第1章 导论

1.1 集成电路的发展历史

1.1.1 世界上第一个集成电路

集成电路（Integrated Circuit，IC）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、取款机等，数不胜数。除此之外，在航空航天、医疗卫生、交通运输、武器装备等许多领域，几乎都离不开IC的应用。在当今这个信息化的社会中，IC已经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，它都起着不可替代的作用。所谓IC是指通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻器、电容器等无源元件，按照一定的电路互连，“集成”在半导体（如硅或砷化镓等化合物）晶片上，然后封装在一个外壳内，从而执行特定功能的电路或系统。从外观上看，它已成为一个不可分割的完整器件，IC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仪器仪表及电视机、录像机等电子设备中。

最初，电子设备的核心部件是电子管，电子管控制电子在真空中的运动。1879年，美国发明家托马斯·阿尔瓦·爱迪生（Thomas A.Edison）点亮了第一只有实用价值的电灯。1880年1月27日，爱迪生申报了发明电灯的专利。1904年，英国发明家约翰·安布罗斯·弗莱明（J.A.Flemimg）在研究“爱迪生效应”的基础上，在只有灯丝的“灯泡”里加了一块金属板（阳极），发明了真空二极管并取得专利。此后，真空二极管在无线电技术中被用于检波和整流。

1907年，美国发明家德·福雷斯特·李（De F.Lee）在二极管中加入了一个格栅，制造出第一个真空电子三极管。三极管集“放大”“检波”和“振荡”功能于一身，这使得它成为无线电发射机和接收机的核心部件。在1918年，美国一年内就制造了100多万个电子管，这已经是第一次世界大战（1914～1918年）前的50多倍。在20世纪50年代中期，家用收音机均由电子管构成。

1946年，美国宾夕法尼亚大学研发了世界上第一台电子数字积分计算机（Electronic Numerical Integrator and Computer，ENIAC）。冯·诺依曼（Von Neu-mann）是该研发团队成员之一。ENIAC占地面积约170mm2，质量达30t，功耗为150kW，包含了17468个电子管；每秒可执行5000次加法运算或400次乘法运算，计算速度是继电器计算机的10倍、手工计算的20万倍。

电子管的主要缺点是加热灯丝需耗费时间，延长了工作的起动过程；同时灯丝发出的热量必须时时排出，且灯丝寿命较短。以ENIAC为例，几乎每15min就可能烧掉一个电子管，导致整台计算机停止运转；而至少还要花费15min以上的时间，才能在17468个电子管中寻找出损毁的那一个。因此，ENIAC的平均无故障工作时间仅为7min。为此，人们迫切希望一种不需要预热灯丝的、耗能低的、能控制电子在固体中运动的器件来替代电子管。

1946年，美国贝尔实验室成立了由肖克利（Willam B.Shockley）、巴丁（John Bardeen）和布拉顿（Walter H.Brattain）组成的固体物理学研究小组（见图1.1）。1947年12月16日，布拉顿和巴丁点接触型锗晶体管实验成功，这是世界上第一个晶体管，如图1.2所示。初步测试的结果显示，该器件的电压增益为100，上限频率可达10000 Hz。

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，于是将其取名为Trans-resister（转换电阻），后来缩写为Transistor。

1948年，肖克利提出了PN结型晶体管的理论，并于1950年与斯帕克斯（Morgan Sparks）和戈登·蒂尔（Gordon Teal）一起成功研制出锗NPN晶体管。晶体管的发明开创了微电子学科的先河。晶体管与电子管相比，其优点是寿命长、耗电少、体积小、无须预热、耐冲击和耐振动，因此很快得到市场的青睐。1953年，助听器作为第一个采用晶体管的商业化设备投入市场。

1954年，第一台晶体管收音机Reg-eney TR1投入市场，仅包含4个锗晶体管。到1959年，在售出的1000万台收音机中，已有一半使用了晶体管。1954年1月，贝尔实验室使用684个晶体管组装了世界上第一台晶体管数字计算机（Transistor Digital Computer，TRADIC）。

1957年，IBM开始销售使用了3000个锗晶体管的608计算机，这是世界上第一种投入商用的计算机。与使用电子管的计算机相比，IBM 608计算机的功耗要低90%，它的时钟频率是100kHz，支持9条指令，两个9位BCD数的平均乘法运算时间仅为11ms，质量约为1t。

虽然IBM的608晶体管计算机的质量仅为ENIAC的1/30，但1t的质量限制了它的应用场景。20世纪60年代初，诞生了一台能够进行四则运算、乘方、开方的计算器，其质量和一台21in[1]CRT电视机相当，体积也远远超过算盘和计算尺。

为此，美国国家标准局（NBS）以及美国空军和海军都致力于电子装备小型化的研究与开发工作。在美国进行电子装备小型化的发展过程中，主要有三个方面的工作：①陆军支持信号公司从事微型模块的工作，在已有陶瓷基片上进行元器件的小型化和集成；②海军重点支持薄膜技术；③空军支持称为“分子电子学”的集成工作。

1952年，英国科学家达默（G.W.A.Dummer）在英国皇家信号和雷达机构（Royal Signal & Radar Establishment）的一次电子元器件会议上，首先提出并描述了集成电路的概念。他说：“随着晶体管的出现和对半导体的全面研究，现在似乎可以想象，未来电子设备是一种没有连接线的固体组件。”虽然达默的设想当时并未付诸实施，但是他为人们的深入研究指明了方向。

1958年，在德州仪器（Texas Instruments，TI）负责电子装备小型化工作的基尔比（Jack Kilby）提出了集成电路的设想：“由于电容器、电阻器、晶体管等所有部件都可以用一种材料制造，我想可以先在一块半导体材料上将它们做出来，然后进行互连而形成一个完整的电路。”1958年9月12日和9月19日，基尔比分别完成了移相振荡器和触发器的制造和演示，标志了集成电路的诞生（由于当时TI的生产条件限制，基尔比的集成电路是由锗晶体管构成的）。1959年5月6日，TI公司为此申请了小型化的电子电路专利（专利号为No.3138744，批准日期为1964年6月23日）。基尔比和第一个集成电路专利如图1.3所示[1]。

在TI公司申请了集成电路发明专利的5个月以后，仙童公司（Fairchild Co.）的诺伊斯（Robert N.Noyce）申请了基于硅平面工艺的集成电路专利（专利号为No.2981877，批准日期为1961年4月25日）。诺伊斯和平面集成电路专利如图1.4所示。诺伊斯的发明更适合集成电路的大批量生产。

2000年，基尔比被授予诺贝尔物理学奖。诺贝尔奖评审委员会曾评价基尔比“为现代信息技术奠定了基础”。遗憾的是，诺贝尔奖不颁给已故之人，而诺伊斯于1990年6月3日辞世，因此未能获此殊荣。

当我们看到第一枚集成电路样品时，我们会对它的简陋与粗糙感到惊讶，但其中蕴含的博大精深的智慧却永远值得我们深思。