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• • Q1: 什么是集成電路？
  • Q2: 為什么集成電路的載體以半導體材料硅為主？
  • Q3: 集成電路的發展方向？

Q1: 什么是集成電路？

??集成電路是一種微型的電子部件，采用一定的工藝，把一個電路中所需的晶體管、電容、電阻、電感等電子元件及布線，制作在同一小塊硅片材料上，實現一定的電路功能。
??英文integrated circuit，簡稱IC，也就是我們常說的芯片。
??生活大爆炸里Sheldon給Penny講物理學時，開場就是what is physics，就在那遙遠的古希臘，我們的旅行開始了，叭叭叭……從源頭講起，有助于理解發展方向，應用方向，所以這里再簡單補充兩句集成電路的發展史。
??概括來說：電子管->晶體管->集成電路->超大規模集成電路
??1906年，第一個電子管誕生。電子管是一種最早期的電信號放大器件，是在氣密性封閉容器（一般為玻璃管）中產生電流傳導，利用電場對真空中的電子流的作用以獲得信號或振蕩的電子器件。
??如下圖，電子管十分笨重，耗電大，發熱厲害，壽命短，制造工藝復雜，脆弱，移動過程中容易損壞，所以之后會被晶體管替代。但電子管負載能力強，工作頻率高，目前在一些高保真的音響器材中，仍然會使用低噪聲、穩定系數高的電子管作為音頻功率放大器件。

??1918年前后，逐步發現了半導體材料，然后發現半導體材料所具有的光敏特性，建立了能帶理論研究半導體現象。
??隨著對半導體研究的深入，嘗試用半導體材料作為放大器件的可能性，晶體管問世了。晶體管（transistor）泛指一切以半導體材料（通常是硅）為基礎的單一元件。包括各種半導體材料制成的二極管、三極管、場效應管等。 具有檢波、整流、放大、開關、穩壓、信號調制等多種功能。
??晶體管相比電子管，壽命可以長100到1000倍，不像電子管那樣需要加熱燈絲以產生自由電子，用的是通過向4價半導體材料里摻雜3價硼或5價磷的方式產生的電子，消耗電能極少，結實可靠，成本低，效能好，可以大規模生產，廣泛使用，是現代電器最關鍵的元件之一。警惕管體積是電子管的十分之一道百分之一，精密但工序簡單，放熱又小，可以提高元器件的安裝密度，為未來的集成電路奠定基礎。
??通常大家提到的晶體管，多指三極管。
??其中開關的功能，就是能夠基于輸入電壓控制輸出電流。可通過調整輸入電壓值，控制自身是通路還是斷路，來實現開關的作用。因為是通過電信號來控制的，所以開關速度可以非常快，遠高于機械開關。
??放大的功能，簡單說就是輸入小電壓，可以得到大電流。
??晶體管的發明雖然彌補了電子管的不足，但是當時的工程師為了制作和使用電子電路，得親自動手和連接各種分離元件，如晶體管、二極管、電容器等。所以幾根凌亂的電線講五個元器件連接在一起，就形成了歷史上第一個集成電路。這個概念就是之前都是元器件是互相獨立的售賣的，現在變成打包一套組裝好的可以實現一個功能的電路賣，功能模塊化。后續的發展方向就是如何制作加工集成電路，如何集成更多的電路。

??為了使集成電路免受外力或環境因素導致的破壞——發明了集成電路芯片封裝技術。
??隨著電子技術的發展，工藝流程的進步，一個硅片上集成的晶體管原來越多。1988年，16Mb DRAM問世，1平方厘米大小的硅片上集成了3500萬個晶體管，標志著進入超大規模集成電路（Very Large Scale Integration Circuit，VLSI）階段。
??集成電路應用領域十分廣泛，例如計算機、通信、醫療器械、生活中的電子產品等等。例如在生活中看到電腦越做小，手機越來越便攜，就是看出來集成電路在不斷發展（當然還有其他技術進步的原因）。

Q2: 為什么集成電路的載體以半導體材料硅為主？

??其實載體就是襯底。
??首先是為什么選擇半導體？因為導體是一直可以導電 ，絕緣體一直不可以導電，就是單一選擇。集成電路是有功能要求的，是有邏輯關系的。只有半導體可以控制可以作為載體實現這種特性，例如上文提到的開關、放大功能。芯片只是以半導體材料作為襯底，也是有金屬離子摻雜在其中的，半導體之間的互聯線就是金屬導體。就像蓋房子，半導體材料就是磚頭，金屬導體就是水泥。
??半導體材料中為什么主要選擇硅？因為量多又便宜。如果用鍺，稀少又貴，無法大規模使用，也是有應用的，例如夜視儀。

Q3: 集成電路的發展方向？

??簡單概括，就是尺寸小，成本低，可靠性高，系統化。
??器件尺寸再往小了做（尺寸的發展方向遵循摩爾定律，之后再展開講）。改進工藝技術，降低生產成本，提高產品良率。從設計的角度，如何使集成電路更耐用，可使用年限更長，更耐高溫等。
??系統化就是集成電路的功能越來越強，從最初的單一功能，例如加法乘法，到近現代復雜功能，可以承載一個電子系統。最初是嵌入式系統(Embedded System)，就是完全嵌入受控器件內部，為特定應用而設計的系統，例如微波爐、洗衣機。到現在有片上系統，又稱系統級芯片(Systen On Chip, SOC)，可在單一芯片上實現信號采集、轉換、存儲、處理和輸入輸出等功能，將數字電路、存儲器、MPU(微處理器)、MCU(微控制單元)、DSP(數字信號處理)等集成在一塊芯片，實現完整的系統功能，如果說中央處理器(CPU)是大腦，那么SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統。可以理解為微縮型電腦。

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Tip: 在學習過程中，如果是看中文教科書，一些專有名詞標注英文的，注意記一下英文和縮寫。因為半導體行業工作的時候，內部溝通關鍵名詞都是以英文為主，要養成習慣，也有助于將來看相關的前沿論文。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的什么是集成电路的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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