从晶体管到集成电路
集成电路发展史
集成电路发展史集成电路对一般人来说也许会有陌生感,但其实我们和它打交道的机会很多;计算机、电视机、手机、网站、取款机等等,数不胜数;除此之外在航空航天、星际飞行、医疗卫生、交通运输、武器装备等许多领域,几乎都离不开集成电路的应用,当今世界,说它无孔不入并不过分;在当今这信息化的社会中,集成电路已成为各行各业实现信息化、智能化的基础;无论是在军事还是民用上,它已起着不可替代的作用;1 集成电路概述所谓集成电路IC,就是在一块极小的硅单晶片上,利用半导体工艺制作上许多晶体二极管、三极管及电阻、电容等元件,并连接成完成特定电子技术功能的电子电路;从外观上看,它已成为一个不可分割的完整器件,集成电路在体积、重量、耗电、寿命、可靠性及电性能方面远远优于晶体管元件组成的电路,目前为止已广泛应用于电子设备、仪器仪表及电视机、录像机等电子设备中;12 集成电路发展及其影响集成电路的发展集成电路的发展经历了一个漫长的过程,以下以时间顺序,简述一下它的发展过程;1906年,第一个电子管诞生；1912年前后,电子管的制作日趋成熟引发了无线电技术的发展；1918年前后,逐步发现了半导体材料；1920年,发现半导体材料所具有的光敏特性；1932年前后,运用量子学说建立了能带理论研究半导体现象；1956年,硅台面晶体管问世；1960年12月,世界上第一块硅集成电路制造成功；1966年,美国贝尔实验室使用比较完善的硅外延平面工艺制造成第一块公认的大规模集成电路;2 1988年：16M DRAM问世,1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管,标志着进入超大规模集成电路阶段的更高阶段;1997年：300MHz奔腾Ⅱ问世,采用μｍ工艺,奔腾系列芯片的推出让计算机的发展如虎添翼,发展速度让人惊叹;2009年：intel酷睿i系列全新推出,创纪录采用了领先的32纳米工艺,并且下一代22纳米工艺正在研发;集成电路制作工艺的日益成熟和各集成电路厂商的不断竞争,使集成电路发挥了它更大的功能,更好的服务于社会;由此集成电路从产生到成熟大致经历了如下过程：3电子管——晶体管——集成电路——超大规模集成电路2.1.1集成电路的前奏——电子管、晶体管电子管,是一种在气密性封闭容器中产生电流传导,利用电场对真空中的电子流的作用以获得信号放大或振荡的电子器件;由于电子管体积大、功耗大、发热厉害、寿命短、电源利用效率低、结构脆弱而且需要高压电源的缺点,很快就不适合发展的需求,被淘汰的命运就没躲过;4晶体管,是一种固体半导体器件,可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能;晶体管很快就成为计算机“理想的神经细胞”,从而得到广泛的使用;虽然晶体管的功能比电子管大了很多,但由于电子信息技术的发展,晶体管也越来越不适合科技的发展,随之出现的就是能力更强的集成电路了;5图1老式电子管 6 图2 晶体管72.1.2集成电路的诞生几根零乱的电线将五个电子元件连接在一起,就形成了历史上第一个集成电路;虽然它看起来并不美观,但事实证明,其工作效能要比使用离散的部件要高得多;历史上第一个集成电路出自杰克-基尔比之手;当时,晶体管的发明弥补了电子管的不足,但工程师们很快又遇到了新的麻烦;为了制作和使用电子电路,工程师不得不亲自手工组装和连接各种分立元件,如晶体管、二极管、电容器等;其实,在20世纪50年代,许多工程师都想到了这种集成电路的概念;美国仙童公司联合创始人罗伯特-诺伊斯就是其中之一;在基尔比研制出第一块可使用的集成电路后,诺伊斯提出了一种“半导体设备与铅结构”模型;1960年,仙童公司制造出第一块可以实际使用的单片集成电路;诺伊斯的方案最终成为集成电路大规模生产中的实用技术;基尔比和诺伊斯都被授予“美国国家科学奖章”;他们被公认为集成电路共同发明者;8图3第一个集成电路9以后,随着集成电路芯片封装技术的应用,解决了集成电路免受外力或环境因素导致的破坏的问题;集成电路芯片封装是指利用膜技术及微细加工技术,将芯片及其他重要要素在框架或基板上布置、粘贴固定及连接,引出接线端子并通过可塑性绝缘介质灌封固定,构成整体立体结构的工艺;这样按电子设备整机要求机型连接和装配,实现电子的、物理的功能,使之转变为适用于整机或系统的形式,就大大加速了集成电路工艺的发展;10随着电子技术的继续发展,超大规模集成电路应运而生;1967年出现了大规模集成电路,集成度迅速提高；1977年超大规模集成电路面世,一个硅晶片中已经可以集成15万个以上的晶体管；1988年,16M