打开电视或收音机，您会发现它是围绕 印刷电路板 (PCB)构建的：有点像电子街道地图，用小型电子 元件（例如电阻器和电容器）代替建筑物和印刷铜将它们连接在一起的连接就像微型金属街道一样。

电路板在像这样的小型电器中很好用，但如果您尝试使用相同的技术来构建复杂的电子机器（例如计算机），您很快就会遇到障碍。即使是最简单的计算机也需要八个电子开关来存储单个字节（字符）的信息。因此，如果您想要构建一台具有足够内存来存储该段落的计算机，那么对于单个段落，您需要查看大约 750 个字符乘以 8 或大约 6000 个开关！如果你选择像 ENIAC 那样的开关（成人拇指大小的真空管），你很快就会得到一台巨大、耗电的机器，需要自己的微型发电厂来保持运行。

1947 年，当三位美国物理学家发明晶体管时 ，情况有所改善。晶体管的尺寸只是真空管和继电器 （20 世纪 40 年代中期已被真空管取代的电磁开关）的一小部分，耗电量少得多，而且可靠得多。但仍然存在将所有这些晶体管连接到复杂电路中的问题。即使在晶体管发明之后，计算机仍然是一堆纠结的电线。

集成电路改变了这一切。基本思想是采用一个完整的电路，包括所有的许多组件以及它们之间的连接，并在一块硅的表面上以微观的微小形式重新创建整个电路。这是一个非常聪明的想法，它使我们现在认为理所当然的各种“微电子”小玩意成为可能，从数字手表和袖珍计算器到带有内置卫星导航的登月 火箭和导弹。

摩尔定律

集成电路在 20 世纪 60 年代和 1970 年代彻底改变了电子和计算领域。首先，工程师以所谓的小规模集成（SSI）方式将数十个组件放置在一个芯片上。中等规模集成（MSI）紧随其后，在相同大小的区域中包含数百个组件。可以预见的是，在 1970 年左右，大规模集成 (LSI) 带来了数千个组件，超大规模集成 (VLSI) 为我们带来了数万个组件，而超大规模集成 (ULSI) 则带来了数百万个组件，而且全部都在不大于它们的芯片上。 d 以前去过。

1965 年，领先芯片制造商英特尔公司的戈登·摩尔（1929-2023）注意到芯片上的组件数量大约每隔一到两年就会翻一番。众所周知，摩尔定律从那时起就一直有效。50 年后的 2015 年，摩尔在接受《纽约时报》采访时透露了他对这项法律仍然有效的惊讶之情：

“最初的预测是着眼于 10 年，我认为这是一个延伸。这从集成电路上的大约 60 个元件增加到 60,000 个——在 10 年内进行了千倍的外推。我认为这相当疯狂。事实上，类似的情况持续了 50 年，真是令人惊奇。”

集成电路是如何制造的？

我们如何制造计算机内存或处理器芯片之类的东西？这一切都始于硅等原始化学元素，经过化学处理或掺杂，使其具有不同的电性能......

掺杂半导体

如果您阅读过我们有关二极管和 晶体管的文章，您就会熟悉半导体的概念。传统上，人们认为材料可以分为两类：允许电流很容易流过的材料（导体）和不允许电流流过的材料（绝缘体）。 金属构成大部分导体，而 塑料、木材和玻璃等非金属 则为绝缘体。

事实上，事情远比这复杂，尤其是元素周期表中间的某些元素（第 14 族和第 15 族），特别是硅和锗。通常是绝缘体，如果我们在称为掺杂的过程中向它们添加少量杂质，则可以使这些元素表现得更像导体。如果在硅中添加磷（或锑），就会赋予它比正常情况下稍多的自由电子以及导电能力。这种“掺杂”方式的硅称为n 型。添加硼而不是磷，就会去除一些硅的自由电子，留下充当“负电子”的“空穴”，以相反的方式携带正电流。这种硅称为p型硅。将 n 型和 p 型硅区域并排放置会产生电子以非常有趣的方式表现的结，这就是我们创建基于半导体的电子元件（如二极管、晶体管和存储器）的方式。

芯片厂内部

制造集成电路的过程始于一个大的 单晶硅，形状像一个长实心管，它被“萨拉米切片”成薄片（大约是光盘的尺寸），称为晶圆。

晶圆被标记为许多相同的正方形或矩形区域，每个区域将组成一个硅芯片（有时称为微芯片）。然后，通过对表面的不同区域进行掺杂，将其转变为 n 型或 p 型硅，在每个芯片上创建数千、数百万或数十亿个组件。掺杂是通过各种不同的过程完成的。其中一种称为溅射，掺杂材料的离子像枪中的子弹一样射向硅晶圆。另一种称为气相沉积的工艺 涉及以气体形式引入掺杂材料并使其凝结，以便杂质原子在硅晶片的表面上形成薄膜。分子束外延 是一种更精确的沉积形式。

