集成電路的背景

集成電路,通常稱為 IC,是電子電路和組件的微觀陣列,已擴(kuò)散或植入到半導(dǎo)體材料(如硅)的單晶或芯片的表面上。之所以稱為集成電路,是因?yàn)樵㈦娐泛突A(chǔ)材料都由一塊硅制成或集成在一起,而不是分立電路,其中元件由不同的材料分開制成,然后再組裝. IC 的復(fù)雜程度不一,從簡(jiǎn)單的邏輯模塊和放大器到包含數(shù)百萬個(gè)元件的完整微型計(jì)算機(jī)。

集成電路對(duì)我們生活的影響是巨大的。IC已經(jīng)成為幾乎所有電子設(shè)備的主要部件。與之前的真空管和晶體管相比,這些微型電路已經(jīng)證明了低成本、高可靠性、低功率要求和高處理速度。集成電路微型計(jì)算機(jī)現(xiàn)在用作設(shè)備的控制器,例如機(jī)床、車輛操作系統(tǒng)以及以前使用液壓、氣動(dòng)或機(jī)械控制的其他應(yīng)用。由于 IC 微型計(jì)算機(jī)比以前的控制機(jī)制更小、更通用,它們?cè)试S設(shè)備響應(yīng)更廣泛的輸入并產(chǎn)生更廣泛的輸出。它們也可以重新編程而無需重新設(shè)計(jì)控制電路。集成電路微型計(jì)算機(jī)非常便宜,甚至可以在兒童電子玩具中找到。

1959 年 IC 發(fā)明后,可以集成到單個(gè)芯片中的元件和電路的數(shù)量在幾年內(nèi)每年都增加一倍。第一個(gè)集成電路僅包含多達(dá)十幾個(gè)組件。生產(chǎn)這些早期 IC 的過程被稱為小規(guī)模集成或 SSI。到 1960 年代中期,中等規(guī)模的集成公司 MSI 生產(chǎn)了具有數(shù)百個(gè)組件的 IC。緊隨其后的是大規(guī)模集成技術(shù)(LSI),它生產(chǎn)具有數(shù)千個(gè)組件的 IC,并使第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)成為可能。

集成電路元件是如何形成的?

在集成電路中,電阻器、電容器、二極管和晶體管等電子元件直接形成在硅晶體的表面上。如果首先了解這些組件是如何形成的一些基礎(chǔ)知識(shí),那么制造集成電路的過程將更有意義。

甚至在開發(fā)出第一個(gè) IC 之前,人們就知道可以用硅制造常見的電子元件。問題是如何用同一塊硅制造它們和連接電路?解決方案是通過添加其他稱為摻雜劑的化學(xué)物質(zhì)來改變或摻雜硅晶體表面微小區(qū)域的化學(xué)成分。一些摻雜劑與硅結(jié)合以產(chǎn)生摻雜劑原子具有可以放棄的一個(gè)電子的區(qū)域。這些被稱為 N 個(gè)區(qū)域。其他摻雜劑與硅結(jié)合以產(chǎn)生摻雜劑原子有空間容納一個(gè)電子的區(qū)域。這些被稱為 P 區(qū)。當(dāng) P 區(qū)與 N 區(qū)接觸時(shí),它們之間的邊界稱為 PN 結(jié)。這個(gè)邊界只有 0.000004 英寸(0.0001 厘米)寬,

在 PN 結(jié)內(nèi),兩個(gè)區(qū)域的原子以這樣一種方式結(jié)合,以創(chuàng)建第三個(gè)區(qū)域,稱為耗盡區(qū),其中 P 摻雜劑原子捕獲所有 N 摻雜劑額外電子,從而耗盡它們。導(dǎo)致的現(xiàn)象之一是,施加到 P 區(qū)的正電壓會(huì)導(dǎo)致電流通過結(jié)流入 N 區(qū),但施加到 N 區(qū)的類似正電壓將導(dǎo)致很少或沒有電流流過結(jié)回到 P 區(qū)。PN 結(jié)根據(jù)施加電壓的哪一側(cè)進(jìn)行導(dǎo)電或絕緣的能力可用于形成集成電路組件,以與二極管和晶體管相同的方式引導(dǎo)和控制電流流動(dòng)。一個(gè)二極管,例如,只是一個(gè)單一的 PN 結(jié)。通過改變摻雜劑的數(shù)量和類型,改變P區(qū)和N區(qū)的形狀和相對(duì)位置,也可以形成模擬電阻和電容功能的集成電路元件。

設(shè)計(jì)與原料

一些集成電路可以被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的、現(xiàn)成的項(xiàng)目。設(shè)計(jì)完成后,無需進(jìn)一步的設(shè)計(jì)工作。標(biāo)準(zhǔn) IC 的示例包括電壓調(diào)節(jié)器、放大器、模擬開關(guān)和模數(shù)或數(shù)模轉(zhuǎn)換器。這些 IC 通常出售給其他公司,這些公司將它們集成到各種電子產(chǎn)品的印刷電路板中。

其他集成電路是獨(dú)一無二的,需要大量的設(shè)計(jì)工作。一個(gè)例子是用于計(jì)算機(jī)的新型微處理器。這項(xiàng)設(shè)計(jì)工作可能需要研發(fā)新材料和新制造技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)最終設(shè)計(jì)。

純硅是大多數(shù)集成電路的基礎(chǔ)。它為整個(gè)芯片提供基礎(chǔ)或襯底,并進(jìn)行化學(xué)摻雜以提供構(gòu)成集成電路組件的 N 和 P 區(qū)域。硅必須非常純凈,以至于每 100 億個(gè)原子中只有一個(gè)可以是雜質(zhì)。這相當(dāng)于十桶沙子中的一粒糖。二氧化硅在 IC 電容器中用作絕緣體和介電材料。

典型的 N 型摻雜劑包括磷和砷。硼和鎵是典型的 P 型摻雜劑。鋁通常用作各種 IC 組件之間的連接器。從集成電路芯片到其安裝封裝的細(xì)線引線可以是鋁或金。安裝封裝本身可以由陶瓷或塑料材料制成。

集成電路的未來發(fā)展

很難確定集成電路的未來會(huì)怎樣。自該設(shè)備發(fā)明以來,技術(shù)的變化是迅速的,但也是不斷進(jìn)化的。芯片上的架構(gòu)或電路布局發(fā)生了許多變化,但集成電路仍然是基于硅的設(shè)計(jì)。

電子設(shè)備進(jìn)步的下一個(gè)重大飛躍,如果要實(shí)現(xiàn)這樣的飛躍,可能涉及全新的電路技術(shù)。比最好的微處理器更好的設(shè)備一直被認(rèn)為是可能的。例如,人腦處理信息的效率比任何計(jì)算機(jī)都要高得多,一些未來學(xué)家推測(cè)下一代處理器電路將是生物的,而不是礦物的。在這一點(diǎn)上,這些事情都是虛構(gòu)的。目前沒有跡象表明集成電路有任何滅絕的危險(xiǎn)。

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