DRAM问世,1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管,标志着进入超大规模集成电路VLSI阶段；1997年,300MHz奔腾Ⅱ问世,采用μｍ工艺,奔腾系列芯片的推出让计算机的发展如虎添翼,发展速度让人惊叹,至此,超大规模集成电路的发展又到了一个新的高度;2009年,intel酷睿i系列全新推出,创纪录采用了领先的32纳米工艺,并且下一代22纳米工艺正在研发;集成电路的集成度从小规模到大规模、再到超大规模的迅速发展,关键就在于集成电路的布图设计水平的迅速提高,集成电路的布图设计由此而日益复杂而精密;这些技术的发展,使得集成电路的发展进入了一个新的发展的里程碑;相信随着科技的发展,集成电路还会有更高的发展;11中国的集成电路产业起步于20世纪60年代中期,1976年,中国科学院计算机研究所研制成功1000万次大型电子计算机所使用的电路为中国科学院109厂研制的ECL型电路；1986年,电子部提出“七五”期间,我国集成电路技术“531”发展战略,即推进5微米技术,开发3微米技术,进行1微米技术科技攻关；1995年,电子部提出“九五”集成电路发展战略：以市场为导向,以CAD为突破口,产学研用相结合以我为主,开展国际合作,强化投资；在2003年,中国半导体占世界半导体销售额的9%,电子市场达到860亿美元,中国成为世界第二大半导体市场,中国中高技术产品的需求将成为国民经济新的增长动力;到现在已经初具规模,形成了产品设计、芯片制造、电路封装共同发展的态势;我们相信,随着我国经济的发展和对集成电路的重视程度的提高,我国集成电路事业也会有更大的发展12集成电路发展对世界经济的影响在上个世纪八十年代初期,消费类电子产品立体声收音机、彩色电视机和盒式录相机是半导体需求的主要推动力;从八十年代末开始,个人计算机成为半导体需求强大的推动力;至今,PC仍然推动着半导体产品的需求;从九十年代至今,通信与计算机一起占领了世界半导体需求的2／3;其中,通信的增长最快;信息技术正在改变我们的生活,影响着我们的工作;信息技术在提高企业竞争力的同时,已成为世界经济增长的新动力;2004年,亚太地区已成为世界最大的半导体市场,其主要的推动力是中国国内需求的增长和中国作为世界生产基地所带来的快速增长;电子终端产品的生产将不断从日本和亚洲其他地区转移到中国;133 集成电路分类按功能分按其功能不同可分为模拟集成电路和数字集成电路两大类;前者用来产生、放大和处理各种模拟电信号；后者则用来产生、放大和处理各种数字电信号;所谓模拟信号,是指幅度随时间连续变化的信号;例如,人对着话筒讲话,话筒输出的音频电信号就是模拟信号,收音机、收录机、音响设备及电视机中接收、放大的音频信号、电视信号,也是模拟信号;所谓数字信号,是指在时间上和幅度上离散取值的信号,例如,电报电码信号,按一下电键,产生一个电信号,而产生的电信号是不连续的;这种不连续的电信号,一般叫做电脉冲或脉冲信号,计算机中运行的信号是脉冲信号,但这些脉冲信号均代表着确切的数字,因而又叫做数字信号;在电子技术中,通常又把模拟信号以外的非连续变化的信号,统称为数字信号;目前,在家电维修中或一般性电子制作中,所遇到的主要是模拟信号；那么,接触最多的将是模拟集成电路;图4模拟电路 14 图5数字电路15按制作工艺分集成电路按其制作工艺不同,可分为半导体集成电路、膜集成电路和混合集成电路三类;半导体集成电路是采用半导体工艺技术,在硅基片上制作包括电阻、电容、三极管、二极管等元器件并具有某种电路功能的集成电路；膜集成电路是在玻璃或陶瓷片等绝缘物体上,以“膜”的形式制作电阻、电容等无源器件;无源元件的数值范围可以作得很宽,精度可以作得很高;但目前的技术水平尚无法用“膜”的形式制作晶体二极管、三极管等有源器件,因而使膜集成电路的应用范围受到很大的限制;在实际应用中,多半是在无源膜电路上外加半导体集成电路或分立元件的二极管、三极管等有源器件,使之构成一个整体,这便是混合集成电路;根据膜的厚薄不同,膜集成电路又分为厚膜集成电路膜厚为1μm～10μm和薄膜集成电路膜厚为1μm以下两种;在家电维修和一般性电子制作过程中遇到的主要是半导体集成电路、厚膜电路及少量的混合集成电路;图6膜集成电路 16 图7半导体集成电路17按高低分按集成度高低不同,可分为小规模、中规模、大规模及超大规模集成电路四类;对模拟集成电路,由于工艺要求较高、电路又较复杂,所以一般认为集成50个以下元器件为小规模集成电路,集成50－100个元器件为中规模集成电路,集成100个以上的元器件为大规模集成电路；对数字集成电路,一般认为集成1～10等效门／片或10～100个元件／片为小规模集成电路,集成10～100个等效门／片或100～1000元件／片为中规模集成电路,集成100～10,000个等效门／片或1000～100,000个元件／片为大规模集成电路,集成10,000以上个等效门／片或100,000以上个元件／片为超大规模集成电路;按导电类型分按导电类型不同,分为双极型集成电路和单极型集成电路两类;前者频率特性好,但功耗较大,而且制作工艺复杂,绝大多数模拟集成电路以及数字集成电路中的TTL、ECL、HTL、LSTTL、STTL型属于这一类;后者工作速度低,但输人阻抗高、功耗小、制作工艺简单、易于大规模集成,其主要产品为MOS型集成电路;MOS电路又分为NMOS、PMOS、CMOS型;图8双极型集成电路 18 图9单极型集成电路194 集成电路应用领域在计算机的应用随着集成了上千甚至上万个电子元件的大规模集成电路和超大规模集成电路的出现,电子计算机发展进入了第四代;第四代计算机的基本元件是大规模集成电路,甚至超大规模集成电路,集成度很高的半导体存储器替代了磁芯存储器,运算速度可达每秒几百万次,甚至上亿次基本运算;20计算机主要部分几乎都和集成电路有关,CPU、显卡、主板、内存、声卡、网卡、光驱等等,无不与集成电路有关;并且专家通过最新技术把越来越多的元件集成到一块集成电路板上,并使计算机拥有了更多功能,在此基础上产生许多新型计算机,如掌上电脑、指纹识别电脑、声控计算机等等;随着高新技术的发展必将会有越来越多的高新计算机出现在我们面前;图10指纹识别鼠标21图11声控计算机22在通信上的应用集成电路在通信中应用广泛,诸如通信卫星,手机,雷达等,我国自主研发的“北斗”导航系统就是其中典型一例;“北斗”导航系统是我国具有自主知识产权的卫星定位系统,与美国G