展提供了巨大的方便。隨著微電子技術的不斷發(fā)展和計算機的應用，商場超市傳統(tǒng)的記賬方式發(fā)生了巨大的變化，賬目的記錄、查詢、統(tǒng)計和存儲方式發(fā)生了巨大的變化。另外，隨著其他技術和微電子技術的相互融合滲透逐漸發(fā)展出新的技術。比如微電子技術和信息技術融合創(chuàng)造出數(shù)字地圖，其通過無線電傳輸?shù)确绞侥軌驗槿藗兲峁┧诘貐^(qū)的天氣狀況、地理狀況等所有信息，為人們的出行和野外作業(yè)等提供便利。

 

2 微電子技術發(fā)展展望

 

微電子技術作為一門隨著集成電路發(fā)展起來的新興技術，其只要包括器件物理、工藝技術、材料研制、系統(tǒng)電路設計和封裝組裝等技術，簡單而言主要包括材料、系統(tǒng)和器件三部分。

 

2.1 新型半導體材料的研制

 

其中，材料作為微電子技術發(fā)展的基礎，對于先進材料的研制一直是微電子技術研發(fā)的重點領域。在未來的一段時間對于對新型半導體材、化合物和納米材料的研發(fā)是重點。

 

新的碳化硅(SiC)材料具有禁帶寬、高熱導率、漂移速度快、高擊穿電壓等諸多優(yōu)點。這些優(yōu)點能夠保證元件在高溫高壓下進行工作，同時元件的功率比較大，能夠進行高頻工作并且集成度高?，F(xiàn)階段，新型研制出的氧化硅晶體管能夠在520℃下進行工作并且擊穿電壓能夠達到800℃。另外和其他寬緊帶的材料相比較，碳化硅材料能夠通過熱氧化的方式生成二氧化硅(SiO2)。

 

氮化鋁(AlN)是一種舉要抗輻射性能高、高擊穿電壓和寬禁帶的材料，并且絕緣體上的硅具有低功耗、高速、抗輻射、無栓鎖等諸多優(yōu)點。另外，銦磷化合物也是一種新型的半導體材料，它能夠很好的將數(shù)字功能和射頻集中在同一個芯片上，它的運行功耗更加低，運行速度比硅型芯片的更加快。

 

雖然上面有很多的新型材料但是晶體管的尺寸受到熱效應、磁場效應和量子效應的影響，傳統(tǒng)的微電子發(fā)展正面臨嚴重的瓶頸?，F(xiàn)在對納米尺度下新的量子現(xiàn)象和效應的研究成為國際上近年來的研究熱點，新型納電子器件得以迅速發(fā)展。碳納米管(CNT)是其中的一員，它(CNT)是人工合成的天然納米線，由于是一維輸運，所以它的電子遷移率比體硅高很多，特別是可能實現(xiàn)彈道輸運。另外由于CNT具有非常高的擊穿電場(最高可達108V /cm)，所以CNT中的電子漂移速度可以遠遠超過硅反型層中的電子，故被業(yè)界一直認為最有可能成為硅材料的未來最終繼承者。因為它既可承擔導線的功能，又可承擔半導體(即晶體管開關)的功能，但其技術走向市場還有待成熟。如IBM公司于2002年宣布開發(fā)出性能優(yōu)異的碳納米晶體管，但同時宣稱從硅電子時代過渡到碳納米為代表的納米電子時代可能要10年左右。在芯片集成方面的重要發(fā)展方向是SOC和SIP。

 

2.2工藝手段越來越先進

 

隨著集成電路集成度的不斷提高，技術人員不斷縮短光刻波長并且改進透鏡的孔徑，通過各種手段改進光刻技術。光刻技術現(xiàn)階段主要研究的是深紫外線光刻技術和沉浸光刻技術。沉浸光刻技術是指在原來的光刻設備的透鏡和晶圓之間灌滿水，從而達到提高孔徑數(shù)值和透鏡分辨率的目的。沉浸光刻技術是下一代光刻技術的主要發(fā)展方向。比如荷蘭的ASXN公司采用190nm 的深紫外光源并且采用沉浸透鏡技術其應用極限達到30nm，很有希望突破遇到的光刻障礙?，F(xiàn)在除了業(yè)界看好的沉浸光刻技術外，正在研究的其他新工藝也比較多。別如電子束技術、微型電子束陣列和X射線等等。

 

3 結論

 

21世紀社會將成為一個信息化的社會，微電子技術在信息化社會發(fā)展中將占有及其重要的位置，同時也將成為本世紀最為活躍的科技領域。本文對微電子技術的發(fā)展狀況進行了分析，同時展望了微電子技術未來的發(fā)展方向。

篇5

【關鍵詞】 集成電路 關鍵設備 市場分析 發(fā)展戰(zhàn)略

引言：

信息技術的發(fā)展，集成電路是一項重要的標志，而信息產業(yè)的發(fā)展，集成電路在產業(yè)化發(fā)展的進程中，相關設備成為了集成電路產業(yè)發(fā)展的重要基礎。集成電路關鍵設備的制造，半導體制造裝備發(fā)揮著基礎性的作用，特別是工藝技術的發(fā)展，給集成電路產業(yè)賦予了生機和活力。集成電路的關鍵設備作為電子設備的核心部分，在電子制造也中占有重要的地位，因此，要推進集成電路關鍵設備的快速發(fā)展，就要針對關鍵設備的現(xiàn)行市場運行狀態(tài)進行分析，并具有針對性地提出發(fā)展戰(zhàn)略。

一、集成電路關鍵設備市場分析

從電子產品的消費市場來看，價位低，集成度高的芯片依然占據(jù)著主流市場，而且對半導體產業(yè)的發(fā)展產生了強大的推動作用。早在2004年，集成電路的芯片銷路就非常好，并創(chuàng)造了可觀的業(yè)績，甚至突破了所預測的2005年的銷售額度。自2008年以來，半導體產業(yè)就呈現(xiàn)出強大的增長態(tài)勢，平均增長率為9.7%。到2008年，集成電路產業(yè)的發(fā)展，中國和印度成為了生產的和核心和銷售的核心，而且此時的半導體生產率以平均10%的速度遞增。2010年，世界半導體產業(yè)的銷售額突破了5000億美元，對電子設備市場起到了重要的支撐作用。

近年來，集成電路產業(yè)鏈發(fā)展，原有的分散管理逐漸向聚集為一個整體產業(yè)，其中的一些大型的且資金雄厚企業(yè)起到了龍頭的作用，將小型的企業(yè)兼并后，使得企業(yè)規(guī)模化快發(fā)展。