当然，制造将数百、数百万或数十亿个元件封装到指甲大小的硅芯片上的集成电路比听起来更复杂和复杂。想象一下，当您在微观（有时甚至是纳米级）尺度上工作时，即使是一粒污垢也可能造成严重破坏 。这就是为什么半导体是在称为 洁净室的一尘不染的实验室环境中制造的，那里的空气经过精心过滤，工人必须穿着各种防护服通过气闸进出。

如何制作微芯片——快速总结

尽管制造芯片非常复杂，但实际上只有六个单独的步骤（其中一些步骤重复不止一次）。大大简化了，该过程的工作原理如下：

制造晶圆：我们将纯硅晶体生长成长圆柱体，然后将它们（如萨拉米香肠）切成薄晶圆，每个晶圆最终将被切成许多芯片。

掩模：我们加热晶圆，将其涂上二氧化硅，并使用紫外线（蓝色）添加一层称为光致抗蚀剂的坚硬保护层。

蚀刻：我们使用化学物质去除一些光刻胶，制作一种模板图案，显示我们想要的 n 型和 p 型硅区域。

掺杂：我们用含有杂质的气体加热蚀刻后的晶圆，以形成 n 型和 p 型硅区域。随后可能会进行更多的掩模和蚀刻。

测试：长金属连接引线从计算机控制的测试机连接到每个芯片上的端子。任何不起作用的芯片都会被标记并拒绝。

封装：所有工作正常的芯片都从晶圆上切下来并封装成保护性塑料块，准备用于计算机和其他电子设备。

集成电路是谁发明的？

您可能在书中读到，IC 是由 Jack Kilby（1923-2005）和 Robert Noyce（1927-1990）联合开发的，就好像这两个人愉快地合作完成了他们的辉煌发明！事实上，基尔比和诺伊斯几乎是在同一时间独立提出了这个想法，引发了一场激烈的发明权争夺战，但这场战斗绝非令人愉快。

两个人怎么可能在同一时间发明同样的东西呢？很简单：集成电路是一个等待实现的想法。到 20 世纪 50 年代中期，全世界（尤其是军队）发现了电子计算机的惊人潜力，对于像基尔比和诺伊斯这样的有远见的人来说，非常明显的是，需要一种更好的方法来构建和连接大型晶体管。数量。基尔比（Kilby）在德州仪器公司（Texas Instruments）工作时，想到了他称之为“整体原则”的想法：尝试在硅芯片上构建电子电路的所有不同部分。1958 年 9 月 12 日，他使用锗（一种类似于硅的半导体元素）芯片手工构建了世界上第一个原始集成电路 ，德州仪器 (Texas Instruments) 于次年就该想法申请了专利。

与此同时，在另一家名为仙童半导体（Fairchild Semiconductor）的公司（由最初为晶体管先驱威廉·肖克利（William Shockley）工作的一小群同事组成），同样才华横溢的罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）正在试验自己的微型电路。1959 年，他使用一系列被称为平面工艺的摄影和化学技术 （该技术刚刚由同事 Jean Hoerni 开发）生产出第一个实用的集成电路，Fairchild 随后尝试为该方法申请专利。

两人的工作有相当大的重叠，德州仪器 (Texas Instruments) 和仙童 (Fairchild) 在 20 世纪 60 年代的大部分时间里都在法庭上争论谁真正开发了集成电路。最终，1969 年，两家公司同意分享这个想法。

基尔比和诺伊斯现在被正确地视为 20 世纪最重要、影响最深远的技术的联合发明人。两人都入选国家发明家名人堂（基尔比于 1982 年，诺伊斯于次年），基尔比的突破也得到认可，并获得了 2000 年诺贝尔物理学奖的一半份额（正如基尔比在如果诺伊斯十年前没有因心脏病去世，他肯定也会分享他的获奖感言）。

虽然基尔比被认为是一位杰出的科学家，但诺伊斯的遗产还有一个额外的层面。1968 年，他与戈登·摩尔 ( Gordon Moore ，1929-2023)共同创立了英特尔电子公司，并于 1974 年开发了微处理器（单芯片计算机）。与 IBM、微软、苹果等先驱公司一起，英特尔因帮助将价格实惠的个人电脑带入我们的家庭和工作场所而受到赞誉。感谢诺伊斯和基尔比，以及后来在他们的工作基础上继续发展的杰出工程师，现在全世界有数十亿台计算机在使用，其中许多被集成到手机、便携式卫星导航设备和其他电子产品中。