第1章 導論

1.1 集成電路的發展歷史

1.1.1 世界上第一個集成電路

集成電路（Integrated Circuit，IC）對一般人來說也許會有陌生感，但其實我們和它打交道的機會很多。計算機、電視機、手機、取款機等，數不勝數。除此之外，在航空航天、醫療衛生、交通運輸、武器裝備等許多領域，幾乎都離不開IC的應用。在當今這個信息化的社會中，IC已經成為各行各業實現信息化、智能化的基礎。無論是在軍事還是民用上，它都起著不可替代的作用。所謂IC是指通過一系列特定的加工工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻器、電容器等無源元件，按照一定的電路互連，“集成”在半導體（如硅或砷化鎵等化合物）晶片上，然后封裝在一個外殼內，從而執行特定功能的電路或系統。從外觀上看，它已成為一個不可分割的完整器件，IC在體積、重量、耗電、壽命、可靠性及電性能方面遠遠優于晶體管元件組成的電路，目前為止已廣泛應用于儀器儀表及電視機、錄像機等電子設備中。

最初，電子設備的核心部件是電子管，電子管控制電子在真空中的運動。1879年，美國發明家托馬斯·阿爾瓦·愛迪生（Thomas A.Edison）點亮了第一只有實用價值的電燈。1880年1月27日，愛迪生申報了發明電燈的專利。1904年，英國發明家約翰·安布羅斯·弗萊明（J.A.Flemimg）在研究“愛迪生效應”的基礎上，在只有燈絲的“燈泡”里加了一塊金屬板（陽極），發明了真空二極管并取得專利。此后，真空二極管在無線電技術中被用于檢波和整流。

1907年，美國發明家德·福雷斯特·李（De F.Lee）在二極管中加入了一個格柵，制造出第一個真空電子三極管。三極管集“放大”“檢波”和“振蕩”功能于一身，這使得它成為無線電發射機和接收機的核心部件。在1918年，美國一年內就制造了100多萬個電子管，這已經是第一次世界大戰（1914～1918年）前的50多倍。在20世紀50年代中期，家用收音機均由電子管構成。

1946年，美國賓夕法尼亞大學研發了世界上第一臺電子數字積分計算機（Electronic Numerical Integrator and Computer，ENIAC）。馮·諾依曼（Von Neu-mann）是該研發團隊成員之一。ENIAC占地面積約170mm2，質量達30t，功耗為150kW，包含了17468個電子管；每秒可執行5000次加法運算或400次乘法運算，計算速度是繼電器計算機的10倍、手工計算的20萬倍。

電子管的主要缺點是加熱燈絲需耗費時間，延長了工作的起動過程；同時燈絲發出的熱量必須時時排出，且燈絲壽命較短。以ENIAC為例，幾乎每15min就可能燒掉一個電子管，導致整臺計算機停止運轉；而至少還要花費15min以上的時間，才能在17468個電子管中尋找出損毀的那一個。因此，ENIAC的平均無故障工作時間僅為7min。為此，人們迫切希望一種不需要預熱燈絲的、耗能低的、能控制電子在固體中運動的器件來替代電子管。

1946年，美國貝爾實驗室成立了由肖克利（Willam B.Shockley）、巴?。↗ohn Bardeen）和布拉頓（Walter H.Brattain）組成的固體物理學研究小組（見圖1.1）。1947年12月16日，布拉頓和巴丁點接觸型鍺晶體管實驗成功，這是世界上第一個晶體管，如圖1.2所示。初步測試的結果顯示，該器件的電壓增益為100，上限頻率可達10000 Hz。

布拉頓想到它的電阻變換特性，即它是靠一種從“低電阻輸入”到“高電阻輸出”的轉移電流來工作的，于是將其取名為Trans-resister（轉換電阻），后來縮寫為Transistor。

1948年，肖克利提出了PN結型晶體管的理論，并于1950年與斯帕克斯（Morgan Sparks）和戈登·蒂爾（Gordon Teal）一起成功研制出鍺NPN晶體管。晶體管的發明開創了微電子學科的先河。晶體管與電子管相比，其優點是壽命長、耗電少、體積小、無須預熱、耐沖擊和耐振動，因此很快得到市場的青睞。1953年，助聽器作為第一個采用晶體管的商業化設備投入市場。

1954年，第一臺晶體管收音機Reg-eney TR1投入市場，僅包含4個鍺晶體管。到1959年，在售出的1000萬臺收音機中，已有一半使用了晶體管。1954年1月，貝爾實驗室使用684個晶體管組裝了世界上第一臺晶體管數字計算機（Transistor Digital Computer，TRADIC）。

1957年，IBM開始銷售使用了3000個鍺晶體管的608計算機，這是世界上第一種投入商用的計算機。與使用電子管的計算機相比，IBM 608計算機的功耗要低90%，它的時鐘頻率是100kHz，支持9條指令，兩個9位BCD數的平均乘法運算時間僅為11ms，質量約為1t。

雖然IBM的608晶體管計算機的質量僅為ENIAC的1/30，但1t的質量限制了它的應用場景。20世紀60年代初，誕生了一臺能夠進行四則運算、乘方、開方的計算器，其質量和一臺21in[1]CRT電視機相當，體積也遠遠超過算盤和計算尺。

為此，美國國家標準局（NBS）以及美國空軍和海軍都致力于電子裝備小型化的研究與開發工作。在美國進行電子裝備小型化的發展過程中，主要有三個方面的工作：①陸軍支持信號公司從事微型模塊的工作，在已有陶瓷基片上進行元器件的小型化和集成；②海軍重點支持薄膜技術；③空軍支持稱為“分子電子學”的集成工作。

1952年，英國科學家達默（G.W.A.Dummer）在英國皇家信號和雷達機構（Royal Signal & Radar Establishment）的一次電子元器件會議上，首先提出并描述了集成電路的概念。他說：“隨著晶體管的出現和對半導體的全面研究，現在似乎可以想象，未來電子設備是一種沒有連接線的固體組件?！彪m然達默的設想當時并未付諸實施，但是他為人們的深入研究指明了方向。

1958年，在德州儀器（Texas Instruments，TI）負責電子裝備小型化工作的基爾比（Jack Kilby）提出了集成電路的設想：“由于電容器、電阻器、晶體管等所有部件都可以用一種材料制造，我想可以先在一塊半導體材料上將它們做出來，然后進行互連而形成一個完整的電路。”1958年9月12日和9月19日，基爾比分別完成了移相振蕩器和觸發器的制造和演示，標志了集成電路的誕生（由于當時TI的生產條件限制，基爾比的集成電路是由鍺晶體管構成的）。1959年5月6日，TI公司為此申請了小型化的電子電路專利（專利號為No.3138744，批準日期為1964年6月23日）。基爾比和第一個集成電路專利如圖1.3所示[1]。

在TI公司申請了集成電路發明專利的5個月以后，仙童公司（Fairchild Co.）的諾伊斯（Robert N.Noyce）申請了基于硅平面工藝的集成電路專利（專利號為No.2981877，批準日期為1961年4月25日）。諾伊斯和平面集成電路專利如圖1.4所示。諾伊斯的發明更適合集成電路的大批量生產。

2000年，基爾比被授予諾貝爾物理學獎。諾貝爾獎評審委員會曾評價基爾比“為現代信息技術奠定了基礎”。遺憾的是，諾貝爾獎不頒給已故之人，而諾伊斯于1990年6月3日辭世，因此未能獲此殊榮。

當我們看到第一枚集成電路樣品時，我們會對它的簡陋與粗糙感到驚訝，但其中蘊含的博大精深的智慧卻永遠值得我們深思。