什么是集成电路
文章目录
- Q1: 请简述什么是集成电路？
- Q2: 积分电路为何主要以半导体材料硅作为其载波？
- Q3: 集成电路的发展趋势主要有哪些？
Q1: 什么是集成电路？
集成电路是一种微型的电子部件，在特定工艺指导下将晶体管、电容、电阻、电感等电子元件以及布线整合在同一片硅芯片上 ，最终实现了预期的电路功能表现 。
英文integrated circuit简称IC即为我们常说的芯片 。
生活大爆炸里Sheldon给Penny讲解物理学时开场就是"what is physics"就在那个遥远的古希腊起点开启我们这趟旅行叭叭叭……从源头入手有助于理解发展方向应用方向因此在此补充集成电路发展史的部分 。
总体来说经历了电子管晶体管集成电路超大规模集成电路这几个发展阶段 。
1906年世界上第一个电子管诞生它是最早期的电信号放大器件产生于气密性封闭容器如玻璃管中基于电场作用于真空中的电子流以实现信号传递或振荡 。
如下图所示电子管虽然体积较大能耗较高发热严重寿命较短制造工艺复杂易损坏但具备高强度高频率负载能力强等特点因此后来被晶体管取代 。但因其中低噪声稳定性好等特性仍被应用于高保真音响器材中的音频功率放大模块 。
1918年左右逐渐发现了半导体材料，并随后发现了半导体材料所具有的光敏特性，在此基础之上建立了能带理论研究半导体现象。
随着对半导体研究的深入发展，在能够利用半导体材料作为放大器件的可能性上不断尝试后，在1947年晶体管问世了。
晶体管（transistor）则特指以4价半导体硅为基础制作而成的一体化电子元件。它具备检波、整流等功能，并可实现开关调节、稳压维持以及信号调制等多种操作。
相比传统电子管来说，
晶体管不仅寿命长且耗能极少，
其体积仅为传统电子元件的十分之一至百分之一，
具有可靠性能和经济优势，
因此被广泛应用于各个领域。
此外，
晶体管相较于传统的二极管而言，
能够将元器件集成在一个空间内，
从而提高了电路布局效率
并推动了集成电路技术的发展。
通常情况下人们所指代的就是三极管这一具体类型。
其中
开关功能就是通过控制输入电压来调节输出电流。
具体而言，
当输入电压处于阈值以上时，
晶体管导通；
当输入电压低于阈值时，
则处于截止状态。
这种基于电信号控制的方式使得开关速度远超机械开关的速度限制。
而
放大功能则是指将小幅度输入信号转换为大幅度输出信号的能力
通过这一特性使得微弱的信息能够被有效放大并传递出去。
可以说
晶体管的出现不仅弥补了传统电子 tube 的不足，
更重要的是开创了一种全新的电路集成方式
这种创新使得工程师无需再像过去那样繁琐地连接各种独立元器件而是能够轻松地将多个组件集成到一个芯片中从而实现了小型化高密度电路设计的概念。
这种设计理念后来演变为现代集成电路技术的基础框架
推动了整个微电子产业的发展进程
为了主要目的是为了防止集成电路因外界力量或环境因素而遭受破坏——开发出了集成电路芯片封装技术。随着电子技术的不断发展以及工艺流程的不断进步，在同一个硅片上集成的晶体管数量最初逐渐增多。1988年时就推出了16Mb DRAM这一重要产品，在面积为1平方厘米的硅片上集成达到了3.5百万个晶体管之多，并标志着进入了超大规模集成电路（Very Large Scale Integration Circuit, VLSI）的新时代。集成电路的应用领域极为广泛，在计算机、通信设备以及医疗器械等领域均有显著应用。我们观察到，在生活中人们使用的电子设备越来越小化与便携化的同时也不断在推动着集成电路持续发展（当然还有其他技术进步的因素）。
Q2: 为什么集成电路的载体以半导体材料硅为主？
其本质即为衬底材料。从原理上讲，在电路设计中存在两种极端情况：一种是能够持续传导电流的导体；另一种则是完全无法传导电流的绝缘体；这两种特性在实际应用中往往需要严格区分并加以选择。集成电路则基于明确的功能需求以及内在逻辑联系进行设计；其核心特征在于能够将输入信号按照预设程序进行处理与变换。要实现这种复杂的功能关系，则必须选用具备控制能力的半导体材料作为基础支撑层；例如上文提到的功能模块（开关和放大）均依赖于这一特性得以实现。芯片则以半导体材料作为基础支撑层，并在其内部嵌入掺杂的金属离子；同时将各 semiconductor 元件通过 metal conductive lines 相互连接起来形成完整的电路网络。这整个过程类似于建筑结构中的砖石与水泥相连：半导体材料相当于砖石（基本构建单元），而 metal conductors 则是水泥（连接和传输介质）。
在 semiconductor 材料的选择上具有显著优势的是硅（Si）元素：因其价格低廉且数量充足使其成为 most 常用的选择；相比之下锗（Ge）虽然在某些特定领域仍发挥重要作用例如 night vision 应用但它由于资源稀缺且价格昂贵限制了大规模应用范围
Q3: 集成电路的发展方向？
简单概括，就是尺寸小，成本低，可靠性高，系统化 。
器件尺寸再往小了做（尺寸的发展方向遵循摩尔定律，之后再展开讲）。改进工艺技术，降低生产成本，提高产品良率。从设计的角度，如何使集成电路更耐用，可使用年限更长，更耐高温等。
系统化就是集成电路的功能越来越强，从最初的单一功能，例如加法乘法，到近现代复杂功能，可以承载一个电子系统。最初是嵌入式系统(Embedded System)，就是完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的系统，例如微波炉、洗衣机。到现在有片上系统，又称系统级芯片(Systen On Chip, SOC)，可在单一芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和输入输出等功能，将数字电路、存储器、MPU(微处理器)、MCU(微控制单元)、DSP(数字信号处理)等集成在一块芯片，实现完整的系统功能，如果说中央处理器(CPU)是大脑，那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。可以理解为微缩型电脑。
Tip: 提示：在学习的过程中，在遇到中文教材中的专业术语并带有英文字母标识时，请及时记录其英文名称与缩写形式。由于半导体行业的工作中占据主导地位的是以英文字母为主的关键词。通过这种专注的学习方式能够显著提升个人的专业素养。为了提高效率和适应能力，在日常工作中要注意积累相关领域的最新发展动态。