未來的幾十年，集成電路關鍵設備市場依然呈現(xiàn)出發(fā)展的態(tài)勢，而且隨著電子市場的全面開放，集成電路的銷售狀況更為看好，而且預期平均每年的銷售增長率可以達到9%至10%。

二、集成電路關鍵設備的市場發(fā)展戰(zhàn)略

2.1將促進集成電路關鍵設備市場發(fā)展的產業(yè)政策制定出來

要促進集成電路關鍵設備市場發(fā)展，就要在政策上跟進。從政策的角度出發(fā)，給集成電路關鍵設備的生產提供優(yōu)惠政策，包括投資、稅收以及貸款等方面都基于優(yōu)厚的待遇，特別要采取有效策略針對目前集成電路產業(yè)發(fā)展中所存在的融資問題予以解決。針對集成電路專用設備制造業(yè)、半導體也都享受部分國家優(yōu)惠政策和鼓勵政策，對集成電路專用設備的進口方面要予以嚴格管理，特別是進口的二手設備，需要增加額度較高的環(huán)境保護稅。對于國外出廠時間很長的二手設備，則要通過嚴格檢查而避免類似的設備進入到中國市場。

2.2集成電路關鍵設備市場發(fā)展需要加大技術創(chuàng)新力度

集成電路關鍵設備市場發(fā)展需要加大技術創(chuàng)新力度還能夠與國外同行業(yè)競爭而獲得市場競爭優(yōu)勢。集成電路關鍵設備市場的技術創(chuàng)新，政府投入力度的增加實施關鍵環(huán)節(jié)。有必要將集成電路專用設備的發(fā)展基金建立起來，為集成電路起到一定的扶持作用。特別是集成電路產業(yè)的技術創(chuàng)新要與生產線結合起來，以促進中國集成電路產業(yè)的整體性提升。

2.3集成電路關鍵設備市場發(fā)展需要構建多元的融資渠道

集成電路關鍵設備市場發(fā)展，投資是需要重視的環(huán)節(jié)。如果沒有充裕的資金，就很難獲得發(fā)展。因此，政府要發(fā)揮作用將社會投資和民間融資帶動起來，以使集成電路產業(yè)在發(fā)展的過程中可以多方籌集資金，以確保集成電路的設計制造產業(yè)順利展開。特別要鼓勵國外的企業(yè)到中國投資集成電路產業(yè)，并帶來新的技術，以對中國的集成電路產業(yè)起到推動作用。

對外開放可以加大中國與國外企業(yè)的合作力度不僅可以吸引國外投資，而且還能夠引進行業(yè)先進技術，并促進中外合作針對集成電路的關鍵設備進行研發(fā)和生產。

2.4集成電路關鍵設備的生產要以市場為導向

為了在集成電路關鍵設備的生產上實現(xiàn)突破，就要將國內的技術優(yōu)勢充分地發(fā)揮出來，從構造簡單、工序簡單的設備開始研發(fā)，向大型的繼承電路過渡，逐漸形成生產鏈，以在關鍵設備的研制和生產上有所突破。集成電路關鍵設備的生產要以市場為導向，不僅僅是國內市場，還包括國外市場的集成電路關鍵設備發(fā)展趨勢都要有所關注。基于國內外同行業(yè)競爭力，就要推動中國的集成電路產業(yè)進入到世界主流市場。

篇6

【關鍵詞】 雷達 微電子技術 分析

在現(xiàn)代化的軍用雷達與電子設備之中軍用微電子技術屬于非常重要的技術之一，是現(xiàn)代軍事信息作戰(zhàn)的基礎。在軍用微電子工業(yè)當中，集成電路屬于最具活躍的產品。在美國非常重視開發(fā)與應用軍用集成電路。美國相關的國防部門早在十幾年前曾提出^超高速集成電路與微波單片集成電路的發(fā)展規(guī)劃。只要真正的實現(xiàn)這兩者的發(fā)展計劃對于軍用雷達與武器裝備未來的發(fā)展有著巨大的影響，對打贏未來信息戰(zhàn)爭發(fā)揮舉足輕重作用。

一、超高速集成電路與微波單片集成電路的特點

1、超高速集成電路的特點。在未來的信息作戰(zhàn)當中，電磁信號的環(huán)境十分匯集而且復雜，軍用雷達與電子情報系統(tǒng)需要面對一百至二百萬脈沖美妙的信號方面的強度，處理信號的系統(tǒng)極有可能需要執(zhí)行幾十億條指令。面對極其復雜的信息作戰(zhàn)環(huán)境，然而目前一般的集成電路處理信號系統(tǒng)的效率很難滿足相關的需求。要想真正的處理好這方面的問題，美軍便加大力度促進超高速集成電路發(fā)展。

2、微波單片集成電路的特點。微波單片集成電路將超大規(guī)模集成電路、超高速集成電路以及超高性能集成電路使用至數(shù)字電路中的微波電路，它屬于集成電路處于微波電路中主要的發(fā)展。微波單片集成電路將諸多晶體管、電阻、電容等管線集中至一個芯片上，制成許多功率放大器、低噪聲放大器、移相器等。僅有很少的微波單片集成電路芯片組合起來就能組成一個收發(fā)構件，用來代替很多元件。

二、超高速集成電路與微波單片集成電路的發(fā)展現(xiàn)狀

1、超高速集成電路的發(fā)展現(xiàn)狀。美國國防部門早在很多年前年對超高速集成電路的發(fā)展就已經開展實施以硅為主要材料發(fā)展計劃，之后又轉化成將硅和砷化稼作為主要材料并舉的超高速集成電路發(fā)展計劃，為了促使軍用電子系統(tǒng)發(fā)展的快速進程。此計劃主要是為了促進民用半導體商家的發(fā)展所難以解決的軍用信號需要的元器件工藝，就是為了滿足軍用信號處理、抗輻射、故障容限等能力的有關需求所提出的。這個計劃的的總提目標就是為了研制出功能先進、價格合理、高質量的超高速集成電路芯片，確保處理信號速率、功耗減少、可靠性、維護性合理提高的終點目標，并且使目前具備處理數(shù)據(jù)的速度必須提升一級。其實際的目標是為了使芯片的微加工線寬達到標準的規(guī)格，各項功能要比同樣種類民用的產品高出百倍，將其的可靠性提升十倍。按照制定的范圍超高速集成電路應當于1990年完成計劃，共投資量達到十億美元，通過集中開發(fā)了來實現(xiàn)亞微米特有的尺寸要求的技術。

2、60年代中期才得到逐漸的發(fā)展，70年代，砷化鎵材料制造工藝的逐步成熟，對于微波單片集成電路的發(fā)展形成了很大影響。因為砷化鎵材料的電子遷移率比硅高出7倍，且半絕緣砷化鎵的電阻率的高度達到108，因此砷化鎵屬于最合理的微波傳輸介質材料，非常適合用在單片微波單片集成電路的襯底。正是因為砷化鎵技術的普遍推廣，促進了工業(yè)界集團朝向微波單片集成電路的方向發(fā)展。