P S、俄罗斯格罗纳斯、欧盟伽利略系统并称为全球4 大卫星导航系统;它的研究成功,打破了卫星定位导航应用市场由国外GPS 垄断的局面;前不久,我国已成功发射了第二代北斗导航试验卫星,未来将形成由５颗静止轨道卫星和30 颗非静止轨道卫星组成的网络,我国自主卫星定位导航正在由试验向应用快速发展;将替代“北斗”导航系统内国外芯片的“领航一号”,还可广泛应用于海陆空交通运输、有线和无线通信、地质勘探、资源调查、森林防火、医疗急救、海上搜救、精密测量、目标监控等领域;近年来,随着高新技术的迅猛发展,雷达技术有了较大的发展空间,雷达与反雷达的相对平衡状态不断被打破;有源相控阵是近年来正在迅速发展的雷达新技术,它将成为提高雷达在恶劣电磁环境下对付快速、机动及隐身目标的一项关键技术;有源相控阵雷达是集现代相控阵理论、超大规模集成电路、高速计算机、先进固态器件及光电子技术为一体的高新技术产物;23相比之下毫米波雷达具有导引精度高、抗干扰能力强、多普勒分辨率高、等离子体穿透能力强等特点；因此其广泛的用于末制导、引信、工业、医疗等方面;无论是军用还是民用,都对毫米波雷达技术有广泛的需求,远程毫米波雷达在发展航天事业上有广泛的应用前景,是解决对远距离、多批、高速飞行的空间目标的精细观测和精确制导的关键手段;可以预料各种战术、战略应用的毫米波雷达将逐渐增多;24图12有源相控阵雷达 25图13毫米波雷达26在医学上的应用随着社会的发展和科学技术的不断进步,人们对医疗健康、生活质量、疾病护理等方面提出了越来越高的要求;同时,依托于高新领域电子技术的各种治疗和监护手段越来越先进,也使得医疗产品突破了以往观念的约束和限制,在信息化、微型化、实用化等方面得到了长足发展;诸多专家从医疗健康领域的需求分析入手,从集成电路技术的角度对医疗健康领域的应用的关键技术现状和前景做了大致的分析探讨;27随着集成电路越来越多的渗入现代医学,现代医学有了长足进步;在医学管理方面IC卡医疗仪器管理系统就是典型代表;IC卡医疗仪器管理系统集I C 卡、监控、计算机网络管理于一体,凭卡检查,电子自动计时计次,可实现充值、打印,报表功能;系统性能稳定,运行可靠；控制医疗外部关键部位,不与医疗仪器内部线路连接,不影响医疗仪器性能, 不产生任何干扰；管理机与智能床有机结合,分析计次；影像系统自动识别,有效解决病人复查问题；轻松实现网络化管理,可随时查阅档案记录,统计任意时间内的就医人数;图14医疗仪器收费管理系统28在健康应用方面,临时心脏起搏器作为治疗各种病因导致的一过性缓慢型心律失常及植入永久心脏起搏器前的过渡性治疗,已广泛应用于临床工作,技术成熟;在非心脏的外科手术患者中合并有心动过缓及传导阻滞者,在围手术期可因为麻醉、药物及手术的影响,加重心动过缓及传导阻滞,增加了手术风险,限制了外科手术的开展,而植入临时心脏起搏器可有效解决上述问题,增加此类患者围手术期的安全性;29图15心脏起搏器30磁振造影仪是一种新型医疗设备,对于治疗许多疾病有它独特的功效;磁振造影仪MRI是利用磁振造影的原理,将人体置于强大均匀的静磁场中,透过特定的无线电波脉冲来改变区域磁场,藉此激发人体组织内的氢原子核产生共振现象,而发生磁矩变化讯号;因为身体中有不同的组织及成份,性质也各异,所以会产生大小不同的讯号,再经由计算机运算及变换为影像,将人体的剖面组织构造及病灶呈现为各种切面的断层影像;身体几乎任何部位皆可执行MRI检查,影像非常清晰与细腻,尤其是对软组织的显影,不是任何其它医学影像系统所能比拟的;目前常用的MRI影像乃是依据各组织内核磁共振讯号所建立的,氢是人体组织中最多的成份,因此MRI影像可诊断各种疾病,包括脑部癌病、水肿、血梗,神经的脱鞘与脂肪不正常分布,铁成份的沉积性疾病、出血,以及心肌不正常收缩等;MRI的优点除了不须要侵入人体,即可得人体各种结构组织之任意截面剖面图,且可获取其它众多的物理参数信息,MRI检查在国内外十几年来至今尚未发现对人体有任何副作用;31图16磁振造影仪 32在生活中的应用提到集成电路我们就不得不提到我们的日常生活,在我们生活中与集成电路有关的产品随处可见;手机、电视、数码相机、摄像机等都与我们的生活关系越来越近;随着技术的进步和社会的发展,手机以其独特的传播功能,日益成为人们获取信息、学习知识、交流思想的重要工具,成为文化传播的重要平台;目前,我国已有手机用户5亿多,形成以手机为载体的网站、报纸、出版物等新的文化;手机功能和手机款式也在不断更新,以适应现代人们生活的要求;各种各样的手机接连问世,从小灵通到具有摄像功能的高新手机,手机行业正在以惊人冲击人们的思维和眼界;图17全球首款剃须刀手机33图18光感变色手机 34 图19自动充电手机 35在科学技术与信息同步变革的社会发展过程中,电视传播对整个社会的支配影响作用十分明显;由于电视是一种变化多端的实践、技巧和技术,于是家庭本身也变成了一种家庭技术的复杂网络;正如电通过电视、电脑、电信技术与外部重新建立新的联系一样,电视重组了家庭的时间、空间、家庭闲暇和家庭角色;正因此,电视传播逐步地融入了大众生活,使人们生活方式和价值观均发生了深刻的变化;伴随着现代社会节奏的加快,外界娱乐费用的增涨,电视传播的普及,已经为人们呆在家中提供了充足的理由和条件,足不出户却可以感受社会交谈带来的人际交际感觉;此外,电视传播对于农村家庭的经济发展、社会的信息流通和大众家庭的教育都有很大的作用,电视传播也影响了家庭的装修风格与布局,由于电视装置在家庭中占据空间的原因,出现了电视装修墙以求美观;5 