集成电路发展史

集成电路发展史1集成电路发展史姚连军120012009323管理学院09财务管理苏世勇120012009222管理学院09市场营销傅彩芬110012009023法政学院09公共管理类陈凯120012009015管理学院09工商管理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。[1]2集成电路发展及其影响2.1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：16MDRAM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0.25μｍ工艺，奔腾系列芯片的推出让计算机的发展如虎添集成电路发展史2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[7]2.1.2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，仙童公司制造集成电路发展史3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，16MDRAM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0.25μｍ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，集成电路发展史4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]2.2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。[13]3集成电路分类3.1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。集成电路发展史5（图4）模拟电路[14]（图5）数字电路[15]3.2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]3.3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～集成电路发展史61000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。3.4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[19]4集成电路应用领域4.1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。集成电路发展史7（图10）指纹识别鼠标[21]（图11）声控计算机[22]4.2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GPS、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