顯微鏡下的集成電路

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顯微鏡下的集成電路

姚遠香 發表於 2019-02-24 10:06:48

　　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電晶體、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，製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，使電子元件向著微小型化、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」表示。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·諾伊思（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。

　　是20世紀50年代後期一60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、蒸鋁等半導體製造工藝，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。集成電路技術包括晶片製造技術與設計技術，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。

　　為什麼會產生集成電路？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。那麼集成電路產生之前的問題是什麼呢？我們看一下1942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，裡面的電路使用了17468隻電子管、7200隻電阻、10000隻電容、50萬條線，耗電量150千瓦 ［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，集中製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，電晶體的發明使這種想法成為了可能，1947年在美國貝爾實驗室製造出來了第一個電晶體，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。電晶體具有電子管的主要功能，並且克服了電子管的上述缺點，因此在電晶體發明後，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。

　　講完了歷史，我們再來看現狀。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「集成什麼」、「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」，想像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，旁邊還有個炊煙嫋嫋的小矮屋，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，到了城市裡，或者鄉村城鎮化，大家都住進了樓房或者套房，一套房裡面，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——這是集成電路的布局，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。每層樓的房間布局不一樣，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」結構的電晶體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——這是集成電路的布線，電源線、地線單獨走線，負載大的線也寬；時鐘與信號分開；每層之間布線垂直避免幹擾；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……

　　下面的視頻講述的是顯微鏡下的集成電路：

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