集成電路的背景

集成電路,通常稱為 IC,是電子電路和組件的微觀陣列,已擴散或植入到半導體材料(如硅)的單晶或芯片的表面上。之所以稱為集成電路,是因為元件、電路和基礎材料都由一塊硅制成或集成在一起,而不是分立電路,其中元件由不同的材料分開制成,然后再組裝. IC 的復雜程度不一,從簡單的邏輯模塊和放大器到包含數百萬個元件的完整微型計算機。

集成電路對我們生活的影響是巨大的。IC已經成為幾乎所有電子設備的主要部件。與之前的真空管和晶體管相比,這些微型電路已經證明了低成本、高可靠性、低功率要求和高處理速度。集成電路微型計算機現在用作設備的控制器,例如機床、車輛操作系統以及以前使用液壓、氣動或機械控制的其他應用。由于 IC 微型計算機比以前的控制機制更小、更通用,它們允許設備響應更廣泛的輸入并產生更廣泛的輸出。它們也可以重新編程而無需重新設計控制電路。集成電路微型計算機非常便宜,甚至可以在兒童電子玩具中找到。

1959 年 IC 發明后,可以集成到單個芯片中的元件和電路的數量在幾年內每年都增加一倍。第一個集成電路僅包含多達十幾個組件。生產這些早期 IC 的過程被稱為小規模集成或 SSI。到 1960 年代中期,中等規模的集成公司 MSI 生產了具有數百個組件的 IC。緊隨其后的是大規模集成技術(LSI),它生產具有數千個組件的 IC,并使第一臺微型計算機成為可能。

集成電路元件是如何形成的?

在集成電路中,電阻器、電容器、二極管和晶體管等電子元件直接形成在硅晶體的表面上。如果首先了解這些組件是如何形成的一些基礎知識,那么制造集成電路的過程將更有意義。

甚至在開發出第一個 IC 之前,人們就知道可以用硅制造常見的電子元件。問題是如何用同一塊硅制造它們和連接電路?解決方案是通過添加其他稱為摻雜劑的化學物質來改變或摻雜硅晶體表面微小區域的化學成分。一些摻雜劑與硅結合以產生摻雜劑原子具有可以放棄的一個電子的區域。這些被稱為 N 個區域。其他摻雜劑與硅結合以產生摻雜劑原子有空間容納一個電子的區域。這些被稱為 P 區。當 P 區與 N 區接觸時,它們之間的邊界稱為 PN 結。這個邊界只有 0.000004 英寸(0.0001 厘米)寬,

在 PN 結內,兩個區域的原子以這樣一種方式結合,以創建第三個區域,稱為耗盡區,其中 P 摻雜劑原子捕獲所有 N 摻雜劑額外電子,從而耗盡它們。導致的現象之一是,施加到 P 區的正電壓會導致電流通過結流入 N 區,但施加到 N 區的類似正電壓將導致很少或沒有電流流過結回到 P 區。PN 結根據施加電壓的哪一側進行導電或絕緣的能力可用于形成集成電路組件,以與二極管和晶體管相同的方式引導和控制電流流動。一個二極管,例如,只是一個單一的 PN 結。通過改變摻雜劑的數量和類型,改變P區和N區的形狀和相對位置,也可以形成模擬電阻和電容功能的集成電路元件。

設計與原料

一些集成電路可以被認為是標準的、現成的項目。設計完成后,無需進一步的設計工作。標準 IC 的示例包括電壓調節器、放大器、模擬開關和模數或數模轉換器。這些 IC 通常出售給其他公司,這些公司將它們集成到各種電子產品的印刷電路板中。

其他集成電路是獨一無二的,需要大量的設計工作。一個例子是用于計算機的新型微處理器。這項設計工作可能需要研發新材料和新制造技術才能實現最終設計。

純硅是大多數集成電路的基礎。它為整個芯片提供基礎或襯底,并進行化學摻雜以提供構成集成電路組件的 N 和 P 區域。硅必須非常純凈,以至于每 100 億個原子中只有一個可以是雜質。這相當于十桶沙子中的一粒糖。二氧化硅在 IC 電容器中用作絕緣體和介電材料。

典型的 N 型摻雜劑包括磷和砷。硼和鎵是典型的 P 型摻雜劑。鋁通常用作各種 IC 組件之間的連接器。從集成電路芯片到其安裝封裝的細線引線可以是鋁或金。安裝封裝本身可以由陶瓷或塑料材料制成。

集成電路的未來發展

很難確定集成電路的未來會怎樣。自該設備發明以來,技術的變化是迅速的,但也是不斷進化的。芯片上的架構或電路布局發生了許多變化,但集成電路仍然是基于硅的設計。

電子設備進步的下一個重大飛躍,如果要實現這樣的飛躍,可能涉及全新的電路技術。比最好的微處理器更好的設備一直被認為是可能的。例如,人腦處理信息的效率比任何計算機都要高得多,一些未來學家推測下一代處理器電路將是生物的,而不是礦物的。在這一點上,這些事情都是虛構的。目前沒有跡象表明集成電路有任何滅絕的危險。

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