三、超高速集成電路與微波單片集成電路在信息作戰(zhàn)領域的應用

1、超高速集成電路在雷達和軍用電子設備中的應用。超高速集成電路應用至軍事雷達與電子裝備系統(tǒng)中有效的提高了的在戰(zhàn)場上獲取情報、偵查情報、分析目標、處理數(shù)據(jù)等方面的能力；在很大幅度上，有效的提高了雷達、電子設備、武器系統(tǒng)在復雜的環(huán)境當中，以最快的速率反應能力與應變能力，實現(xiàn)了信息作戰(zhàn)武器系統(tǒng)的高速、高效和精準性。

2、微波單片集成電路在軍用雷達中的應用。與普通使用的陸基雷達相比較之下，微波單片集成電路器件與之同樣的雷達在相同條件下所耗費的性能提高十倍。相控陣雷達的真正優(yōu)勢在于產生的微波功率的與傳輸效率較高，發(fā)射機的功能消耗等于使用功率管的三分之一，同時接收機的靈活度也提高了2倍。另一方面的優(yōu)勢在于可靠性較強，在此過程中，就算其中有百分之五的構件失靈。雷達系統(tǒng)依然能保證供應更好更多功能工作性能。微波單片集成電路 T/R組件極具緊湊、可靠性高、重量輕、成本低等結構方面的優(yōu)勢。

結束語：綜上所述，超高速集成電路能夠有效的提高處理信號與處理數(shù)據(jù)的能力，還能增強信號方面的接收、傳輸、發(fā)射能力的微波單片集成電路電路能實現(xiàn)構建出新一代全新的軍用微電子系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在軍事信息作戰(zhàn)領域特別是雷達和電子設備中擁有良好的應用前景。在下一代中的軍用雷達關鍵特征在于它器件方面的模塊化與集成化，而超高速集成電路與微波單片集成電路屬于提高軍用雷達器件集成化、模塊化過程中最重要手段之一。

參 考 文 獻

[1]嚴偉. 微電子組裝技術在現(xiàn)代雷達中的應用[J]. 微電子學，1994，01：59-63.

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隨著國際各大半導體制造企業(yè)進入中國，中國的半導體測試業(yè)伴隨半導體設計/制造業(yè)一樣進入國際化。中國的半導體測試業(yè)必須選擇恰當?shù)那腥朦c，在滿足現(xiàn)有低端測試服務的基礎上，大力開拓中端市場；在高端市場上積極開展合作，引進技術，爭取跨越式發(fā)展。

測試對設備的新要求

隨著IC設計、制造業(yè)的快速發(fā)展，高速、高密度、SOC、ASIC等新型芯片不斷出現(xiàn)，對測試設備提出了高速、高密度、通用性、高性/價比的要求。但高速、高密度、高性能的要求，必然導致測試系統(tǒng)的工藝、結構、器件性能、復雜性的提高，從而使得測試系統(tǒng)體積增加、成本提高。雖然新技術、新器件的使用，提高了測試系統(tǒng)的速度和性能，降低了功耗和成本，但測試性能永遠要高于被測芯片的性能，新型高性能IC的速度達到幾百兆甚至幾千兆，通道數(shù)達到幾百個到幾千個。所以高端、高性能的測試系統(tǒng)仍然是高價格、大體積的特點。

國際上先進的測試設備制造商都針對主流測試市場推出中、高檔測試設備、但任何一款測試設備都不能滿足不斷更新的測試需求，性能、價格的矛盾，適應性和復雜性的矛盾仍需解決。各大測試設備制造商（如泰瑞達、愛德萬）都先后提出測試系統(tǒng)的開放性和標準化，使系統(tǒng)具有靈活配置、不斷升級、快速編程，以適應各種測試需求。但目前國際化的測試系統(tǒng)開放性標準仍未形成。主要是各大測試設備制造商都希望采用各自的標準。所以目前測試系統(tǒng)的開放標準都有局限性。

國內測試市場正以前所未有的速度增長，隨著中國CAD設計水平的提高，將會有大量的各類SOC、ASIC等國產芯片出現(xiàn)，貼近測試市場，提供快速、靈活配置，優(yōu)良的技術服務，符合國內市場需求價位的國產測試設備，將是最受歡迎的測試設備。為此,北京自動測試技術研究所早在1998年就開展了開放性測試系統(tǒng)的研發(fā)，我們采用國際儀器、測控行業(yè)推行的開放性、標準化總線VXI、PXI總線，使我們的設備從低端到中高端產品都建立在統(tǒng)一的開放性、標準化總線結構上，保證了產品的兼容性、延續(xù)性、開放性及標準化的特點，加快了產品的升級換代。利用其開放性、標準化特點，可方便插入各儀器制造商提供的通用VXI、PXI測量，測試模塊靈活配置系統(tǒng)。這對今后大量涌現(xiàn)的數(shù)?；旌?、SOC芯片測試提供了大量測試資源。能夠根據(jù)測試需求，以最優(yōu)性/價比配置系統(tǒng)。

測試服務業(yè)的新機遇

到2010年，全國集成電路產量將要達到500億塊，將占當時世界市場份額的5％，滿足國內市場50％的需求，基本形成具有一定規(guī)模的產業(yè)群和較為完整的產業(yè)鏈。集成電路產業(yè)是由設計業(yè)、制造業(yè)、封裝業(yè)和測試業(yè)等四業(yè)組成。測試業(yè)的生存和發(fā)展與IC產業(yè)息息相關。

