集成电路基础知识介绍：从原子结构到晶体管

在19世纪末期，消费类产品包括照明、加热、电话和电报等一些简单的电路。但是无线电的发明和对于能够整流和放大信号的电器元件的需求推动了真空管的发明。

真空管是以如无线电、电视、通讯设备的产品和早期计算机的形式出现的。它们的使用持续到20世纪60年代晚期，半导体器件的出现迎来了电子学的新时代。在单个集成电路(IC)芯片上包含一个复杂的晶体管阵列和其他元件，使可靠性得到了改善，并使功耗、尺寸和质量降低，也使得今天的先进电子产品成为可能。

集成电路对人类生活的影响

真空管到集成电路的发展过程经历了多个阶段，涉及了从电子管时代到集成电路时代的技术飞跃。以下是真空管发展成集成电路的主要阶段：

真空管时代（早期至1950s）：早期计算机和电子设备使用真空管作为主要的电子元件。真空管是一种通过调控电子在真空中的流动来放大电信号的设备。真空管的使用在20世纪前半叶十分普遍，但它们存在着体积大、功耗高、寿命短、易损坏等问题。

晶体管的发明（1947年）：晶体管的发明标志着电子管时代向半导体时代的过渡。1947年，贝尔实验室的约瑟夫·鲁茨和约翰·巴丁发明了第一只晶体管。晶体管相比真空管具有更小的体积、更低的功耗和更长的寿命，促使半导体技术开始成为电子器件的主流。

集成电路的概念（1950s-1960s）：1958年，杰克·基尔比（Jack Kilby）和罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）独立提出了集成电路的概念。基尔比在德州仪器（Texas Instruments）制造了第一个实际的集成电路，它包含了几个晶体管和其他元件。

小规模集成（SSI）和中规模集成（MSI）（1960s）：1960年代，集成电路技术开始商业化，进入了小规模集成（SSI）和中规模集成（MSI）时代。SSI和MSI集成了数十到数百个晶体管，用于制造逻辑门和简单的数字电路。

大规模集成（LSI）和微处理器的崛起（1970s）：1970年代初，大规模集成（LSI）技术的引入使得芯片上可以容纳数千个晶体管。1971年，英特尔公司推出了世界上第一款商用微处理器Intel 4004，标志着微处理器时代的开始。

超大规模集成（VLSI）时代（1980s）：1980年代，超大规模集成（VLSI）技术的发展使得芯片上的晶体管数量进一步增加，达到数百万个。这一时期，计算机芯片的性能迅速提高，个人计算机开始普及。

深亚微米和三维集成电路（1990s-至今）：1990年代，进入深亚微米时代，制程技术进一步缩小，芯片的性能和集成度得到了提升。21世纪初，三维集成电路技术的引入使得芯片在垂直方向上堆叠多个功能层，进一步提高了集成度和性能。

整个发展过程反映了电子技术从真空管到集成电路的演变，推动了计算机科学和信息技术的迅猛发展。半导体技术的不断创新使得电子设备变得更小、更强大，也促进了现代社会的数字化转型。

要理解集成电路，可以从很多角度开始，比如制程技术/应用领域/性能指标/封装等，这里从最基本的原子结构开始谈。

1 原子结构

所有的物质，无论固体、液体还是气体，都是由周期表中至今发现的109种元素的一种或几种组成的。在这些元素中，有91种元素是天然存在的，其余的元素不是人工制造的就是其他元素的副产物。元素是由分子组成的，分子可以分成更小的称为原子的粒子。每种元素的原子结构是不同的，决定了该元素的性质。

材料可以根据在它上面施加电压时导电情况的不同进行分类。绝缘体，顾名思义并不导电，而导体可以使很大的电流流过，流过的电量取决于所施加的电压和材料的导电性能。半导体的性能介于导体与绝缘体之间，可以使有限的电流流过，电流的大小取决于原子结构、材料的纯度和温度。

