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  • 更新时间: 2009-04-30
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集成电路发展史 发表评论(0) 编辑词条

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集成电路发展史编辑本段回目录

集成电路发展史(一)—早期发展

 早期发展
    早在1830年,科学家已于实验室展开对半导体的研究。他们最初的研究对像是一些在加热后电阻值会增加的元素和化合物。这些物质有一共同点,当它们被光线照射时,会容许电流单向通过,我们可藉此控制电流的方向,称为光电导效应。在无线电接收器中,负责侦测讯息的整流器,就是一种半导体电子仪器的例子。德国的Ferdinand Braun利用了半导体方铅矿,一种硫化铅化合物的整流特性,创制世上第一台整流侦测器,后世俗称为猫胡子的侦测器。基于半导体的整流特性,我们能在整流侦测器内的金属接触面和半导体间建立起一电势差,令电子在某一方向流动时为“顺流而下”,反之则“逆流而上”。至此,半导体电子仪器起始面世。

(图)晶体管晶体管

    到了1874年,电报机电话无线电相继发明,使电力在日常生活中所扮演的角色,不再单单是能源的一种,而是开始步入了信息传播的领域,成为传播讯息的一种媒介。而电报机、电话以及无线电等早期电子仪器亦造就了一项新兴的工业──电子业的诞生。

(图)整流器整流器


  
    在二十世纪的前半段,电子业的发展一直受到真空管技术的掣肘。真空管顾名思义是抽走了空气的玻璃管,内有阴、阳两极,电子会由阴极流向阳极。为了增加电子的流动,我们将阴极管加热至高温(摄氏数百度计),令电子在阴极受热“跳”出。再加上另外一枝电势比阴极还要略低的电极──控制栅极。我们能借着调整其电势来控制电子流动,以达到控制电流的目标。

(图)电容电容

真空管本身有很多缺点:脆、易碎、体积庞大、不可靠、耗电量大、效率低以及运作时释出大量热能。这些问题,直到1947年贝尔实验室发明了晶体管后才得到解决。晶体管就像固态的真空管,电子由阴极流向阳极(在晶体管中称为电子泉和汲极),电子的流动则由一类似真空管中控制栅极的闸门控制。与真空管相比,晶体管体积细小、可靠、耐用、耗电量少而且效率高。晶体管的出现,令工程师能设计出更多更复杂的电路,这些电路包括了成千上万件不同的组件:晶体管、二极管、整流器和电容。可是,体积细小的电子零件却带来另一个问题:就是需要花费大量时间和金钱以人手焊接把这些组件接驳起,但人手焊接始终不是绝对可靠,令电路中成千上万的焊接点都有机会出现问题。因此,电子业接下来所面对的问题,就是要找出一种既可靠又合乎成本效益的方法以生产和焊接电子零件。

(图)现代常见LED现代常见LED
(图)现代常见二极管现代常见二极管


 

集成电路发展史(二)—集成电路

  集成电路

    正如上文所述,以人手将电子零件焊接成电路是一件十分不化算的工作,美国军方为此而寻求更有效的方法。其中一项计划由U.S. Army Signal Corps赞助,名为Micro-Module program。计划的意念是将所有不同类型的电子零件制成划一的大小和形状,并在生产时加上电线。这样,在组装零件时,便可将大小划一的电阻、电容和晶体管等像砌积木般组装成设计的电路,免去焊接的烦恼。
   Micro-Module program当年由德州仪器承办,1958年,Jack Kilby加入德州仪器,他当时于米尔沃基的中央实验室工作,清楚明白到电子业当前所面对的问题,而且意识到Micro-Module program只是治标不治本(试想像当你设计一个像计算机处理器般复杂的电路时,那个由成千上万电子零件所组成的庞然大物),未能从根本解决将大量电子零件整合成电路时的困难。有见及此,Kilby开始构思他自己的一套解决方案,他认为使用半导体去制作电路板会是一个可行的办法。1958年7月,正当每名德州仪器员工都在享受两星期例假的时候,Kilby独自一人开始将他的半导体集成电路构思付诸实行。Kilby在当时德州仪器新建成的半导体大楼进行研究。直到9月,他成功将一组电路安装在一片半导体上。于同年的9月12日,Kilby邀请了几位德州仪器的高层职员,包括前主席Mark Shepherd,出席他的示范。当时众人眼前所见的是一片银色的锗金属,上面接满电线。当Kilby启动这个看似简陋的装置后,示波器的显示屏上马上出现了一条正弦曲线-一个简单振动电路。Kilby的发明成功了!他将电子业一直以来所面对的问题解决了,电子业从此踏入一个新的领域。Jack Kilby更借着发明半导体集成电路夺得2000年的诺贝尔物理学奖。