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對于這類比較器的設計,減小失調電壓是一個大的設計挑戰(zhàn),常用的技術有輸入失調存儲和輸出失調存儲等。在文獻[10]中,介紹了同時采用輸入失調存儲和輸出失調存儲兩種技術的自動歸零高速比較器。以上文獻介紹的比較器的輸出級都是由使用正反饋環(huán)的高速鎖存器組成的,但是,對于連續(xù)時間的鑒別器,其輸出級需要采用電流放大器來代替[11],因為光電探測器的輸出多為電流信號,所以電流模式的比較器[12]在前端電子中也比較受歡迎。在上述文獻中,提出采用正反饋機制來提高電流鏡的響應速度。對于光電探測器,輸出電流的幅度和它們下降沿的斜率與入射的電荷數(shù)有關。入射的電荷數(shù)不同,下降沿的斜率也不同,這將導致一個稱為“時間偏移”的誤差。時間移步是探測器前端電子的固有誤差,可以通過測量測得,并通過非在線的程序糾正。但是,采用恒比定時鑒別器的在線校正是另一個解決方案。峰值探測采樣和保持經過成形的脈沖波形包含了反映被探測器粒子的能量信息,為了完成能量測量,這個脈沖電壓的峰值應該被探測、采樣并保持,為后續(xù)的數(shù)字化做準備。因此,峰值探測器是前端電子一個重要模塊。目前,峰值探測有三種常用的方法。第一種是對于經過CR-RC成形或半高斯成形的脈沖,可以用一個固定的延遲信號來采樣峰值電壓[13]。這是因為,對所有輸入電荷量級,經過調制的脈沖都有相同的成形時間?？梢岳描b別器采樣到的時間標記信號經過一個精確的延時電路來實現(xiàn)。這種方法一般采用一個采樣信號控制的開關-電容模擬存儲器來實現(xiàn),精確延時采用一個單穩(wěn)態(tài)電路(Monostablecir-cuit)實現(xiàn)。第二種是,峰值電壓可采用一個專用的峰值跟蹤采樣保持電路[14],這樣峰值的探測與時間標記無關。第三種是借助于高速ADC采樣成形過的脈沖電壓,然后采用擬合算法恢復這個重建脈沖,并算出其最高點的電壓[15]。這種電路是新穎的前端電子,目前還在實驗階段。模擬-數(shù)字轉換隨著VLSI和計算機科學的發(fā)展,前端電子也進入了“盡快進入數(shù)字世界(Godigitalassoonaspossible)”的時代,這種需求推動了高分辨率、高速和低功耗的ADC的開發(fā)。近年來,集成ADC技術的發(fā)展使得將ADC集成到前端讀出ASIC中成為一種可能,因此,信號數(shù)字化成為前端電子開發(fā)中的一個重要部分。這里,模擬-數(shù)字轉換指的是將模擬電壓信號轉換成數(shù)字信號的操作。模擬到數(shù)字的轉換一般包括兩部分:采樣/保持(S/H)操作和數(shù)字量化。對于一個時間連續(xù)的輸入信號Vin,ADC輸出一系列數(shù)字碼。對于輻射探測器應用,多通道和高于6位的動態(tài)范圍是很平常的,選擇一個合適的ADC用于特殊應用是一個非常困難的工作,現(xiàn)在很多ADC結構都可以作為候選。在文獻[16]中,作者調查了過去20年中將近1000個商業(yè)ADC的指標和性能,給出了不同結構ADC的特點和應用場合。對于PET前端電子系統(tǒng),快閃(Flash)結構一般被排除在外,雖然它能夠獲得超高速,但是其消耗的大功率和電路面積大不符合前端電子系統(tǒng)中需要的高分辨率和多通道要求。半快閃(Half-Flash)和流水線(Pipeline)結構是很多現(xiàn)代商業(yè)ADC的基礎,能很好地滿足要求,但是這些ADC,特別是在很好的微分非線性需要的情況下,設計復雜度較大。逐次逼近ADC設計相對簡單,但是如果需要大動態(tài)范圍和好的線性度,它們的面積讓人望而卻步。Σ-ΔADC結構能夠獲得高達24位的分辨率,但是,它的速度一般限制在1MS/s以下。最后,單斜坡或Wilkinson結構的優(yōu)勢是低功耗和多通道,但是其采樣率由分辨率和參考時鐘頻率限定,當時鐘為100MHz,一個12位單斜坡ADC的采樣率僅幾百kS/s。Wilkinson結構非常適合于前端電子高分辨率多通道的要求,并且廣泛應用于前端電子系統(tǒng)中。時間-數(shù)字轉換TDC是量化兩個信號(定義為“Start”和“Stop”)之間的微小時間間隔并提供這個時間間隔的數(shù)字信號表示的基本電子器件,它的功能如同一個量化電壓的ADC,只是TDC處理的模擬量是時間,而ADC處理電壓信號。其概念和轉換曲線如圖5(a)和(b)所示,所測時間間隔為Start信號和Stop信號上升沿50%處的相位差。在圖5(c)中,輸入模擬量為時間,輸出量為二進制數(shù)字碼。由于受到非匹配和噪聲的影響,實際的轉換曲線一般偏移理想的曲線并生成量化誤差。