原子是由高度密集的质子和中子组成的原子核以及围绕它在一定轨道(或能级)上旋转的荷负电的电子组成的，这种结构首先是由Neils Bohr于1913年提出的，并随后得到大量的实验证据支持。质子荷正电，而中子不带电，即保持电中性。每个原子具有同样数量的质子(+)和电子(-)，而中子的数目可以改变。

周期表中的每个元素都有一个原子序数，它等于质子的数目，因而也等于在其原子内所含有的电子数目。原子序数标于每个元素的上部。

图1 原子结构模型：原子由质子和中子以及电子三部分组成，质子和中子构成原子核，电子绕原子核运行。

一个原子的实际质量是极小的，这使得对其的研究变得非常困难。因此，人们专门规定了一种质量单位表示原子的质量，它可以表明某种原子相对于另一种原子的质量。这种质量单位是根据原子最密集部分，即原子核内质子与中子数的和而规定的。

荷正电的质子对荷负电的电子施加了一个向心力，这个力由在原子核周围的轨道里自旋的电子产生的向外的离心力所平衡。这样，两个相反的力为原子提供了平衡的结构。一个给定的轨道或壳层所能容纳的最大电子数遵循2n2规律，式中“n”为壳层数。

如果一个给定的壳层的电子数超过了由2n2规律给出的最大数，则多出的电子将被迫进入下一个较高的壳层。如果一个原子外面的壳层按照2n2规律被电子全部填满或在壳层里有8个电子，则它在化学上是稳定的。在外壳层里的电子被称为价电子，如果它的数量小于8，该原子或是通过失去得到电子或是与其他原子共享电子而具有与其他原子交互作用的趋势。

在周期表中带有同样数量价电子的元素具有类似的性质并放置在同一族。例如IA族的原子在它的外壳层有1个电子，而ⅡA族元素在外壳层有2个电子等。周期表左侧的元素倾向于失去价电子给其他原子，这样变成正电性的。周期表右侧的元素倾向于得到其他原子的电子而变成负电性的。

图2 前四个原理能级的轨道和电子容量

当原子彼此靠近时，它们之间发生交互作用的类型主要取决于原子本身的性质。这种交互作用形成所谓化学键，化学键可以分成离子键、共价键、分子键、氢键或金属键。

当两个或两个以上的原子共享彼此的价电子时形成了共价键。如果外壳层只被电子部分填满，则该原子会受到其他缺少电子的原子吸引，所以共享彼此的价电子可以导致一个更为稳定的状态。作为一个例子，两个氯原子将吸引并共享各自的单个电子，形成在每个壳层具有8个电子的稳定的共价键。

2 真空管

现代电子学可将其根源追溯到称作电子管的第一种电子器件。尽管今天固态器件(几乎)已经完全代替了真空管，就其用途来说其基本原理仍变化不大。经历了40多年，直到20世纪60年代晚期，消费类电子产品的最重要部件仍然是电子管。

真空管问世于1883年Edison(爱迪生)发明白炽灯的时候，为了改进灯泡中红热的灯丝过早烧坏的问题，他做了很多试验，其中一项就是将一个金属板密封在灯泡中，将金属板与电池和电流表相连。

Edison观察到，当灯丝变热且金属板接在电池的正极时，电流表指示了在灯丝与金属板之间的间隙有电流通过真空流过。当金属板接在电池的负极时，电流停止流动。尽管这个现象很有意义，但它并没有改善Edison灯泡的寿命，因此他失去了对这种试验的兴趣，转向证明更能成功改进灯泡的其他的研究上。

此后二十多年，Edison真空管试验一直受到科学界的关注。在1903年，收音机已经开始使用，英格兰的J.A.Fleming发现他需要某种东西把交流的无线电信号整流成耳机工作所需要的直流信号。他把Edison的真空管与接收天线连在一起，真空管像一个二极管那样工作。当信号电压在一个方向上增加时，它使得金属板成为正极，而且信号能够通过；当信号电压在交流周波的另一个方向增加时，会在金属板上施加负电，则信号停止。

