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什麽是集成電路?

集成電路(integrated circuit)是一種微型電子器件或部件。採用一定的工藝,把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及佈線互連一起,制作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上,然後封裝在一個管殼內,成為具有所需電路功能的微型結構;其中所有元件在結構上已組成一個整體,使電子元件嚮著微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進了一大步。它在電路中用字母“IC”錶示。集成電路發明者為傑克·基爾比(基於鍺(Ge)的集成電路)和羅伯特·諾伊斯(基於矽(Si)的集成電路)。當今半導體工業大多數應用的是基於矽的集成電路。


綜述

集成電路,英文為Integrated Circuit,縮寫為IC;顧名思義,就是把一定數量的常用電子元件,如電阻、電容、晶體管等,以及這些元件之間的連線,通過半導體工藝集成在一起的具有特定功能的電路。是20世紀50年代後期到60年代發展起來的一種新型半導體器件。它是經過氧化、光刻、擴散、外延、蒸鋁等半導體制造工藝,把構成具有一定功能的電路所需的半導體、電阻、電容等元件及它們之間的連接導線全部集成在一小塊矽片上,然後焊接封裝在一個管殼內的電子器件。其封裝外殼有圓殼式、扁平式或雙列直插式等多種形式。集成電路技術包括芯片制造技術與設計技術,主要體現在加工設備,加工工藝,封裝測試,批量生產及設計創新的能力上。

為什麽會產生集成電路?我們知道任何發明創造背後都是有驅動力的,而驅動力往往來源於問題。那麽集成電路產生之前的問題是什麽呢?我們看一下1946年在美國誕生的世界上第一臺電子計算機,它是一個佔地150平方米、重達30噸的龐然大物,裏面的電路使用了17468只電子管、7200只電阻、10000只電容、50萬條線,耗電量150仟瓦 [1]  。顯然,佔用面積大、無法移動是它最直觀和突出的問題;如果能把這些電子元件和連線集成在一小塊載體上該有多好!我們相信,有很多人思考過這個問題,也提出過各種想法。典型的如英國雷達研究所的科學家達默,他在1952年的一次會議上提出:可以把電子線路中的分立元器件,集中制作在一塊半導體晶片上,一小塊晶片就是一個完整電路,這樣一來,電子線路的體積就可大大縮小,可靠性大幅提高。這就是初期集成電路的構想,晶體管的發明使這種想法成為了可能,1947年在美國貝爾實驗室制造出來了第一個晶體管,而在此之前要實現電流放大功能只能依靠體積大、耗電量大、結構脆弱的電子管。晶體管具有電子管的主要功能,併且克服了電子管的上述缺點,因此在晶體管發明後,很快就出現了基於半導體的集成電路的構想,也就很快發明出來了集成電路。傑克·基爾比(Jack Kilby)和羅伯特·諾伊斯(Robert Noyce)在1958~1959期間分別發明了鍺集成電路和矽集成電路。

現在,集成電路已經在各行各業中發揮著非常重要的作用,是現代信息社會的基石。集成電路的含義,已經遠遠超過了其剛誕生時的定義範圍,但其最核心的部分,仍然沒有改變,那就是“集成”,其所衍生出來的各種學科,大都是圍繞著“集成什麽”、“如何集成”、“如何處理集成帶來的利弊”這三個問題來開展的。矽集成電路是主流,就是把實現某種功能的電路所需的各種元件都放在一塊矽片上,所形成的整體被稱作集成電路。對於“集成”,想象一下我們住過的房子可能比較容易理解:很多人小時候都住過農村的房子,那時房屋的主體也許就是三兩間平房,發揮著臥室的功能,門口的小院子擺上一副桌椅,就充當客廳,旁邊還有個炊煙裊裊的小矮屋,那是廚房,而具有獨特功能的廁所,需要有一定的隔離,有可能在房屋的背後,要走上十幾米……後來,到了城市裏,或者鄉村城鎮化,大家都住進了樓房或者套房,一套房裏面,有客廳、臥室、廚房、衛生間、陽臺,也許只有幾十平方米,卻具有了原來佔地幾百平方米的農村房屋的各種功能,這就是集成。

當然現如今的集成電路,其集成度遠非一套房能比擬的,或許用一幢摩登大樓可以更好地類比:地面上有商鋪、辦公、食堂、酒店式公寓,地下有幾層是停車場,停車場下面還有地基——這是集成電路的佈局,模擬電路和數字電路分開,處理小信號的敏感電路與翻轉頻繁的控制邏輯分開,電源單獨放在一角。每層樓的房間佈局不一樣,走廊也不一樣,有回字形的、工字形的、幾字形的——這是集成電路器件設計,低噪聲電路中可以用摺疊形狀或“叉指”結構的晶體管來減小結面積和柵電阻。各樓層直接有高速電梯可達,為了效率和功能隔離,還可能有多部電梯,每部電梯能到的樓層不同——這是集成電路的佈線,電源線、地線單獨走線,負載大的線也寬;時鐘與信號分開;每層之間佈線垂直避免幹擾;CPU與存儲之間的高速總線,相當於電梯,各層之間的通孔相當於電梯間……

特點

集成電路或稱微電路(microcircuit)、 微芯片(microchip)、芯片(chip)在電子學中是一種把電路(主要包括半導體裝置,也包括被動元件等)小型化的方式,併通常制造在半導體晶圓錶面上。

前述將電路制造在半導體芯片錶面上的集成電路又稱薄膜(thin-film)集成電路。另有一種厚膜(thick-film)混成集成電路(hybrid integrated circuit)是由獨立半導體設備和被動元件,集成到襯底或線路闆所構成的小型化電路。

本文是關於單片(monolithic)集成電路,即薄膜集成電路。

集成電路具有體積小,重量輕,引出線和焊接點少,壽命長,可靠性高,性能好等優點,同時成本低,便於大規模生產。它不僅在工、民用電子設備如收錄機、電視機、計算機等方面得到廣泛的應用,同時在軍事、通訊、遙控等方面也得到廣泛的應用。用集成電路來裝配電子設備,其裝配密度比晶體管可提高幾十倍至幾仟倍,設備的穩定工作時間也可大大提高。