集成电路未来发展趋势及新技术集成电路发展趋势随着集成方法学和微细加工技术的持续成熟和不断发展,以及集成技术应用领域的不断扩大,集成电路的发展趋势将呈现小型化、系统化和关联性的态势;36135.1.1 器件特征尺寸不断缩小自1965年以来, 集成电路持续地按摩尔定律增长, 即集成电路中晶体管的数目每18个月增加一倍;每2～3年制造技术更新一代, 这是基于栅长不断缩小的结果, 器件栅长的缩小又基本上依照等比例缩小的原则, 同时促进了其它工艺参数的提高;预计在未来的10～15年, 摩尔定律仍将是集成电路发展所遵循的一条定律, 按此规律,CMOS器件从亚半微米进入纳米时代, 即器件的栅长小于100 nm转到小于50 nm的时间将在2010年前后;5.1.2 系统集成芯片SoC随着集成电路技术的持续发展, 不同类型的集成电路相互镶嵌, 已形成了各种嵌入式系统Embedded System 和片上系统System on Chip即oC 技术;也就是说, 在实现从集成电路IC到系统集成IS 的过渡中, 可以将一个电子子系统或整个电子系统集成在一个芯片上, 从而完成信息的加工与处理功能;SoC作为系统级集成电路, 它可在单一芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/O等功能, 它将数字电路、存储器、MPU、MCU、DSP等集成在一块芯片上, 从而实现一个完整的系统功能;SoC的制造主要涉及深亚微米技术、特殊电路的工艺兼容技术、设计方法的研究、嵌入式IP核设计技术、测试策略和可测性技术以及软硬件协同设计技术和安全保密技术;SoC以IP复用为基础, 把已有优化的子系统甚至系统级模块纳入到新的系统设计之中, 从而实现集成电路设计能力的第4次飞跃, 并必将导致又一次以系统芯片为特色的信息产业革命;5.1.3 学科结合将带动关联发展微细加工技术的不断成熟和应用领域的不断扩大, 必将带动一系列交叉学科及其有关技术的发展, 例如微电子机械系统、微光电系统、DNA芯片、二元光学、化学分析芯片以及作为电子科学和生物科学结合的产物———生物芯片的研究开发等, 它们都将取得明显进展;5.1.4未来应用应用是集成电路产业链中不可或缺的重要环节,是集成电路最终进入消费者手中的必经之途;除众所周知的计算机、通信、网络、消费类产品的应用外,集成电路正在不断开拓新的应用领域;诸如微机电系统,微光机电系统、生物芯片如DNA芯片、超导等,这些创新的应用领域正在形成新的产业增长点;集成电路发展新技术按目前情况预测, 15年后, 半导体上一个实体的栅长将只有9 nm, 这就需要更微细且精确的技术突破, 这首先会集中在生产材料的物理性质以及工艺设计等能力上;而能否顺利突破这些障碍, 晶圆制造工艺能否达到更进一步的微细化与精细化则是其关键, 同时也对半导体工艺技术与后续的研发方向有着深远的影响;概括起来, 其关键技术如下：5.2.1无焊内建层BumplessBuild-UpLayer,BBLIL技术该技术能使CPIJ内集成的晶体管数量达到10亿个,并且在高达20GHz的主频下运行,从而使CPU达到每秒1亿次的运算速度;此外,BBUL封装技术还能在同一封装中支持多个处理器,因此服务器的处理器可以在一个封装中有2个内核,从而比独立封装的双处理器获得更高的运算速度;此外,BBUL封装技术还能降低CPIJ的电源消耗,进而可减少高频产生的热量;5.2.2微组装技术是在高密度多层互连基板上,采用微焊接和封装工艺组装各种微型化片式元器件和半导体集成电路芯片,形成高密度、高速度、高可靠的三维立体机构的高级微电子组件的技术,其代表产品为多芯片组件MCM;5.2.3 纳米级光刻及微细加工技术器件特征尺寸的缩小, 取决于曝光技术的进步;在μm阶段, 曝光技术还是一个问题,预计再有1～2年左右的时间就可获得突破;至于在65 nm以下, 是采用Extra UV还是采用电子束的步进光刻机, 目前还在研究之中;5.2.4 铜互连技术铜互连技术已在μm和μm技术代中使用, 但是, 在μm以后, 铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用时的可靠性问题还有待研究和开发;5.2.5 高密度集成电路封装的工业化技术主要包括系统集成封装技术、50 μm以下超薄背面减薄技术、圆片级封装技术、无铅化产品技术等;5.2.6 应变硅材料制造技术参考文献1 王竞.集成电路的发展趋势及面临的问题.科技资讯. 2009年。
第6章第2节集成电路
第6章第2节集成电路打开电脑的机盒，主机板上有各种各样的集成电路块，包括CPU、存储器、各种接口电路等，这些都是已经封装好了的集成电路。
如果打开它们的封盖，可以看到在管壳内有一块小小的硅片，称为芯片(图6.2・1)。
图6.2”集成电路从晶体管到集成电路前面我们学习了晶体二极管、三极管以及电阻、电容、电感等，这些都是电子电路中常用的元件。
这些分立的元件，总要以各种方式组装成一定的电路才能工作。