(图)Jack Kibly发明的半导体集成电路Jack Kibly发明的半导体集成电路

    1959年,英特尔(Intel)的始创人,Jean Hoerni 和 Robert Noyce,在Fairchild Semiconductor开发出一种崭新的平面科技,令人们能在硅威化表面铺上不同的物料来制作晶体管,与及在连接处铺上一层氧化物作保护。这项技术上的突破取代了以往的人手焊接。而以硅取代锗使集成电路的成本大为下降,令集成电路商品化变得可行。由集成电路制成的电子仪器从此大行其道,到二十世纪60年代末期,接近九成的电子仪器是以集成电路制成。时至今日,每一枚计算机芯片中都含有过百万颗晶体管。

    在Kilby的集成电路面世初期,没有人能想象到这一片微细的芯片能对社会做成多大的冲击。可是,若果没有了集成电路的发明,今时今日许多的电子产品根本没有可能面世。集成电路衍生出整个现代计算机工业,四、五十年代那些动辄用上整个房间的计算机已被现今的桌面计算机、电子手账所淘汰;集成电路亦将通讯科技重新定位,为人与人、公司与公司、国与国之间的通讯提供全新的实时数据传送方法。事实上,若缺少了集成电路,人类今天可能还未能冲出地球去探索太空和登陆月球。集成电路的应用层面已达至教育、运输、生产及娱乐,可谓现今社会不可或缺的一环。

集成电路发展史(三)—未来发展

  未来发展

    自1961年起,世界电子业市场总市值由$29亿增长至今时今日的$957亿。更有报告指出电子业将会是廿一世纪最大的单项工业。电子业的增长有赖更新、更好的科技发展与突破,比如无线通讯、互联网和DNA解碼。

(图)音效芯片 - 集成电路音效芯片 - 集成电路

   在往后的日子,随着半导体科技的发展,更多崭新的电子产品将会陆续面世。可能在不久的将来,你已经可以利用手提电话与远方的亲友进行视像会议;你的妈妈可以在下班回家途中以电话遥控家中的微波炉去制作一顿丰富的晚餐;你的自动导航器为你驾车回家,而你则可利用这段时间为明天的会议稍作准备。在美国,已有公司提供网上电影院服务,你只要安坐家中,以互联网选择想观赏的电影,就可在家中的电视收看。这一切都似是科幻小说的情节,可是我们距离新科技的突破只有一步之遥,或许,新的产品已经进入实验阶段,快要推出市面呢!

    可是,仍有不少问题妨碍集成电路的发展。首先,信息传播的速度最终将取决于电子流动的速度;其次,集成电路运作时所产生的热量亦不容忽视。当大量集成电路组装在一组件时,假若不能及时散热,便会出现电流失控;再者,现时集成电路所根据的原理,均是建基于经典物理学。可是当集成电路的体积日趋细小,终有一日会发展到由量子物理学所管辖的微观世界,届时,我们将要对集成电路的原理作一番重新评估及整顿。


    关于作者:谢国伟教授于ARCS获得理学士学位,于皇家理工学院完成哲学博士学位,其后加入香港浸会大学,研究范围包括:纳米半导体(Nano-dimension Semiconductors),有机及无机冷光物质(Organic and Inorganic Luminescence Materials),以及Wide Band-gap Semiconductors。〕

    参考书目:
    科学人:中文版,2002年9月号,p.44-54,“前途无量的自旋电子”,简述以电子自旋原理制造超微型电子组件或芯片的构想。
    科学人:中文版,2002年7月号,p.27,“微电子科技未来之挑战”,简述微电子科技的发展。
    科学人:中文版,2002年3月号,p.82-89,“微芯片的垂直跃进”,简述芯片科技的新发展方向。
    科学月刊:2002年7月号,“半导体集成电路专辑”,介绍半导体原理、晶体管原理、集成电路的制造过程、集成电路制作中最重要的微影技术、介绍集成电路制作所不可或缺的洁净环境—无尘室。

集成电路50年变迁编辑本段回目录

 1958年,美国德州仪器公司展示了全球第一块集成电路板,这标志着世界从此进入到了集成电路的时代。集成电路具有体积小、重量轻、寿命长和可靠性高等优点,同时成本也相对低廉,便于进行大规模生产。