PET前端讀出電路芯片的研究進展

上個世紀80年代后期,專用集成電路技術開始應用于PET成像系統(tǒng)的前端電子中,前端讀出電路的設計與具體的應用、所用的探測器模塊和總體的系統(tǒng)性能相關,因而,開發(fā)前端電路芯片對專用集成電路設計者來說是一項全定制的復雜工作。早期PET用VLSI研究早在1988年,文獻[23]介紹了PET成像前端的VLSI體系結構,但是,沒有發(fā)現(xiàn)所提結構的進一步實現(xiàn)的報告,原因是第一代PET是一個二維成像儀器,不需要復雜的前端電子。5年后,應用于高分辨率PET掃描儀的數(shù)字前端電子專用集成電路實現(xiàn)由D.Newport等人發(fā)表[24],該專用集成電路由37000門數(shù)字電路組成,采用1μmCMOS門海工藝實現(xiàn),前端電子的組織依舊是采用離散器件組成的電路在PCB上實現(xiàn)。用于PMT的專用集成電路1997年,W.Wai-hoi等人介紹了采用四象限PMT探測器陣列的可變場PET照相機的前端電子[25],這個工作建立了基于PMT的PET前端電子系統(tǒng)的基本結構,采用四象限PMT探測器陣列的PET系統(tǒng)是早期開發(fā)中的重要一支。2002年,B.Swann等人介紹了一款用于這個PET系列的全定制混合信號CMOS集成電路[26],所提出的芯片采用0.5μm的標準CMOS工藝用于LSO/PMT探測器模塊,集成了前端讀出電路和時間測量電路,其時間分辨率為312.5ps,這個值在當時是相當先進的,但是,能量數(shù)字化電路沒有和其他模塊一起集成。這個芯片的測量結果和特性在文獻[27]中發(fā)表,基于這顆芯片的電子系統(tǒng)也兼容基于BGO的探測器模塊。用于APD的專用集成電路1999年,文獻[28]介紹了一個新穎的基于APD的探測器模塊,用于多模PET/SPECT/CT掃描儀,這拉開了用于APD探測器的專用電路芯片的序幕。同時,小動物PET的概念也開始出現(xiàn),一些科學家開始致力于這些系統(tǒng)的前端電子的開發(fā)。在2001年和2002年的IEEE核科學和醫(yī)學成像國際會議上,大量文章涉及了APD前端信號處理芯片。在文獻[29]中,M.L.Woodring等人介紹了一款基于APD的小動物PET前端讀出芯片。另外,用于小動物PET的前端電子和數(shù)據(jù)采集方法也在文獻[30-31]中得到報道。2004年,因為位置靈敏的APD比PMT具備更好的性能,致力于APD探測器的前端讀出電路變得越來越重要。但是,APD生成的信號比PMT弱,以至于為PMT開發(fā)的傳統(tǒng)技術不能直接用在APD的讀出上。因而,需要開發(fā)新穎的前端電子,特別是低噪聲的前端讀出電路。文獻[32-35]等主要介紹了基于APD的PET系統(tǒng)的低噪聲前端電路和信號處理技術。這些貢獻為后續(xù)的研究打下了堅實的基礎。用于TOFPET的專用集成電路傳統(tǒng)的PET成像系統(tǒng)中飛行時間信息只決定兩個被探測的光子是否處于時間符合窗口來判斷它們是否來自同一個湮滅時間,它不能用來決定響應直線上的兩個光子源,因此,響應線上的所有位置發(fā)射的概率相同,飛行時間的信息不能為圖像重建提供幫助。但是,TOFPET成像系統(tǒng)利用飛行時間差來更好的定位發(fā)射光子的湮滅位置[36-37]。具備“飛行時間”功能的PET需要一個時間-數(shù)字轉換器(TDC)來測量兩個光子從湮滅位置到晶體的時間間隔。由于需要高分辨率的時間甄別和諸如“時間偏移(TimeWalk)”等問題,使用高精度TDC需要考慮新穎的前端讀出芯片的結構。文獻[38]介紹了一個用于TOFPET的多通道讀出專用電路芯片,該芯片可以獲得105ps(FWHM)的固有時間精度。采用LYSO晶體和PMT的原型系統(tǒng)可以獲得330ps的符合時間分辨率,采用22Na示蹤劑和片上電荷積分電路能夠獲得13%的能量分辨率。用于帶DOI的PET的專用集成電路對于某些PET來說,測量反應深度可以提供更精確的湮滅位置。文獻[39]介紹了一款64通道的混合信號前端集成電路,用于讀取基于LSO晶體和光電二極管的PET前端信號。這個PET需要測量反應深度(DOI,Depthofinteraction),每個通道由一個低噪聲電荷靈敏放大器、一個CR-RC脈沖成形器和一個“勝者為王”(Winner-take-all)多路復用器。這個復用器能夠選擇有最大信號的通道,其好處是該模擬復用器不需要譯碼電路。J.F.Pratte等人在文獻[40]中也介紹了一個快速成形放大器,應用于基于APD帶DOI的PET/CT,電路采用0.35μm的標準CMOS工藝制造,獲得1.49ns的時間分辨率。國內PET系統(tǒng)及前端讀出芯片設計技術研究進展國內研究和開發(fā)PET成像系統(tǒng)晚于西方發(fā)達國家,但已經小有成就。在PET整機方面,中科院高能物理研究所[41]從1983年開始研制PET成像設備,三年后研制出第一臺樣機。1992年高能所與廣州威達公司合作研制第一臺兩環(huán)PET,并于兩年后交付醫(yī)院臨床使用,后來又對原有PET進行了升級改造。2005年,高能所研制成功第一臺小型PET成像系統(tǒng)。其次,東軟集團在2005年引進美國派斯通公司技術,成立“沈陽東軟派斯通醫(yī)療系統(tǒng)有限公司”作為PET的生產研發(fā)基地,于2009年在沈陽研制成功東軟Truesight系列PET,包括NSP-P8和NSP-P6C兩個型號的產品,已經達到國際同類產品的先進水平,填補了我國在大型高尖端醫(yī)療裝備領域的一項空白,并獲得了美國FDA(美國食品藥物管理局)認證。東軟成為我國第一家能夠生產并面向國際市場銷售PET的公司[42]。另外,2010年12月23日,華中科技大學PET儀器開發(fā)與多模醫(yī)學成像實驗室研制的PET樣機,是我國制成的第二臺小動物PET樣機,也是國內第一臺從源頭創(chuàng)新,自主開發(fā)的全數(shù)字化平板PET樣機[43]。目前,國內中國科技大學、清華大學、湖南大學等開始了PET前端電子的研究。王永綱介紹了基于雪崩光電二極管(APD)陣列的PET探測器模塊電子學[44]。相關文獻[45-46]介紹了采用FPGA成功實現(xiàn)了模數(shù)轉換電路(ADC)和時數(shù)轉換電路(TDC)。另外,浙江大學、東南大學、四川大學等高校也開始了PET系統(tǒng)、圖像重建和應用等方面的研究,但是沒有單片集成的多通道前端讀出和信號處理電路系列芯片的相關報道。西北工業(yè)大學嵌入式系統(tǒng)集成教育部工程研究中心于2007年4月開始啟動生物醫(yī)學成像應用的前端讀出芯片研發(fā)項目,通過與法國斯特拉斯堡大學(UniversityofStras-bourg,France)合作,重點展開了PET成像系統(tǒng)前端讀出電路芯片的研發(fā)。目前,已經研制了用于PET成像系統(tǒng)的低噪聲多通道前端讀出電路、高分辨率多通道TDC和ADC等原型電路芯片[47-49]。

PET前端讀出芯片發(fā)展動態(tài)分析

近幾年來,隨著小動物PET的開發(fā),時空分辨率變得越來越小,例如,MicroPET-II[50]的空間分辨率已經減小到1mm3,時間分辨率下降到500ps,這使得前端專用集成電路的設計越來越難。因而,需要新的前端電路結構和信號處理技術。J.D.Martinez等人在文獻[51]中發(fā)表了他們關于PET成像高速數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理系統(tǒng)的工作,主要用于乳腺癌的探測和外科手術指導,這是首次提出采用數(shù)字信號處理器(DSP)來處理前端數(shù)據(jù)采集和處理,這個主意實際上激發(fā)了在PET前端電子集成DSP的趨勢。關于這個主題的研究還可以在文獻[15,52-53]中找到。這些新穎的電子包括:一是采用高速ADC和數(shù)字處理算法的流水線結構,其原理來自光傳感器信號中的流水線處理技術采用的結構,在經過讀出、成形和高速采樣之后,前端信號采用數(shù)字濾波和專用算法進行能量和時間提取,在存儲之前先進行數(shù)據(jù)處理和選擇。這種方法也被P.Guerra等人提出[52],而且他們還介紹了高分辨率PET掃描儀的新穎嵌入式數(shù)字前端。這種方法最近被J.F.Genat等人再次提出,用于皮秒級時間測量。比較常用的其他方法,采用高速ADC和DSP技術可以獲得幾個皮秒的精度。二是集成前端能量測量電路、時間測量電路和模擬-數(shù)字接口的單片前端讀出芯片,這樣,每個前端讀出芯片的能量和時間信息均為數(shù)字輸出,這些數(shù)字信號可以簡單和高效地讀出,而且可以用FPGA和成像專用數(shù)字信號處理器來處理采集到的數(shù)據(jù)。相關的產品已經可從TexasInstruments公司找到[54]。另外,文獻[55]中提出了一個多閾值電壓采樣和時間測量的數(shù)據(jù)處理方法。這種方法假定探測器輸出信號可以建模成一個線性直線和指數(shù)曲線的數(shù)學模型,設置不同的閾值電壓,可以采樣到兩個點之間的時間間隔,利用數(shù)字信號處理算法可以重建原始探測器輸出信號,從而可以通過軟件獲得相應的能量和時間信息。