对于稍微复杂一些的电路，总要经过调试才能使用，而调试工作复杂而且费时，降低了工作效率。
1958年，得克萨斯仪器公司的杰克•基尔比(JaCkKi1by)成功地研制出世界上第一块集成电路，从根本上解决了大量使用单个元件带来的麻烦。
集成电路的发明和应用使电子设备的体积、重量大大减小，可靠性提高，成本降低。
电子技术迈入了微电子技术的新时代。
集成电路(integratedcircuits),符号为IC,它是以半导体材料为基片，将晶体管、电阻、电容器等和连线集成在同一基片上，成为具有一定功能的微型化电路。
从宏观上看，已经分不清集成电路中哪些部分是元件，哪些部分是连线，它们已成为一个统一体。
与集成电路相对应的是分立元件电路，其中的元件都是独立的，需要通过导线相互连接而组成完整的电路。
模拟集成电路和数字集成电路集成电路按功能及用途可以分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。
模拟集成电路处理的是模拟信号。
常见的模拟集成电路有运算放大器、音响集成电路、稳压集成电路等。
数字集成电路处理的是数字信号。
电子钟、数字万用表等都是由数字电路组成的。
数字信号通常用电路中脉冲的有无或电平的高低表示O和1这两种对立的状态。
数字电路是由开关电路组成的。
还有一些集成电路内含模拟和数字两种电路，构成专用集成电路，如调速、音乐、遥控等专门用途的集成电路。
集成电路的优点集成电路与分立元件电路相比，不仅体积小了几个数量级、重量轻了几个数量级，而且具有分立元件电路无可比拟的其他优点。
集成电路的工作原理
集成电路的工作原理集成电路是现代电子技术的重要组成部分，它的出现使得电子设备变得更加小型化、高效化和可靠化。
本文将详细介绍集成电路的工作原理，从晶体管、逻辑门到集成电路的制造过程等方面进行探讨。
1. 晶体管的基本原理晶体管是集成电路的基本单元，其基本原理是利用半导体材料的特性来实现信号放大和开关控制。
在晶体管中，一般由两个PN结构组成：N型半导体和P型半导体。
当控制端施加适当电压时，PN结的导电性发生变化，使得电流可以通过或被阻断。
2. 逻辑门的构成和功能逻辑门是由晶体管组成的电路，用于处理数字信号。
常见的逻辑门有与门、或门、非门等。
以与门为例，当输入端1和输入端2同时为高电平时，输出端才为高电平；否则输出端为低电平。
逻辑门的功能是根据输入信号的逻辑条件，产生相应的输出信号。
3. 集成电路的分类和特点集成电路可分为模拟集成电路和数字集成电路。
模拟集成电路主要用于信号的放大和处理，数字集成电路用于处理离散的二进制信号。
集成电路的特点包括体积小、功耗低、性能稳定和可靠性高等，这使得它在电子产品中得到广泛应用。
4. 集成电路的制造过程集成电路的制造过程主要包括晶圆制备、光刻、扩散、腐蚀和封装等环节。
首先，通过化学物质对硅晶片进行处理，形成所需的零件结构。
然后，利用光刻技术将图形投射到硅片上，并进行刻蚀。
接着，通过扩散和腐蚀等工艺步骤，形成晶体管和逻辑电路等功能。
最后，将集成电路封装到外壳中，以便安装和连接。
5. 集成电路的应用领域集成电路广泛应用于计算机、通信、消费电子、汽车电子和医疗器械等领域。
在计算机领域，中央处理器和内存芯片等都是基于集成电路技术的。
在通信领域，手机和网络设备等都需要借助集成电路来实现信号处理和通信功能。
总结：集成电路是利用晶体管和逻辑门构成的电路，通过制造工艺将它们集成到一个小的芯片上。
它的工作原理基于晶体管的特性和逻辑门的功能，实现信号的放大、处理和控制。
集成电路具有体积小、功耗低、性能稳定和可靠性高等特点，广泛应用于各个领域。
计算机发展的各个历史时期
计算机发展的各个历史时期一、计算机发展的三次飞跃计算机器件从电子管到晶体管，再从分立元件到集成电路以至微处理器，促使计算机的发展浮现了三次飞跃。
1、在电子管计算机时期(1946~1959)，计算机主要用于科学计算。
主存储器是决定计算机技术面貌的主要因素。
当时，主存储器有水银延迟线存储器、阴极射线示波管静电存储器、磁鼓和磁心存储器等类型，通常按此对计算机进行分类。
2、到了晶体管计算机时期(1959~1964)，主存储器均采用磁心存储器，磁鼓和磁盘开始用作主要的辅助存储器。
不仅科学计算用计算机继续发展，而且中、小型计算机，特殊是便宜的小型数据处理用计算机开始大量生产。
3、1964 年以后，在集成电路发展的同时，计算机也进入了产品系列化的发展时期。
半导体存储器逐步取代了磁心存储器的主存储器地位，磁盘成为了不可缺少的辅助存储器，并且开始普遍采用虚拟存储技术。
随着各种半导体只读存储器和可改写的只读存储器的迅速发展，以及微程序技术的发展和应用，计算机系统中开始浮现固件子系统。
20 世纪 70 年代以后，计算机用集成电路的集成度迅速从中小规模发展到大规模、超大规模的水平，微处理器和微型计算机应运而生，各类计算机的性能迅速提高。
随着字长 4 位、8 位、16 位、32 位和 64位的微型计算机相继问世和广泛应用，对小型计算机、通用计算机和专用计算机的需求量也相应增长了。
微型计算机在社会上大量应用后，一座办公楼、一所学校、一个仓库往往拥有数十台以至数百台计算机。
实现它们互连的局部网随即兴起，进一步推动了计算机应用系统从集中式系统向分布式系统的发展。