真空管，也叫做电子管，要有一个电子的来源才能进行工作。在Edison最初的电子管里，电子的来源是灯丝，称作阴极。在加热到红热时，灯丝发射出的电子朝着带正电的金属板进入真空，金属板称作阳极。把阴极加热从而使电子激活的作用被称作热离子效应。其他的电子管使用高电压把电子从冷阴极拉出。

图3 真空二极管

把光能施加到光敏阴极时也会出现电子的发射。使用这种效应的真空管被称为光电真空管。尽管有各种各样的方法从阴极去除电子，但热离子真空管是使用最广的。阴极或是通过内在的电阻加热或是使用一个分离的电源加热。真空管是由一个带有电极引线的玻璃或金属泡组成，而电极引线通过玻璃引出并与模铸在一个塑料管座内的金属管脚相连接。

当电子管含有两个电极（阳极和阴极）时，这种电路被称作二极管。在1906年，美国发明家Lee DeForest在阴极和阳极之间加入了一个栅极（一个精细的金属丝网）。第三个电极的加入使电子管的用途扩展到其他的电子学功能。栅极提供了一种控制电子从阴极到金属板（阳极）流动的方法，尽管栅极带的正电荷或者负电荷不多，但由于靠近阴极会对电子从阴极流向阳极产生巨大影响。

图4 栅极控制电子向三极管极板的流动

编织稀疏的栅极可以使大部分电子通过并落在荷正电更强的阳极上。当栅极带负 电时，它排斥来自阴极的电子，使电流的流动停止。

因此，在三电极（即阴极、阳极、栅极）的情况下可以使用一个真空管整流 和放大微弱的无线电信号。三个电极的真空管被称作三极管，更多的电极，例如抑制栅极和帘栅极也可以密封在电子管中，可以扩大电子管的功能。

真空管尽管广泛用于工业已有半个多世纪，但是有很多缺点，包括它们体积大、产生的热量大、容易烧坏而需要频繁地更换。固态器件的进展消除了真空管 的缺点，真空管开始从许多电子产品的使用中退出。

3 半导体理论

半导体材料具有完全不同于金属的物理特性。金属可以在所有温度下导电，而半导体在某些温度下导电较好，而在另外一些温度下导电不好。半导体是共价的固体，也就是说，原子本身形成了共价键。最重要的半导体元素是周期表IVA族的硅和锗。如果两种或两种以上的元素形成共价键也可以形成半导体化合物，例如镓（IIIA族）和砷（VA族）可以结合形成砷化镓。

在IC芯片制造中使用的典型半导体材料如下，元素半导体：硅；锗；硒。半导体化合物：砷化傢（GaAs）；磷砷化傢（GaAsP）；磷化锢（InP）。

锗是用来制造第一个晶体管和固态器件的元素半导体。但由于它难以加工和器件性能有限的缺点，目前使用较少。另一种元素半导体是硅，有90%左右的芯片是用它制造的。硅的广泛使用与其在自然界中资源丰富而且在高温下仍能保持良好的电性能有关。此外，硅的氧化物（SiO2）具有很多适于IC制造的理想性能。

砷化镓属于化合物半导体。它的某些性能，例如较高的工作频率（比硅高2〜3倍以上）、低的热耗散、耐辐照以及相邻元件之间漏电最少，使得砷化镓成为一种重要的高性能用途的半导体。它的缺点是晶锭生长和IC制造困难。

一种没有受到杂质污染的元素半导体或化合物半导体被称作本征半导体。在绝对零度温度下，本征半导体形成了稳定的共价键，它们的价电子壳层被电子完全填满，这些共价键非常强，所以每个电子都被共用它们的原子强烈地束缚住。这样，没有剩余的自由电子，也不可以导电。当温度升高到较高温度时，价带往往受到破坏，释放出电子。这些自由电子的行为与金属的自由电子类似，因此，在有外加电场时可以导电。