結論和展望

篇9

早在2006年，鉅泉公司授讓了珠海炬力集成電路設計有限公司有關電能計量系列芯片的專有技術，雙方簽訂技術轉讓合同及補充協(xié)議，合同總價款為1200萬元。此后，鉅泉公司進行后續(xù)研發(fā)，并于2008年將研發(fā)完成的布圖設計到國家知識產權局申請登記了ATT7021AU布圖設計，獲得專有權。然而鉅泉公司很快發(fā)現(xiàn)，在深圳剛剛成立才一年的銳能微公司于2009年研制的單相多功能防竊電專用計量芯片RN8209系列，嚴重“抄襲”了鉅泉公司申請的布圖設計。銳能微公司官方網(wǎng)站顯示，該芯片在2010年7月獲得中國電子工程權威雜志電子工程專輯評選的“2010年度熱門產品獎”，2010年9月銷售量突破1000萬片。

2010年1月，鉅泉公司在公證人員陪同下，前往雅創(chuàng)公司經營場所購買了RN8209G型號的集成電路芯片100片。3月，鉅泉公司向上海市第一中級人民法院提訟。法院根據(jù)鉅泉公司申請，作出證據(jù)保全裁定?？垩毫虽J能微公司RN8209G芯片2片，并復制含有集成電路布圖設計的相關資料。

4月，銳能微公司向國家知識產權專利復審委員會提出相關撤銷申請，專利復審委員經審查后未發(fā)現(xiàn)鉅泉公司布圖設計專有權存在不符合規(guī)定可以被撤銷的缺陷，遂于6月終止撤銷程序。在一審過程中，鉅泉公司直指銳能微公司、雅創(chuàng)公司侵犯了其集成電路布圖設計專有權，要求兩被告立即停止侵權行為、銷毀侵權產品及產品宣傳資料、在相關媒體公開道歉、賠償鉅泉公司經濟損失等共計1500萬元。

爭論焦點

銳能微公司在訴訟中向國家知識產權局專利復審委員會提出撤銷鉅泉公司涉案布圖設計專有權的申請，以達到“釜底抽薪”效果，后國家知識產權局專利復審委員會因未發(fā)現(xiàn)可被撤銷的缺陷而終止了撤銷程序。

銳能微公司委托上海一家鑒定機構進行鑒定，鑒定結論是鉅泉公司所主張的10個獨創(chuàng)點不具有獨創(chuàng)性，屬于常規(guī)設計。但因系單方委托，法院未予采信。鑒于案件涉及專業(yè)知識，一審法院委托北京紫圖知識產權司法鑒定中心（以下簡稱紫圖鑒定中心）對關乎構成侵權與否的關鍵問題進行司法鑒定，即銳能微公司制造、銷售的RN8209G和RN8209集成電路產品中的布圖設計與鉅泉公司 ATT7021AU集成電路布圖設計是否相同或者實質性相似，以及如存在相同或者實質性相似則該部分的布圖設計是否具有獨創(chuàng)性。

經技術對比和判斷，紫圖鑒定中心出具的《鑒定意見書》最終認定，銳能微公司產品RN8209、RN8209G中的布圖設計與鉅泉公司主張的獨創(chuàng)點5（數(shù)字地軌與模擬地軌銜接的布圖）相同和獨創(chuàng)點7（模擬數(shù)字轉換電路的布圖）中第二區(qū)段獨立升壓器電路的布圖相同；上述兩個點具有獨創(chuàng)性，且不屬于常規(guī)設計。

對此，鉅泉公司基本認同，而銳能微公司則強烈質疑，認為上述兩個獨創(chuàng)點屬于常規(guī)設計；即使具有獨創(chuàng)性，該兩部分布圖設計亦僅占整個芯片布圖設計的很小部分，不到1%，兩家公司布圖設計的相似度很低，既不相同，也不構成實質性相似，不應當判定為侵權。

經各方當事人質證，并結合鑒定專家意見，一審法院最終采信了紫圖鑒定中心鑒定意見，并據(jù)此作出了銳能微公司構成侵權，承擔停止侵權，賠償鉅泉公司經濟損失及為制止侵權行為所支付的合理開支，共計人民幣320萬元的判決。

篇10

關鍵詞:硅基;鍺,外延;光電探測器

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

硅基光電集成將微電子技術和光子學技術進行融合,是微電子技術的繼承和發(fā)展,是信息技術發(fā)展的重要前沿研究領域。其研究內容包括硅基高效光源、硅基高速光電探測器、硅基高速光調制器、低損耗光波導器件等。硅襯底上外延生長的鍺(Ge)材料是硅基高速長波長光電探測器的首選材料[1]。近幾年來人們在硅基Ge材料外延生長方面取得了突破性進展,并用它研制出了3 dB帶寬達40 GHz的高速光電探測器,解決了硅基光電集成的探測器研制難題。

Ge的電子和空穴遷移率都很高,Ge是所有半導體體材料中空穴遷移率最高的材料,所以Ge是研制高速集成電路的可選材料。人們曾經用Ge研制出了第一只半導體晶體管,但是由于Ge的氧化物不穩(wěn)定,界面態(tài)控制困難,限制了其在集成電路方面的應用,使載流子遷移率并不高的Si材料成為集成電路和信息產業(yè)的支柱。硅集成電路遵循摩爾定律飛速發(fā)展著,但是隨著特征線寬的進一步縮小,集成電路的集成度和性能的提高遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。人們在不斷提出創(chuàng)新性的方案以使硅集成電路繼續(xù)沿著摩爾定律發(fā)展,包括應變硅技術、高K介質技術等等。利用新的高遷移率半導體材料來替換(部分替換)Si材料,研制新型高速電路也是一個很好的途徑。近年有很多的研究組開展了Ge高速集成電路方面的研究,取得了很多重要的進展。但是Ge材料的機械加工性能比硅差、Ge襯底材料的尺寸比較小、Ge材料價格昂貴、地球上Ge的豐度小,這些將是限制Ge集成電路發(fā)展的重要障礙。在硅襯底上外延出Ge材料,并用它研制高速電路,則可以解決上述障礙,并且可以充分發(fā)揮Si和Ge的各自優(yōu)勢,實現(xiàn)Si CMOS和Ge CMOS集成的高速集成電路,所以硅基Ge外延材料在新型高速集成電路方面將有可能發(fā)揮重要作用。