在电子管计算机时期，一些计算机配置了汇编语言和子程序库，科学计算用的高级语言 FORTRAN 初露头角。
在晶体管计算机阶段，事务处理的 COBOL 语言、科学计算机用的 ALGOL 语言，和符号处理用的 LISP 等高级语言开始进入实用阶段。
操作系统初步成型，使计算机的使用方式由手工操作改变为自动作业管理。
半导体芯片发展历程
半导体芯片发展历程
半导体芯片的发展历程可以追溯到20世纪中叶。
在1947年，
贝尔实验室的研究人员发明了第一块晶体管，这标志着半导体技术
的开端。
在接下来的几十年里，半导体芯片经历了许多重要的发展
阶段。
1958年，杰克·基尔比和罗伯特·诺伊斯在德州仪器公司（TI）成功制造出了第一块集成电路芯片，这标志着集成电路技术的诞生。
随后，集成电路的尺寸不断缩小，集成度不断提高，功能不断增强，从单片集成电路到大规模集成电路再到超大规模集成电路，半导体
芯片的发展经历了快速的进步。
20世纪80年代，随着计算机和通信技术的迅速发展，半导体
芯片的应用领域不断扩大，从个人电脑到移动通信设备再到各种智
能电子产品，半导体芯片已经成为现代科技发展的核心。
21世纪以来，随着物联网、人工智能、大数据等新兴技术的兴起，对半导体芯片的需求更加迫切，半导体行业也在不断创新，推
动芯片技术的发展。
例如，三维芯片、量子芯片等新型芯片技术的
研发和应用，为半导体行业带来了新的发展机遇。
总的来说，半导体芯片经历了从晶体管到集成电路再到超大规模集成电路的发展历程，其在电子科技、计算机、通信等领域的广泛应用，推动了现代科技的迅猛发展。
未来，随着新技术的不断涌现，半导体芯片仍将继续发挥着重要的作用，推动着人类社会的进步和发展。
电子产品的发展史从电子管到集成电路
电子产品的发展史从电子管到集成电路电子产品的发展史：从电子管到集成电路电子产品的发展已经成为现代科技领域中的一项重要成就，影响并改变了人们的生活方式。
从最早的电子管发展到如今的集成电路，这一进程经历了多年的探索、发展和创新。
1. 电子管时代电子管作为最早的电子元件，是电子产品发展的起点。
20世纪早期，电子管被广泛应用于通信、广播和计算机等领域。
电子管的工作原理是通过控制电子的流动来转换、放大和处理电信号。
然而，电子管体积庞大、功耗高、易损坏等缺点限制了电子产品的进一步发展。
2. 晶体管的诞生20世纪40年代，晶体管的发明成为电子技术发展的重大突破。
晶体管的尺寸远小于电子管，具有更高的工作效率和可靠性。
由于晶体管的出现，电子产品开始迈向小型化、高性能和可靠性更强的方向。
晶体管广泛应用于收音机、电视机、计算机等消费电子产品，并为科技领域的进一步发展奠定了基础。
3. 集成电路的兴起集成电路的发明极大地推动了电子产品的发展。
集成电路将数百个晶体管以及其他元件集成在一块硅片上，实现了更高的集成化程度。
与晶体管相比，集成电路具有更小的体积、更低的功耗和更高的性能。
1961年，第一块集成电路问世，开启了新的电子产品时代。
从此以后，集成电路广泛应用于计算机、手机、摄影器材等领域，给人们的生活带来了巨大的变革。
4. 近年的发展和前景展望随着科技的不断进步，电子产品的发展也在持续迭代升级。
如今，我们已经进入了纳米级集成电路时代，芯片的集成度不断提高，性能越来越强大。
同时，新的材料、技术和设计理念也不断涌现，为电子产品的发展提供了更多的可能性。
未来，电子产品有望实现更高的人工智能智能化、更高的能效和更舒适的交互体验。
例如，可穿戴设备、智能家居和无人机等产品正在迅速发展。
同时，人们对虚拟现实、增强现实和物联网等领域的期望也越来越高。
总结起来，电子产品的发展从电子管到集成电路经历了漫长的历史进程。
通过不断的创新和技术突破，电子产品实现了小型化、高性能和智能化等方面的提升，极大地改变了我们的生活和工作方式。
晶体管和集成电路的成长史
晶体管和集成电路的成长史
1.晶体管的发明与应用
晶体管是一种半导体设备，它能够在电子器件中转换和放大电信号。
于1947年由肖克利在皮尔斯实验室首次发明，并应用于电子电路中。
晶体管相较于真空管有诸多优点，如尺寸小、功耗低、发热更少等，而被广泛使用于电视机、音响、电脑、手机等电子产品中。
2.集成电路的发明与进展
早在1958年，芯片就在美国德克萨斯仪器公司被发明。
集成电路是一种将数千到数百万的电子器件集成到一个小芯片上的技术。
这种技术让电子器件的尺寸缩小，并使得电路强度和速度得到了极大的提高。
1961年的美国电子展上，第一部商业化的集成电路问世，其数字逻辑门电路有3个晶体管和2个二极管构成，并且仅仅只有“M”那么小。
集成电路因为是电子器件的集合所以还被描述为“电子计算机”或“电子集成”。
3.晶体管和集成电路的关系
晶体管是集成电路的核心。
晶体管的出现与发展使得集成电路得以应用。
早期的集成电路都是很简单的晶体管或者管阵列，后来为了经济和生产方便，人们发明了单片集成电路，它可以包含几个或几十个晶体管和其它电子器件，完成更复杂的功能。
集成电路不断发展，出现了SEM、DRAM、CMOS等芯片技术，并被广泛应用于电脑、手机、摄像机等技术领域中。
4.结语
随着科技的不断进步，晶体管和集成电路的技术也在快速发展。
从早期的所谓“电子计算机”到现在的手持智能手机，晶体管和集成
电路都扮演着重要且不可替代的角色。
随着集成电路设计的不断深化，人们对它的依赖性也越来越高，我们可以期待着在未来的发展中，集