如果一种杂质例如磷或硼被引入到一种本征半导体的晶体结构内，随着使用的杂质类型不同，半导体的化学态将变成具有过剩电子或缺乏电子的半导体。把少量杂质加入到一种本征半导体的工艺称作掺杂。

以一个具有共价键的本征硅晶体结构为例。每个原子周围有四个与它共享一对电子的其他原子，形成了四个共价键。如果用一种可控数量的杂质（掺杂剂）例如磷（VA族）掺杂到硅的晶体（IVA族）中，新形成的共价键就会有过剩的电子。当对半导体施加电压时，这些电子可以自由地从一个原子运动到另一个原子。被这样改变的材料称作n型（n表示负）半导体；

称作p型（P表示正）的另一种半导体是用一种IVA族的掺杂剂例如硼掺杂到硅晶体而形成的。所得到的半导体缺少电子,因而在荷正电的原子里形成“空穴”，即电子空位。

单一的半导体晶体结构能够用两种不同类型的杂质选择性掺杂，可以形成P型和n型相邻的半导体。两种半导体之间的过渡区是P-N结，是一个电子与空穴重新结合的地方。当电子进入P型区时，填充了空穴，原子荷负电，留下的原子带有较少的电子和新空穴而荷正电（这一过程可以看作是空穴的流动或荷正电的空位的电流流动，它的方向与电子流动的方向相反。由于在接触区电子和空穴耗尽，故 P-N结被称为耗尽区。在接触区两侧带有两种电荷的原子层之间建立起电场，阻止了电子和空穴在这一区域内的进一步结合，形成一个阻挡层。

图5 p型/n型半导体结和带有耗尽区的p型/n型半导体结

4 二极管

当在p-n结两端放置一个外加电池时，电池的正极与半导体的n型一侧相连，负极与p型一侧相连，则在结的两端形成所谓的反向偏置。当电子被吸引到电池的正极而空穴被吸引到负极一侧时，电子和空穴从结处跑掉，这样就增加了耗尽区并阻止电流的流动。

图6 PN 结二极管的正向偏压

如果电池的两极反接，n型半导体的电子和p型半导体的空穴由于它们各自受到电池的负电位和正电位的排斥作用，朝着结的方向运动。这就减小了结的阻挡作用，使得电子和空穴可以穿过结并复合在一起。

当电子和空穴复合在一起时, 来自电池（一）接线端的新电子进入到n型区，取代了穿越到p型区的电子。类似的，在p型区的电子受到（+）接线端的吸引，留下了新的空穴，这些空穴被来自n型区的电子填充。这种不断重新结合的过程在bn区两边建立了一个正向电流，它被称为正向偏置。因而，一个结起到了一个二极管的作用（整流器），即当结上为正向偏压时，它可以导通电流；当反向偏压时，电流则停止。

5 结型双极晶体管

把两个或两个以上的p-n结组合成一个器件（p-n-p, n-p-n等），导致了晶体管的出现。晶体管是一种能够放大信号或每秒开关电流几十亿次的器件，它的出现开创了电子学的新纪元。

从1948年贝尔实验室的W. Shockley、J. Bardeen和W. Brattain发明晶体管以来，晶体管已经发展了很多的形式。最初的器件使用点接触穿入锗半导体本体。随后的晶体管是用错作为半导体的结（双极）型晶体管，锗这种半导体材料后来被硅所代替。

为了说明双极晶体管是如何工作的，用n-p-n半导体结构作为例子。在这种结构中，一个很薄的轻掺杂的p型区称作基区（B），被夹在两层较厚的分别称作发射区（E）和集电区（C）的n型区之间。它们的引出端分别称作基极、发射极和集电极。发射区产生电子，集电区吸收电子，在基极上施加的输入信号控制电子从发射极向集电极的流动。