  在近50年的时间里,集成电路已经广泛应用于工业、军事、通讯和遥控等各个领域。用集成电路来装配电子设备,其装配密度相比晶体管可以提高几十倍至几千倍,设备的稳定工作时间也可以大大提高。

  以下为集成电路50年来的简要发展和应用情况:

(图)第一块集成电路板第一块集成电路板

  1、第一块集成电路板


  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。很明显,这种做法是不切实际的。于是,基尔比提出了集成电路的设计方案。

(图)半导体设备与铅结构模型半导体设备与铅结构模型

  2、半导体设备与铅结构模型

  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。

  3、分子电子计算机

 

(图)分子电子计算机分子电子计算机

 虽然集成电路优点明显,但仍然有很长时间没有在工业部门得到实际应用。相反,它却首先引起了军事及政府部门的兴趣。1961年,德州仪器为美国空军研发出第一个基于集成电路的计算机,即所谓的“分子电子计算机”。美国宇航局也开始对该技术表示了极大兴趣。当时,“阿波罗导航计算机”和“星际监视探测器”都采用了集成电路技术。

  4、集成电路应用于导弹制导系统

(图)集成电路应用于导弹制导系统集成电路应用于导弹制导系统


  1962年,德州仪器为“民兵-I”型和“民兵-II”型导弹制导系统研制22套集成电路。这不仅是集成电路第一次在导弹制导系统中使用,而且是电晶体技术在军事领域的首次运用。到1965年,美国空军已超越美国宇航局,成为世界上最大的集成电路消费者。
 5、戈登-摩尔提出摩尔定律

  英特尔公司的联合创始人之一戈登·摩尔也在集成电路的早期发展进程中扮演着重要的角色。早在1965年,摩尔就曾对集成电路的未来作出预测。他推算,到1975年每块芯片上集成的电子元件数量将达到65000个。而实际上,每过12个月芯片上集成的电子元件数量都会翻一番。这就是现在我们所了解的计算机“摩尔定律”。

(图)戈登-摩尔提出摩尔定律戈登-摩尔提出摩尔定律

  6、“Busicom 141-PF”计算机

(图)“Busicom 141-PF”计算机“Busicom 141-PF”计算机

  在20世纪60年代,计算机通常都是笨重的庞然大物。集成电路的出现改变了计算机这一形象。1969年,英特尔公司为日本计算机公司最新研发的“Busicom 141-PF”计算机设计12块芯片。但英特尔公司的工程师泰德·霍夫等人却根据日本公司的需求提出了另一套设计方案。于是诞生了历史上第一个微处理器--4004。

(图)英特尔4004微处理器英特尔4004微处理器

  7、英特尔4004微处理器

  随着历史的前进,集成电路早已让路于微处理器。英特尔公司的4004微处理器虽然并不是首个商业化的微处理器,但却是第一个在公开市场上出售的计算机元件。据霍夫介绍,4004微处理器的计算能力其实并不输于世界上第一台计算机ENIAC(电子数字积分计算机),但却比ENIAC小得多。ENIAC使用了18000个真空管,占据了整个房间。

  8、“普尔萨”数字手表

(图)“普尔萨”数字手表“普尔萨”数字手表

  继便携式计算器和数字手表之后,集成电路的下一个主要商业应用也许就是“手腕计算机”。“Microma”液晶数字表是应用“系统芯片”技术的首款产品。汉米尔顿公司推出的“普尔萨”是世界上第一只数字手表。1970年,普尔萨刚刚上市时售价为2100美元。

  9、集成电路工艺突飞猛进

(图)集成电路工艺突飞猛进集成电路工艺突飞猛进

  如今,芯片制造商(如英特尔、AMD等公司)生产的芯片上所集成的晶体管数量已达到了空前的水平,而且每个晶体管的体积变得非常微小。比如,一个针尖上可以容纳3000万个45毫微米大小的晶体管。此外,现在的处理器上单个晶体管的价格仅仅是1968年晶体管价格的百万分之一。

参考文献编辑本段回目录

集成电路发展史,作者: 谢国伟 来源:香港浸会大学
http://www.942radio.com/Museum/57311486-747f-4a6e-a728-81475a13df88.html
集成电路50年变迁,作者: 刘妍 来源:新浪科技

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标签: 集成电路大事记

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