成电路将在越来越多的领域中发挥重大的作用。
半导体技术的发展历程
半导体技术的发展历程随着科技的不断进步，半导体技术在当今的信息时代扮演着重要的角色。
从最早的晶体管到如今的集成电路，半导体技术经历了一个漫长而辉煌的发展历程。
本文将从半导体的起源开始，梳理出半导体技术的发展脉络。
20世纪初，半导体技术的雏形开始显露出来。
当时，人们对电子运动的研究已经取得了一定的成果，而半导体材料的特殊性质引起了科学家们的兴趣。
1904年，德国物理学家赫尔曼·冯·辛诺发现了半导体材料的电导率与温度之间的关系，为后来的半导体研究奠定了基础。
1926年，美国物理学家朱利安·赫尔茨发现了硅晶体的半导体性质，并提出了半导体理论。
这一发现引发了人们对半导体材料的深入研究。
然而，在当时，由于材料制备和加工工艺的限制，半导体技术的应用范围非常有限。
直到1947年，贝尔实验室的威廉·肖克利和沃尔特·布拉顿偶然发现了晶体管效应，半导体技术才真正进入了实用化阶段。
晶体管的发明使得电子设备的体积大大减小，性能得到了极大的提升。
这一发现被誉为电子技术史上的重大突破，也为半导体技术的快速发展奠定了基础。
20世纪50年代，半导体技术开始进入了集成电路时代。
1958年，杰克·基尔比发明了第一块集成电路，将多个晶体管集成在一块芯片上。
这一突破彻底改变了电子设备的制造方式，使得电子产品的性能提升和体积缩小成为可能。
随后的几十年间，半导体技术不断取得突破。
1960年代，人们开始尝试使用光刻技术制造集成电路，从而提高了电路的复杂度和可靠性。
1971年，英特尔公司推出了第一款微处理器，开创了个人电脑时代。
微处理器的问世将计算能力集成到了一个芯片上，为电子产品的普及奠定了基础。
20世纪80年代和90年代，半导体技术迎来了飞速发展。
制程工艺的不断进步使得集成电路的集成度越来越高，功耗和体积也得到了大幅度的降低。
此外，半导体材料的研究也取得了重要进展，如硅基光电子技术和新型半导体材料的应用，进一步拓宽了半导体技术的应用领域。
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一切尽在掌握之中
——从晶体管到集成电路
他们的故事已经成为传说，激励着一代又一代的工程师和掘金者。
他们是半导体产业历史上最伟大的三位发明家，他们和众多天才的科学家一起，开创半导体产业历史上激动人
心的“发明时代”。
他们是集成电路之父，他们是硅谷的开创者，他们改变了我们的世界。
如今，他们已经全部远去，然而，他们创造的半导体产业，年产值已经超过2100亿美元，并且仍在他们开辟的大路上高速前进，为这个世界带来日新月异的变化。
1947年12月23日，在贝尔实验室科学家肖克莱、巴丁和布拉顿组成的研究小组证明了20世纪最重要的发明：第一只真正的晶体管,从此人类步入了飞速发展的电子时代。
在20世纪最初的10年，半
集成电路工艺突飞猛进
一朵绚丽多彩的奇葩 ——科技导航
晶体管的横空出世
晶体管的问世，是20世纪的一项重大发明，是微电子革命的先声。
晶体管出现后，人们就能用一个小巧的、消耗功率
导体材料已经开始在通信系统应用。
20世纪上半叶，在无线电爱好者中广泛流行的矿石收音收，就采用矿石这种半导体材料进行检波。
同时，半导体的电学特性也在电话系统中得到了应用。
晶体管的发明，最早可以追溯到1929年，当时工程师利莲费尔德就已经取得一种晶体管的专利。
但是，限于当时的技术水平，制造这种器件的材料达不到足够的纯度，而使这种晶体管无法制造出来。
基于电子管处理高频信号的效果不理想，人们就想办法改进矿石收音机中所用的矿石触须式检波器。
在这种检波器里，有一根与半导体矿石表面相接触的金属丝，它既能让信号电流沿一个方向流动，又能阻止信号电流朝相反方向流动。
在第二次世界大战爆发前夕，贝尔实验室在寻找比早期使用的方铅矿晶体性能更好的检波材料时，发现掺有某种极微量杂质的锗晶体的性能不仅优于矿石晶体，而且在某些方面比电子管整流器还要好。
在第二次世界大战期间，不少实验室在有关硅和锗材料的制造和理论研究方面，也取得了不少成绩，这就为晶体管的发明奠定了基础。
第二次世界大战结束后，为了克服电子管的局限性，贝尔实验室加紧了对固体电子器件的基础研究。
肖克莱等人探讨用半导体材料制作放大器件的可能性，决定集中研究锗、硅等半导体材料。
1945年秋天，贝尔实验室正式成立了以肖克莱为首的半导体研究小组，成员有布拉顿、
巴丁(左)， 肖克利 (坐)和布拉顿共同发明了晶体管
晶体管的发展变迁
巴丁等人。
其中，布拉顿早在1929年就开始在这个实验室工作，长期从事半导体的研究，积累了丰富的经验。
他们经过一系列的实验和观察，逐步认识到半导体中电流放大效应产生的原因。
在锗片的底面接上电极，在另一面插上细针并通上电流，然后让另一根细针尽量靠近它，并通上微弱的电流，这样就会使原来的电流产生很大的变化。
微弱电流少量的变化，会对另外的电流产生很大的影响，这就是“放大”作用。
布拉顿等人还想出有效的办法来实现这种放大效应。
他们在基极和发射极之间输入一个弱信号，在基极和集电极之间的输出端，就放大为一个强信号了。
在现代电子产品中，上述晶体三极管的放大效应得到广泛的应用。
巴丁和布拉顿最初制成的固体器件的放大倍数为50左右。
不久之后，他们利用两个靠得很近(相距0.05毫米)的触须接点，来代替金箔接点，制造了“点接触型晶体管”。
