显微镜下的集成电路

集成电路（integrated circuit）是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”表示。集成电路发明者为杰克·基尔比（基于锗（Ge）的集成电路）和罗伯特·诺伊思（基于硅（Si）的集成电路）。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。

是20世纪50年代后期一60年代发展起来的一种新型半导体器件。它是经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等半导体制造工艺，把构成具有一定功能的电路所需的半导体、电阻、电容等元件及它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片上，然后焊接封装在一个管壳内的电子器件。其封装外壳有圆壳式、扁平式或双列直插式等多种形式。集成电路技术包括芯片制造技术与设计技术，主要体现在加工设备，加工工艺，封装测试，批量生产及设计创新的能力上。

为什么会产生集成电路？我们知道任何发明创造背后都是有驱动力的，而驱动力往往来源于问题。那么集成电路产生之前的问题是什么呢？我们看一下1942年在美国诞生的世界上第一台电子计算机，它是一个占地150平方米、重达30吨的庞然大物，里面的电路使用了17468只电子管、7200只电阻、10000只电容、50万条线，耗电量150千瓦 ［1］ 。显然，占用面积大、无法移动是它最直观和突出的问题；如果能把这些电子元件和连线集成在一小块载体上该有多好！我们相信，有很多人思考过这个问题，也提出过各种想法。典型的如英国雷达研究所的科学家达默，他在1952年的一次会议上提出：可以把电子线路中的分立元器件，集中制作在一块半导体晶片上，一小块晶片就是一个完整电路，这样一来，电子线路的体积就可大大缩小，可靠性大幅提高。这就是初期集成电路的构想，晶体管的发明使这种想法成为了可能，1947年在美国贝尔实验室制造出来了第一个晶体管，而在此之前要实现电流放大功能只能依靠体积大、耗电量大、结构脆弱的电子管。晶体管具有电子管的主要功能，并且克服了电子管的上述缺点，因此在晶体管发明后，很快就出现了基于半导体的集成电路的构想，也就很快发明出来了集成电路。杰克·基尔比（Jack Kilby）和罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）在1958~1959期间分别发明了锗集成电路和硅集成电路。

讲完了历史，我们再来看现状。集成电路已经在各行各业中发挥着非常重要的作用，是现代信息社会的基石。集成电路的含义，已经远远超过了其刚诞生时的定义范围，但其最核心的部分，仍然没有改变，那就是“集成”，其所衍生出来的各种学科，大都是围绕着“集成什么”、“如何集成”、“如何处理集成带来的利弊”这三个问题来开展的。硅集成电路是主流，就是把实现某种功能的电路所需的各种元件都放在一块硅片上，所形成的整体被称作集成电路。对于“集成”，想象一下我们住过的房子可能比较容易理解：很多人小时候都住过农村的房子，那时房屋的主体也许就是三两间平房，发挥着卧室的功能，门口的小院子摆上一副桌椅，就充当客厅，旁边还有个炊烟袅袅的小矮屋，那是厨房，而具有独特功能的厕所，需要有一定的隔离，有可能在房屋的背后，要走上十几米……后来，到了城市里，或者乡村城镇化，大家都住进了楼房或者套房，一套房里面，有客厅、卧室、厨房、卫生间、阳台，也许只有几十平方米，却具有了原来占地几百平方米的农村房屋的各种功能，这就是集成。

当然现如今的集成电路，其集成度远非一套房能比拟的，或许用一幢摩登大楼可以更好地类比：地面上有商铺、办公、食堂、酒店式公寓，地下有几层是停车场，停车场下面还有地基——这是集成电路的布局，模拟电路和数字电路分开，处理小信号的敏感电路与翻转频繁的控制逻辑分开，电源单独放在一角。每层楼的房间布局不一样，走廊也不一样，有回字形的、工字形的、几字形的——这是集成电路器件设计，低噪声电路中可以用折叠形状或“叉指”结构的晶体管来减小结面积和栅电阻。各楼层直接有高速电梯可达，为了效率和功能隔离，还可能有多部电梯，每部电梯能到的楼层不同——这是集成电路的布线，电源线、地线单独走线，负载大的线也宽；时钟与信号分开；每层之间布线垂直避免干扰；CPU与存储之间的高速总线，相当于电梯，各层之间的通孔相当于电梯间……

下面的视频讲述的是显微镜下的集成电路：