集成电路发展史

1、集成电路发展史香港浸会大学物理系谢国伟博士早期发展早在 1830 年，科学家已于实验室展开对半导体的研究。他们最初的研究对象是 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 BraU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。（晶体管）到了 1874 年，电报机、电话和无线电相继发明，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。（整流器）（电容）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

2、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。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。（现代常见二极管

3、）（现代常见 LED）集成电路（Jack Kib发明的半导体集成电路-f相片由Texas Instruments SemiconductorAsia提供）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 Co赞助，名为 Micro-Module progra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。（will be presented in link of picture）Jack Kib发明的半导体集成电路htt p:/www .ti .com/corp/graphics/his to ry/.jc2.jpgMicro-Module progra当年由德州仪器承办，1958年，Jack Kilb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-Moduleprogram只是治标不治本（试想像当你

4、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。JackKilby更借着发明半导体集成电路夺得2000 年的诺贝尔物理学奖。（will be presented in link of video）Jack Kil的访问节录htt

5、p:/www .ti .com/corp/docs/kilbyctr/graphics/jackl.avihtt p:/www .ti .com/corp/docs/kilbyc tr/graphics/.jack2.avi http:/www .ti .com/corp/docs/kilbyctr/graphics/jack3.avi 1959 年，英特尔（Inte的始创人，Jean Hoerni 和 Robert Noyce，在 Fairchild Semiconduc to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

6、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。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，比如无线通信、互联网和 DNA 解碼。cy Trio 眦”3l5 Q1E3HFS&C7&5702 0C212TAIWAN竹;山11 ： ；!山出;；湖帅盟”（音效芯片 - 集成电路）TnTimw3T=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

7、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。谢 教 授的研究 范围包 括：纳米半 导体(Nano-dimensioiSemiconductors) 有机及无机冷光物质(Organicand InorganicLuminescence Material与及 Wide Ba

8、nd-gap Semiconductor关键词词： 半导体、真空管、晶体管、集成电路、无线电接收器、整流特性、电势差、猫胡 子、控制栅极、固态的真空管、频闪仪的荧光幕、量子力学、DNA译码、电子 的速度、二极管、电容、整流器、硅威化表面的平面科技、简单振动电路参考书目:o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威型电子组件或芯片的构想。o 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。o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。o 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。课程纲要内相关课题：电子学、电路课程纲要延伸课题：带出以下观念：在现今的电子世界里，超导体已成为一热门的话题，在超导体的 应用下，电子产品能更加有效，计算机产品是一明显的例子。那末，超导体是怎 样影响集成电

9、路的大小、效率及可承受的热量？热身讨论：o在集成电路发展初期二十世纪的首五十年），人们使用什么电子组 件？邕蹙賛家真空管、二极管、整流器、电容、电阻o起初人们用那一种半导体来制作电子仪器？峯W方铅矿o举出真空管不方便使用的原因。進靜脆、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o 试举出两所于 1950年参与电子公业发展的机构名称。o随着集成电路的迅速发展，集成电路的计设愈来愈复杂，为什么Jack Kilb认为有需要将所有电子组件整合起来？将大量电子零件整合成电路时，需要花费大量时间和金钱在人手焊 接组件上，而且人手焊接始终不是绝对可靠，这使到每个电路中成 千上万个焊接点，都是一个个潜在的麻烦。阅后讨论：o 半导体有甚么特质，可有效帮助发展电子产品？o 试想像未来通讯发展，说出例子。o 你认为集成电路的发展重要吗？ 请讲述原因。o 电子芯片以什么形式改变了通讯的方式？阅后活动：o 诺贝尔奖是首个国际认可的奖衔。自 1901年起，每年颁授予于物 理学、化学、医学、文学及和平几方面有贡献的学者。简单阐述：(a) 诺贝尔奖创办者；(b) 创办诺贝尔奖的原因及(c) 承办诺贝尔奖的机构。o Jack S. Kil于2000年取得半个物理学诺贝尔奖，他奠定了信息及 通讯科技的基石，尤其发明了集成电路。你认为他于新世纪获取第 一个诺贝尔奖有何意义？o 自1901年起，所有诺贝尔奖得奖者均可取得奖金。而1961年、1931 年、 1934年及1940至42年物理学诺贝尔奖得奖者所获得的奖金， 分别拨到诺贝尔主基金及特别基金。试就以上所述年份的全球性气 候，讨论其安排原因。o Jack S. Kil于2000年取得半个物理学诺贝尔奖，谁是另一半的得 主？ 你认为他们的贡献有多伟大？o 你知道最早取得物理学诺贝尔奖的华人是谁吗？ 他们何时获奖？ 研究领域又是甚么？o 纵使集成电路有很多优点，但

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