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• • Q1: 什么是集成電路？
  • Q2: 為什么集成電路的載體以半導(dǎo)體材料硅為主？
  • Q3: 集成電路的發(fā)展方向？

Q1: 什么是集成電路？

??集成電路是一種微型的電子部件，采用一定的工藝，把一個(gè)電路中所需的晶體管、電容、電阻、電感等電子元件及布線，制作在同一小塊硅片材料上，實(shí)現(xiàn)一定的電路功能。
??英文integrated circuit，簡(jiǎn)稱IC，也就是我們常說的芯片。
??生活大爆炸里Sheldon給Penny講物理學(xué)時(shí)，開場(chǎng)就是what is physics，就在那遙遠(yuǎn)的古希臘，我們的旅行開始了，叭叭叭……從源頭講起，有助于理解發(fā)展方向，應(yīng)用方向，所以這里再簡(jiǎn)單補(bǔ)充兩句集成電路的發(fā)展史。
??概括來說：電子管->晶體管->集成電路->超大規(guī)模集成電路
??1906年，第一個(gè)電子管誕生。電子管是一種最早期的電信號(hào)放大器件，是在氣密性封閉容器（一般為玻璃管）中產(chǎn)生電流傳導(dǎo)，利用電場(chǎng)對(duì)真空中的電子流的作用以獲得信號(hào)或振蕩的電子器件。
??如下圖，電子管十分笨重，耗電大，發(fā)熱厲害，壽命短，制造工藝復(fù)雜，脆弱，移動(dòng)過程中容易損壞，所以之后會(huì)被晶體管替代。但電子管負(fù)載能力強(qiáng)，工作頻率高，目前在一些高保真的音響器材中，仍然會(huì)使用低噪聲、穩(wěn)定系數(shù)高的電子管作為音頻功率放大器件。

??1918年前后，逐步發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體材料，然后發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料所具有的光敏特性，建立了能帶理論研究半導(dǎo)體現(xiàn)象。
??隨著對(duì)半導(dǎo)體研究的深入，嘗試用半導(dǎo)體材料作為放大器件的可能性，晶體管問世了。晶體管（transistor）泛指一切以半導(dǎo)體材料（通常是硅）為基礎(chǔ)的單一元件。包括各種半導(dǎo)體材料制成的二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等。 具有檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號(hào)調(diào)制等多種功能。
??晶體管相比電子管，壽命可以長(zhǎng)100到1000倍，不像電子管那樣需要加熱燈絲以產(chǎn)生自由電子，用的是通過向4價(jià)半導(dǎo)體材料里摻雜3價(jià)硼或5價(jià)磷的方式產(chǎn)生的電子，消耗電能極少，結(jié)實(shí)可靠，成本低，效能好，可以大規(guī)模生產(chǎn)，廣泛使用，是現(xiàn)代電器最關(guān)鍵的元件之一。警惕管體積是電子管的十分之一道百分之一，精密但工序簡(jiǎn)單，放熱又小，可以提高元器件的安裝密度，為未來的集成電路奠定基礎(chǔ)。
??通常大家提到的晶體管，多指三極管。
??其中開關(guān)的功能，就是能夠基于輸入電壓控制輸出電流。可通過調(diào)整輸入電壓值，控制自身是通路還是斷路，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)的作用。因?yàn)槭峭ㄟ^電信號(hào)來控制的，所以開關(guān)速度可以非常快，遠(yuǎn)高于機(jī)械開關(guān)。
??放大的功能，簡(jiǎn)單說就是輸入小電壓，可以得到大電流。
??晶體管的發(fā)明雖然彌補(bǔ)了電子管的不足，但是當(dāng)時(shí)的工程師為了制作和使用電子電路，得親自動(dòng)手和連接各種分離元件，如晶體管、二極管、電容器等。所以幾根凌亂的電線講五個(gè)元器件連接在一起，就形成了歷史上第一個(gè)集成電路。這個(gè)概念就是之前都是元器件是互相獨(dú)立的售賣的，現(xiàn)在變成打包一套組裝好的可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能的電路賣，功能模塊化。后續(xù)的發(fā)展方向就是如何制作加工集成電路，如何集成更多的電路。