图7 典型的n-p-n型晶体管

图8是用作数字开关的双极晶体管的典型电路。在发射极和集电极之间施加电压Vce，电源的正极（+）通过一个负载电阻R与集电极的引岀端相连。在基极与发射极引出端之间施加一个正电压Vbe>0. 5V，接通晶体管。

由于发射极-基极结是正向偏置的，发射区内的电子将穿过结进入到基区，在那里少数电子将在轻掺杂的基区与空穴复合。由于基区很薄，自由电子紧靠集电极，这些电子受到集电极的正电位作用，穿过集电极-基极结并继续通过外电路流动。把输入电压降低至零，在发射极-基极结之间不再维持电子的流动，晶体管将截止。

当双极晶体管用作放大器时，从发射极流向集电极的电流强度与输入电压的强度改变有关，但电流被放大了，也就是说，增加在基极输入电压的强度会成比例地引起更多的电子穿过发射极-基极结，这样就增加了在发射极与集电极之间流过的电流。减小输入电压会使电子降低它们穿过发射极-基极结的速度，从而减小了电流。由于双极晶体管能够等同地放大电流和电压，这种晶体管也可以被认为是一种功率放大器。

双极晶体管的特性在于它的高频响应能力，这等同于有很高的开关速度。但为实现很高的开关速度，晶体管必须在很高的从发射极流向集电极的电流下工 作，因此会增加功率的损耗。

图8 用作数字开关的双极晶体管

6 场效应晶体管

场效应晶体管（FET）是与双极晶体管以不同的原理工作的。输入电压造成了一个改变输出区电阻的电场，因而控制了电流的流动。它的独特之处在于具有很高的输入电阻，这样就可防止电路中其前级器件的负载下降，因为负载的降低会使它的性能变坏。

FET晶体管的工作原理在双极晶体管开发前的很长时间人们就知道了，但由于制造困难，人们情愿选择双极晶体管而放弃FET晶体管。

20世纪60年代，在解决了早期的制造问题后，再次引起了人们对FET晶体管的兴趣。FET晶体管与双极晶体管类似，也有三个半导体区，但由于工作原理不同，FET的三个区被分别称作源区、漏区和栅区（如果我们再次考察n-p-n结构，源区和漏区都是n型半导体，而栅区是P型半导体），这些区等同于双极晶体管的发射区、集电区和基区。

有两种类型的FET晶体管：结型场效应晶体管（JFET）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。

6.1 结型场效应晶体管

在结型场效应晶体管（JFET）中，电子并不穿过P-N结，而是从两个p型半导体之间形成的所谓n-沟道从源极向漏极流动，n-沟道作为晶体管的输出部分，而栅到源的P-N结是输入部分。在晶体管的功能是数字开关的典型 JFET电路里，在源极（-）和漏极（+）两端之间通过一个负载电阻Rl施加一个电源电压VSD在栅极与源极端之间连接输入电压VGS，栅极接负极性。

在反向偏置输入电压时，电场的作用是在p-n结周围形成耗尽区并以缺少电子为特征。随着输入电压的增加，耗尽区向沟道的中心穿透较深，限制了源极和漏极之间的电子流动。

如果输入电压大到足以使耗尽区全部填满此沟道，就会中断电子的流动。把输入电压Vgs减小到零，耗尽区就消失，n-p沟道就完全打开，具有非常低的电阻，这样电流的流动速率将处于它的最大值。当JFET晶体管用作线性放大器时，输入电压的变化将对n-沟道内电流的流动产生等同的影响，并引起源极和漏极端之间输出电压的增益。

图9 当p-n结处于正向偏置时，JFET的功能相当于导通状态的开关；当p-n结处于反向偏置时，JFET的功能相当于截止状态的开关

6.2 金属氧化物半导体场效应晶体管

另一类FET晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。它是以JFET晶体管同样的原理进行工作的，但使用施加在内建电容器两端的输入电压来控制源极到漏极的电子流动。

