第1章 導(dǎo)論

1.1 集成電路的發(fā)展歷史

1.1.1 世界上第一個(gè)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(shí)我們和它打交道的機(jī)會很多。計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、手機(jī)、取款機(jī)等，數(shù)不勝數(shù)。除此之外，在航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、交通運(yùn)輸、武器裝備等許多領(lǐng)域，幾乎都離不開IC的應(yīng)用。在當(dāng)今這個(gè)信息化的社會中，IC已經(jīng)成為各行各業(yè)實(shí)現(xiàn)信息化、智能化的基礎(chǔ)。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(dǎo)體（如硅或砷化鎵等化合物）晶片上，然后封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，從而執(zhí)行特定功能的電路或系統(tǒng)。從外觀上看，它已成為一個(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于晶體管元件組成的電路，目前為止已廣泛應(yīng)用于儀器儀表及電視機(jī)、錄像機(jī)等電子設(shè)備中。

最初，電子設(shè)備的核心部件是電子管，電子管控制電子在真空中的運(yùn)動(dòng)。1879年，美國發(fā)明家托馬斯·阿爾瓦·愛迪生（Thomas A.Edison）點(diǎn)亮了第一只有實(shí)用價(jià)值的電燈。1880年1月27日，愛迪生申報(bào)了發(fā)明電燈的專利。1904年，英國發(fā)明家約翰·安布羅斯·弗萊明（J.A.Flemimg）在研究“愛迪生效應(yīng)”的基礎(chǔ)上，在只有燈絲的“燈泡”里加了一塊金屬板（陽極），發(fā)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(shù)中被用于檢波和整流。

1907年，美國發(fā)明家德·福雷斯特·李（De F.Lee）在二極管中加入了一個(gè)格柵，制造出第一個(gè)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(fā)射機(jī)和接收機(jī)的核心部件。在1918年，美國一年內(nèi)就制造了100多萬個(gè)電子管，這已經(jīng)是第一次世界大戰(zhàn)（1914～1918年）前的50多倍。在20世紀(jì)50年代中期，家用收音機(jī)均由電子管構(gòu)成。

1946年，美國賓夕法尼亞大學(xué)研發(fā)了世界上第一臺電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)（Electronic Numerical Integrator and Computer，ENIAC）。馮·諾依曼（Von Neu-mann）是該研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員之一。ENIAC占地面積約170mm2，質(zhì)量達(dá)30t，功耗為150kW，包含了17468個(gè)電子管；每秒可執(zhí)行5000次加法運(yùn)算或400次乘法運(yùn)算，計(jì)算速度是繼電器計(jì)算機(jī)的10倍、手工計(jì)算的20萬倍。

電子管的主要缺點(diǎn)是加熱燈絲需耗費(fèi)時(shí)間，延長了工作的起動(dòng)過程；同時(shí)燈絲發(fā)出的熱量必須時(shí)時(shí)排出，且燈絲壽命較短。以ENIAC為例，幾乎每15min就可能燒掉一個(gè)電子管，導(dǎo)致整臺計(jì)算機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)；而至少還要花費(fèi)15min以上的時(shí)間，才能在17468個(gè)電子管中尋找出損毀的那一個(gè)。因此，ENIAC的平均無故障工作時(shí)間僅為7min。為此，人們迫切希望一種不需要預(yù)熱燈絲的、耗能低的、能控制電子在固體中運(yùn)動(dòng)的器件來替代電子管。

1946年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室成立了由肖克利（Willam B.Shockley）、巴丁（John Bardeen）和布拉頓（Walter H.Brattain）組成的固體物理學(xué)研究小組（見圖1.1）。1947年12月16日，布拉頓和巴丁點(diǎn)接觸型鍺晶體管實(shí)驗(yàn)成功，這是世界上第一個(gè)晶體管，如圖1.2所示。初步測試的結(jié)果顯示，該器件的電壓增益為100，上限頻率可達(dá)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(zhuǎn)移電流來工作的，于是將其取名為Trans-resister（轉(zhuǎn)換電阻），后來縮寫為Transistor。

1948年，肖克利提出了PN結(jié)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(fā)明開創(chuàng)了微電子學(xué)科的先河。晶體管與電子管相比，其優(yōu)點(diǎn)是壽命長、耗電少、體積小、無須預(yù)熱、耐沖擊和耐振動(dòng)，因此很快得到市場的青睞。1953年，助聽器作為第一個(gè)采用晶體管的商業(yè)化設(shè)備投入市場。

1954年，第一臺晶體管收音機(jī)Reg-eney TR1投入市場，僅包含4個(gè)鍺晶體管。到1959年，在售出的1000萬臺收音機(jī)中，已有一半使用了晶體管。1954年1月，貝爾實(shí)驗(yàn)室使用684個(gè)晶體管組裝了世界上第一臺晶體管數(shù)字計(jì)算機(jī)（Transistor Digital Computer，TRADIC）。

1957年，IBM開始銷售使用了3000個(gè)鍺晶體管的608計(jì)算機(jī)，這是世界上第一種投入商用的計(jì)算機(jī)。與使用電子管的計(jì)算機(jī)相比，IBM 608計(jì)算機(jī)的功耗要低90%，它的時(shí)鐘頻率是100kHz，支持9條指令，兩個(gè)9位BCD數(shù)的平均乘法運(yùn)算時(shí)間僅為11ms，質(zhì)量約為1t。

雖然IBM的608晶體管計(jì)算機(jī)的質(zhì)量僅為ENIAC的1/30，但1t的質(zhì)量限制了它的應(yīng)用場景。20世紀(jì)60年代初，誕生了一臺能夠進(jìn)行四則運(yùn)算、乘方、開方的計(jì)算器，其質(zhì)量和一臺21in[1]CRT電視機(jī)相當(dāng)，體積也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過算盤和計(jì)算尺。

為此，美國國家標(biāo)準(zhǔn)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(fā)工作。在美國進(jìn)行電子裝備小型化的發(fā)展過程中，主要有三個(gè)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(jìn)行元器件的小型化和集成；②海軍重點(diǎn)支持薄膜技術(shù)；③空軍支持稱為“分子電子學(xué)”的集成工作。

1952年，英國科學(xué)家達(dá)默（G.W.A.Dummer）在英國皇家信號和雷達(dá)機(jī)構(gòu)（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(xiàn)和對半導(dǎo)體的全面研究，現(xiàn)在似乎可以想象，未來電子設(shè)備是一種沒有連接線的固體組件。”雖然達(dá)默的設(shè)想當(dāng)時(shí)并未付諸實(shí)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(fù)責(zé)電子裝備小型化工作的基爾比（Jack Kilby）提出了集成電路的設(shè)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(dǎo)體材料上將它們做出來，然后進(jìn)行互連而形成一個(gè)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(fā)器的制造和演示，標(biāo)志了集成電路的誕生（由于當(dāng)時(shí)TI的生產(chǎn)條件限制，基爾比的集成電路是由鍺晶體管構(gòu)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(zhǔn)日期為1964年6月23日）。基爾比和第一個(gè)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(fā)明專利的5個(gè)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(zhǔn)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(fā)明更適合集成電路的大批量生產(chǎn)。

2000年，基爾比被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。諾貝爾獎(jiǎng)評審委員會曾評價(jià)基爾比“為現(xiàn)代信息技術(shù)奠定了基礎(chǔ)”。遺憾的是，諾貝爾獎(jiǎng)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(dāng)我們看到第一枚集成電路樣品時(shí)，我們會對它的簡陋與粗糙感到驚訝，但其中蘊(yùn)含的博大精深的智慧卻永遠(yuǎn)值得我們深思。