另外,由于Ge的晶格常數(shù)與GaAs的晶格常數(shù)匹配較好,硅基Ge外延材料可以作為GaAs系材料外延的襯底材料,制備化合物半導體材料與硅材料集成的新型材料,在多節(jié)高效太陽能電池、硅基高速電路、硅基光電單片集成等方面具有潛在的重要應用前景。所以硅基Ge材料是近年最重要的硅基異質外延材料之一。本文將重點介紹硅基Ge材料的外延生長方法及其在硅基光電探測器方面的應用。

2硅基Ge材料的生長

材料的平衡生長模式有三種:Frank-van der Merwe模式(FM,層狀)、Volmer-Weber模式 (VW,島狀)和Stranski-Krastanow模式 (SK,先是層狀生長,然后是島狀生長)。圖1示出了三種生長模式的生長過程。晶體薄膜的平衡生長按哪一種模式生長取決于襯底表面能、薄膜表面能和界面能。如果薄膜表面能和界面能之和總是小于襯底的表面能,即滿足浸潤條件,則是層狀生長,反之,如果薄膜表面能與界面能之和總是大于襯底的表面能,則生長會是島狀生長模式。如果在開始生長時,滿足浸潤條件,是層狀生長,但由于存在應變,隨生長層數(shù)的增加,應變能增加,使界面能增加,從而使浸潤條件不再滿足,外延層會形成位錯以釋放應變或者在表面原子有足夠的遷移率時,形成三維的島,從而生長轉化為島狀生長。雖然大多數(shù)的低溫生長過程是遠離平衡態(tài)或接衡態(tài)的生長,但平衡生長模式是材料生長的熱力學極限情況,對真實的材料生長模式有重要的決定作用。

硅和鍺具有相同的金剛石結構,但它們的晶格常數(shù)不同,Si的晶格常數(shù)為0.5431 nm,Ge的晶格常數(shù)為0.5657 nm,Si襯底上外延生長Ge時,其晶格失配達4.2%。Ge-Ge鍵比Si-Si鍵弱,所以Ge具有比Si小的表面能。在Si上生長Ge時,開始時滿足浸潤條件,生長是層狀生長,隨生長厚度的增加,由于晶格失配,應變能增加,浸潤條件不再滿足,生長將轉化為島狀生長。所以Si襯底上生長Ge是典型的SK生長模式。而且由于晶格失配,將會形成高密度的失配位錯,難于在Si上生長出高質量的Ge材料,需要在工藝技術上進行創(chuàng)新研究,將失配位錯限制在界面附近,從而保持表面器件層材料有好的晶體質量。

目前在Si襯底上生長Ge材料的主要工藝有三種:

(1) 組分漸變的SiGe Buffer層工藝[2][3]。該工藝首先生長Ge組分從0到100%逐漸增加的SiGe Buffer層,使應變逐漸釋放,以獲得位錯密度低的Buffer層,然后在其上生長Ge外延層。該方法可以生長晶格質量很好的Ge材料,位錯密度可以達到106 cm-2量級,但是由于表面會有很大的起伏,必須在生長后或生長中間插入化學機械拋光工藝流程,制作的工藝復雜耗時,而且為了獲得好的晶體質量,SiGe Buffer層中Ge組分的增加速度必須控制在≤0.1/μm,所以SiGe組分漸變層的厚度將達到10μm以上,這樣的材料不利于制作集成器件。

(2) Si圖形襯底上生長Ge。就是在刻蝕有圖形的Si襯底上進行Ge的生長,主要有兩種方式,一種是在Si襯底上刻蝕出一維或二維結構的臺面,然后進行Ge的外延生長[4][5][6],該方法使失配位錯只要遷移到圖形臺面的邊沿就可以消失,而不像平面襯底材料,必須遷移到襯底的邊沿,所以圖形襯底可以減小失配位錯遷移的距離,從而減少了位錯的相互作用和衍生的幾率,進而降低了位錯密度。另一種圖形襯底是在Si襯底上制備SiO2薄膜,然后光刻并刻蝕SiO2露出生長Ge的窗口,Ge將選擇性地在露出Si的位置生長,并可以橫向過生長而在SiO2表面合并,形成完整的Ge外延層[7][8]。該方法的原理可以理解為與前述方法一樣,但是如果窗口很小,與SiO2層厚度相當時,可以有另外一種減少位錯密度的機制,那就是位錯瓶頸(necking)機制[9]。Si與Ge之間由于晶格失配形成的穿透位錯一般存在于方向的{111}面,所以如果在(110)橫截面觀察,會發(fā)現(xiàn)位錯與(100)襯底呈54.7度角向表面延伸。當SiO2厚度與窗口尺寸相當,則窗口內生長形成的位錯向上延伸過程中將全部或大部分被氧化硅的側壁所阻檔,從而生長出高質量的Ge材料。該工藝過程類似于切克勞斯基(Czochralski) Si單晶拉制過程,在切克勞斯基Si單晶拉制工藝中,在拉制前子晶被限制成很小的尺寸以消除缺陷。結合低溫Ge Buffer工藝和圖形襯底,Ge層的晶體質量可以得到進一步的提高,位錯密度可以降低到106 cm-2量級。圖形襯底上生長異質結材料(如Ge/Si, GaAs/Si等)的研究表明,外延層材料的位錯密度與圖形的尺寸密切相關,圖形尺寸越小,位錯密度越低,所以,制作具有小尺寸圖形的襯底是生長低位錯密度材料的基礎。人們開始時利用的是普通的光刻腐蝕方法制備圖形襯底,由于受光刻尺寸的限制,圖形尺寸比較大,為微米量級。電子束光刻可以實現(xiàn)小尺寸,但不適合于制作大面積圖形襯底,用它難于實現(xiàn)產業(yè)化生產。激光干涉法光刻可以制作幾百nm級的小尺寸圖形,而且可以進行大面積圖形襯底的制作,是一種很好的方法,被人們所應用。但是為了進一步提高外延材料的質量,減少外延材料的位錯密度,需要制作更小的納米尺寸圖形的襯底,這時,激光干涉光刻法也無能為力了,需要尋求新的方法。利用高密度的反應離子刻蝕,可以在Si表面刻蝕出納米微結構的表面。在SF6氣氛下,用脈沖激光照射Si表面,也可以制作出納米微結構的表面。這些制作納米微結構表面的方法被人們用于研制高響應度的光電探測器。如果在這些方法制備的具有納米微結構的Si襯底上生長Ge材料,由于其圖形尺寸小,可望獲得低位錯密度的Ge外延材料。另外,采用陽極氧化Al膜的方法也可以制備出納米尺寸的圖形襯底。