MOSFET 一般由埋置在一个p型半导体内的一个源区和漏区（n 型区）组成。其栅极端与金属（铝）层相连，铝层用二氧化硅（SiO2）绝缘体与P型半导体隔开。这种金属、二氧化硅（绝缘体）和P型半导体层相结合形成了一种去耦电容器。栅区位于源区与漏区之间，在栅区下的第四个区称为衬底。衬底或是与源区内连，或是作为一个外接端。

图10 典型的MOSFET （金属氧化物半导体场效应晶体管）的结构

电子从源极向漏极的流动是受栅极控制的，而不管栅极具有正电压还是负电压。如果施加到栅上的输入电压是正的，自由电子将被从n区和P区吸引到在栅区的二氧化硅层的下侧。在栅下电子的富集形成了两个n区之间的n-勾道，这样就提供了电流从源极流向漏极的导电通道。在这种情况下，该MOSFET是导通的。如果栅极的输入电压是负的，则在栅极下p 区内的电子被排斥，就不会形成比沟道。由于在两个n区之间p区的电阻是无限大，就不会有电流流过，这样，MOSFET是截止的。上面使用的MOS- FET是n-p-n型的，也可以构造p-n-p型的MOSFET，但它的电压极性将相反。

图11 MOSFET的功能是处于“导通” 状态的开关

6.3 互补型金属氧化物半导体场效应晶体管

当两个MOSFET晶体管（一个是n-p-n型，另一个是p-n-p型）连接在一起时，这种组合结构叫做互补型MOSFET或互补型金属氧化物半导体场效应晶体管（CMOSFET）。CMOSFET晶体管的优点是使电路简化 （不需要负载电阻）、很低的功率耗散以及产生一个与输入信号反向的输岀信号的能力。例如，正的输入将有一个零的输岀，或一个零的输入将产生一个正的输出。

图12 CMOSFET （n-p-n MOSFET 与 p-n-p MOSFET连接形成一个开关）

CMOSFET（亦称CMOS晶体管）是互补金属氧化物半导体场效应晶体管（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）的缩写，是集成电路中最常见的一种晶体管类型。在集成电路技术中，CMOSFET被广泛应用于数字电路和微处理器。

除了CMOSFET之外，还有一些其他重要的技术和发展，比如：

FinFET技术：FinFET是一种三维晶体管结构，取代了传统平面的晶体管。

先进制程技术：随着科技的不断进步，集成电路制造采用了越来越先进的制程技术。这包括7纳米、5纳米、3纳米等纳米级别的制程。先进制程技术可以提高集成度、降低功耗，并提升性能。

量子点技术：量子点是一种纳米级别的半导体颗粒，可以用于光电子学和量子计算等领域。在集成电路中，量子点技术可以应用于发光二极管（LED）和显示技术等。

三维集成电路：三维集成电路是一种在垂直方向上堆叠多个芯片层的技术。这种方法可以提高集成度，减小电子信号传输的距离，从而提高性能和降低功耗。

光电子集成电路：光电子集成电路是集成了光学元件的电子电路。这种技术通过使用光信号而非电信号来传输信息，有望提高传输速度和降低功耗。

自旋电子学：自旋电子学是一种基于电子自旋而非电子电荷的新型电子学技术。这一领域的研究旨在利用自旋来进行信息存储和处理。

量子计算：量子计算是一种基于量子比特的计算技术。与传统的比特（0和1）不同，量子比特（量子位）可以同时处于多个状态，这使得量子计算在某些问题上具有巨大的潜在优势。

这些技术和发展代表了集成电路领域的前沿研究和创新方向。随着科技的不断进步，未来还将涌现出更多的新技术，推动集成电路的发展。




审核编辑：刘清