1947年12月，这个世界上最早的实用半导体器件终于问世了，在首次试验时，它能把音频信号放大100倍，它的外形比火柴棍短，但要粗一些。
在为这种器件命名时，布拉顿想到它的电阻变换特性，即它是靠一种从“低电阻输入”到“高电阻输出”的转移电流来工作的，于是取名为trans-resister(转换电阻)，后来缩写为transistor ，中文译名就是晶体管。
点接触型晶体管有自己的缺点，它
存在噪声大、在功率大时难于控制、适用范围窄，另外制造工艺复杂，致使许多产品出现故障等缺点。
为了克服以上缺点，肖克莱提出了用一种"整流结"来代替金属半导体接点的大胆设想。
知识库——
什么是电子管
电子管是一种在气密性封闭容器（一般为玻璃管）中产生电流传导，利用电场对真空中的电子流的作用以获得信号放大或振荡的电子器件。
早期应用于电视机、
贝尔实验室在1947年组装的第一个真正的晶体管
终于在1950年，第一只“面结型晶体管”问世了。
它的性能与原来设想的完全一致。
1956年，因发明晶体管，肖克莱、巴丁、布拉顿三人同时荣获诺贝尔物理学奖。
今天的晶体管，大部分仍是这种面结型晶体管。
1955年“晶体管之父”肖克利离开贝尔实验室返回故乡圣克拉拉，创建了“肖克利半导体实验室”。
第二年，八位年轻的科学家从美国东部相继来到硅谷，加盟肖克利实验室。
他
们是：诺依斯、摩尔、布兰克、克莱尔、赫尔尼、拉斯特、罗伯茨和格里尼克。
他们的年龄都在30岁以下，风华正茂，学有所成，都正处在创造能力的巅峰。
可惜，肖克利是天才的科学家，却对管理一窍不通。
一年之中，实验室没有研制出任何像样的产品。
八位青年瞒着肖克利开始计划出走。
在诺依斯带领下，他们向肖克利递交了辞职书。
肖克利怒不可遏地骂他们是“八叛逆”。
不过，后来就连肖克利本人也改口把他们
诺依斯（N. Noyce ）共同从晶体管之父肖克利的实验室出走，这就是历史上著名的“八天才叛逆”，从此，才有了我们熟悉的intel ，AMD ，IDT 等等一大批我们熟知的企业。
轶闻趣事——天才与废物
称为“八个天才的叛逆”。
在硅谷许多著作书刊中，“八叛逆”的照片与惠普的车库照片属于同一级别，具有同样的历史价值。
2000的诺贝尔物理学奖得主杰克·基尔比先生是集成电路的发明者、手持计算器的发
明人之一。
他的发明奠定了现代微电子技术的基础，可以说如果没有集成电路的发明，就不会有今天的计算机，人类还将在信息时代的门外徘徊。
我们生活中所能见到的各种电子，几乎无一例外都是建立在集成电路技术基础上的。
经过多次面试之后，杰克·基尔比聘用到德州仪器公司。
公司并没有对杰克·基尔比的工作职责进行具体划分。
在德州仪器公司工作后不久杰克·基尔比就开始意识到，由于公司制造电阻器、晶体管和电容器，如果对其产品进行重新组装可能会生产出更有效的微型模块产品。
因此，杰克·基尔比设计了一个使用管状部件的IF 放大器，而且做出了原型。
杰克·基尔比利用员工周末和工厂停工的前几天完成了详细的成本分析。
杰克·基尔比对IF 放大器的试验效果进行认真思考。
通过进行成本
第一块集成电路板
集成电路的发明
集成电路的第一位发明者，他的发明改变了世界
——历史趣闻
一项同时的发明
1966年，基尔比和诺依斯同时被授予美国科技人员最渴望获得的巴兰丁奖章。
基尔比被誉为“第一块集成
分析，杰克·基尔比第一次更清楚的了解到半导体车间的成本结构。
数字很高——非常高。
杰克·基尔比觉得如果他不能尽快地想出一个好的办法，那么在假期结束后，就有可能会分配他比去做微型模块项目提案的工作。
在心情万分沮丧的时候，杰克·基尔比开始感觉到，半导体车间
唯一可以以高成本效益方式制造的产品就是半导体。
经过进一步思考，他得出这样的结论，真正需要的实际上就是半导体——电阻器和电容器，于是杰克·基尔比很快起草了一个使用这些部件的触发器的设计提案。
具体说来，可以用与有源设备相同的材料来制造。
用硅的体效应来提供电阻器，而电容器则通过p －n 结来提供。
杰克·基尔比很快就完成了这些草图，并用非连续硅元素制造了一条电路，其中使用了打包的成熟结晶体管。
电阻器是通过在硅上凿出小条并蚀刻上值后做出来的。
电容器是在散布式硅功率电容器晶片上凿出来并用金属处理两侧。
整个电路组装完成，并于1958年8月28日向公司进行了演示。
我们可以说微芯片是历史上最
重大的发明之一，它为无数的其它发明铺平了道路。
在过去的40年里，杰克·基尔比已经看到他的发明改变了世界。
杰克·基尔比是为数不多的几个人之一，他可以环顾世界并对自己说：“我改变了世界”。
改变世界的集成电路
——点击
1959年2月6日， 基尔比向美国专利局申报专利，这种由半导体元件构成的微型固体组合件，从此
链接：神奇的摩尔定律
到了1964年，仙童公司“八叛
逆”之一的摩尔博士，以三页纸的短
小篇幅，发表了一个奇特的理论。
摩
尔天才地预言说道，集成电路上能被
集成的晶体管数目，将会以每18个
月翻一番的速度稳定增长，并在今后
摩尔以“摩尔定律”而闻名
数十年内保持着这种势头。
摩尔的这
个预言，因集成电路芯片后来的发展曲线得以证实，并在较长时期保持着有效性，被人誉为“摩尔定律”。
事实证明，摩尔的预言是准确的。
尽管这一技术进步的周期已经从最初预测的12个月延长到如今的近18个月，但“摩尔定律”依然有效。
目前最先进的集成电路已含有17亿个晶体管。
至此而后，集成电路迅速把电脑推上高速成长的快车道。