(3) 低溫Ge Buffer層工藝。該工藝首先在400℃以下的溫度下生長出應力弛豫的Ge Buffer層,厚度約50 nm,然后將襯底溫度提高到600℃左右,生長合適厚度的Ge層。生長后,為了提高材料質量,可以進行循環(huán)退火處理。最終獲得的材料的位錯密度一般在107 cm-2量級的水平,表面的平整度也比較好。該方法的優(yōu)點是工藝簡單、生長時間短、Buffer層薄、適合制作集成器件。該生長工藝的機理已經為人們所熟悉[10]。人們用MBE在低溫生長Ge層時發(fā)現(xiàn)了H可以當作表面活性劑,使之保持二維生長而不是向三維生長轉化的SK模式[11][12][13]。根據(jù)這一原理,人們提出了CVD兩步生長Ge的方法,即低溫Ge Buffer層方法[14]。由于CVD方法生長Ge時,在低溫時表面會有H的覆蓋,第一步的低溫過程中Ge的生長將保持二維生長,并且以位錯而不是以起伏的形式釋放應力,從而獲得平整弛豫的Ge Buffer層。接著在Buffer層上在約600℃下生長厚的Ge材料。

目前人們基本上傾向于用Ge低溫過渡層技術來外延生長硅基Ge材料,取得了很好的結果。圖2是中國科學院半導體研究所用低溫Ge過渡層技術在Si(100)襯底上外延生長的Ge材料的截面透射電鏡照片[15]。從圖可以看出晶格失配位錯主要是以處于Si/Ge界面附近的Lomer位錯的形式存在,而且分布比較均勻,具有好的周期性,表面附近的Ge外延層中位錯很少。理論計算表明,如果認為應力全部由Lomer位錯釋放,位錯將周期性均勻分布,沿(110)方向,位錯分布的周期為9.6 nm。從圖2中可以看出位錯分布周期為9.7 nm,說明絕大部分的應力是通過Lomer位錯釋放的。Lomer位錯與生長平面平行,不會向外延的Ge層穿透,這就保障了Ge外延層的晶格質量。圖3給出了Si襯底上外延生長的Ge材料的X光雙晶衍射曲線和盧瑟福背散射測量的結果。從X射線雙晶衍射曲線可以看出,除了Si襯底的衍射峰外,只有一個強而銳的Ge衍射峰,Ge衍射峰的半高寬只有128秒,說明Ge材料具有很好的晶體質量。盧瑟福背散射測試結果可以看出,溝道譜產額與隨機譜產額之比為3.4%左右,與襯底Si材料的值相當,說明材料質量很好。在Si/Ge界面處,溝道產額有增加,這說明在界面處晶體質量要差一些。

3硅基Ge材料的應用

硅基Ge材料可能的應用范圍很廣。首先,它是硅基長波長光電探測器的首選材料,它的應用對推動硅基光電子學的發(fā)展,特別是硅基單片光電集成具有重要意義。其次,硅基Ge外延材料可以作為硅基高速電路研究的新材料。由于Ge的電子和空穴遷移率都很高,近年人們正在投入大量精力開展Ge MOS電路的研制,并取得了一些很好的結果,可以預見,高性能的Ge MOS電路將會很快得以實現(xiàn)。但是Ge的機械性能比Si差,價格貴,地球上的豐度低,將硅基Ge外延材料代替Ge單晶材料,在價格、與現(xiàn)有微電子工藝兼容性等方面顯然具有明顯的優(yōu)勢。再其次,Ge與GaAs材料晶格匹配,硅基Ge外延材料可以作為硅基GaAs等材料的襯底,在硅基光電集成、硅基高效太陽能電池研制等方面有重要應用前景。

目前,硅基Ge外延材料的主要應用是硅基高速長波長光電探測器。如意大利的Silvia Fama等研制出的Si上Ge長波長光電探測器[16],用CVD方法生長4μm的Ge作為光吸收層,垂直入射的探測方式,在1.3μm 和1.55μm處的響應度分別為0.89 A/W和0.75 A/W,直徑為135μm的器件的響應時間

吸收區(qū)與倍增區(qū)分離的Ge/Si 雪崩光電探測器(SACM-APD)是另一重要的硅基長波長光電探測器。Si是最好的倍增材料,Si APD已經很成熟,但是其帶隙決定了它不能實現(xiàn)1310 nm和1550 nm的光響應。在Si上外延生長Ge材料,用Ge作為長波光響應吸收材料,而將Si作為倍增材料,可以實現(xiàn)硅基長波長微弱信號的低噪聲探測。目前Intel公司和中國科學院半導體研究所都已研制出這種光電探測器。圖6是中國科學院半導體研究所研制出的吸收區(qū)與倍增區(qū)分離的Ge/Si雪崩光電探測器的結構示意圖和不同入射光功率下的光電流譜[24]。在N型高摻雜的Si襯底上首先生長700 nm左右的不摻雜的Si倍增區(qū),然后制備100 nm摻雜濃度為1.6×1017 cm-3的電荷層,在電荷層上外延1.0微米的不摻雜的Ge吸收層和0.2微米的p型高摻雜Ge接觸層。制作臺面結構器件,器件的穿通電壓為29 V,擊穿電壓為39.5 V,工作在39 V下,在1310 nm波長光下的光響應為20 A/W,對應的倍增因子為40。Intel公司對他們研制的Ge/Si SACM-APD進行了深入的特性分析,具有很好的直流和高頻特性,增益帶寬積達到340 GHz[25],是目前報道的所有半導體APD器件的最好結果。

4結束語

經過不懈努力,人們已經可以在硅襯底上外延生長出晶體質量優(yōu)良的Ge材料,并用這一材料研制出了多種結構的硅基長波長高速光電探測器及其陣列,取得了重要進展。同時,人們也正在努力探索這一材料在其它方面的應用,如已經用它研制出了室溫電注入發(fā)光器件[26]、在硅基Ge材料上外延生長出了GaAs等化合物半導體材料等?？梢灶A見,硅基Ge外延材料將以其優(yōu)良的加工性、低廉的價格、優(yōu)良的光電特性、靈活優(yōu)異的集成性等特點,在微電子學、光子學、光電集成和高效太陽能電池等方面發(fā)揮重要作用。

5致謝

本文介紹的部分工作得到"973"課題(2007CB613404)、國家自然科學基金項目(60676005)和"863計劃"項目(2006AA03Z415)的資助。

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