??為了使集成電路免受外力或環(huán)境因素導(dǎo)致的破壞——發(fā)明了集成電路芯片封裝技術(shù)。
??隨著電子技術(shù)的發(fā)展，工藝流程的進(jìn)步，一個(gè)硅片上集成的晶體管原來越多。1988年，16Mb DRAM問世，1平方厘米大小的硅片上集成了3500萬個(gè)晶體管，標(biāo)志著進(jìn)入超大規(guī)模集成電路（Very Large Scale Integration Circuit，VLSI）階段。
??集成電路應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，例如計(jì)算機(jī)、通信、醫(yī)療器械、生活中的電子產(chǎn)品等等。例如在生活中看到電腦越做小，手機(jī)越來越便攜，就是看出來集成電路在不斷發(fā)展（當(dāng)然還有其他技術(shù)進(jìn)步的原因）。

Q2: 為什么集成電路的載體以半導(dǎo)體材料硅為主？

??其實(shí)載體就是襯底。
??首先是為什么選擇半導(dǎo)體？因?yàn)閷?dǎo)體是一直可以導(dǎo)電 ，絕緣體一直不可以導(dǎo)電，就是單一選擇。集成電路是有功能要求的，是有邏輯關(guān)系的。只有半導(dǎo)體可以控制可以作為載體實(shí)現(xiàn)這種特性，例如上文提到的開關(guān)、放大功能。芯片只是以半導(dǎo)體材料作為襯底，也是有金屬離子摻雜在其中的，半導(dǎo)體之間的互聯(lián)線就是金屬導(dǎo)體。就像蓋房子，半導(dǎo)體材料就是磚頭，金屬導(dǎo)體就是水泥。
??半導(dǎo)體材料中為什么主要選擇硅？因?yàn)榱慷嘤直阋恕Ｈ绻面N，稀少又貴，無法大規(guī)模使用，也是有應(yīng)用的，例如夜視儀。

Q3: 集成電路的發(fā)展方向？

??簡(jiǎn)單概括，就是尺寸小，成本低，可靠性高，系統(tǒng)化。
??器件尺寸再往小了做（尺寸的發(fā)展方向遵循摩爾定律，之后再展開講）。改進(jìn)工藝技術(shù)，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品良率。從設(shè)計(jì)的角度，如何使集成電路更耐用，可使用年限更長(zhǎng)，更耐高溫等。
??系統(tǒng)化就是集成電路的功能越來越強(qiáng)，從最初的單一功能，例如加法乘法，到近現(xiàn)代復(fù)雜功能，可以承載一個(gè)電子系統(tǒng)。最初是嵌入式系統(tǒng)(Embedded System)，就是完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，例如微波爐、洗衣機(jī)。到現(xiàn)在有片上系統(tǒng)，又稱系統(tǒng)級(jí)芯片(Systen On Chip, SOC)，可在單一芯片上實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、處理和輸入輸出等功能，將數(shù)字電路、存儲(chǔ)器、MPU(微處理器)、MCU(微控制單元)、DSP(數(shù)字信號(hào)處理)等集成在一塊芯片，實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)功能，如果說中央處理器(CPU)是大腦，那么SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統(tǒng)。可以理解為微縮型電腦。

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Tip: 在學(xué)習(xí)過程中，如果是看中文教科書，一些專有名詞標(biāo)注英文的，注意記一下英文和縮寫。因?yàn)榘雽?dǎo)體行業(yè)工作的時(shí)候，內(nèi)部溝通關(guān)鍵名詞都是以英文為主，要養(yǎng)成習(xí)慣，也有助于將來看相關(guān)的前沿論文。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的什么是集成电路的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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