集成电路的背景

集成电路,通常称为 IC,是电子电路和组件的微观阵列,已扩散或植入到半导体材料(如硅)的单晶或芯片的表面上。之所以称为集成电路,是因为元件、电路和基础材料都由一块硅制成或集成在一起,而不是分立电路,其中元件由不同的材料分开制成,然后再组装. IC 的复杂程度不一,从简单的逻辑模块和放大器到包含数百万个元件的完整微型计算机。

集成电路对我们生活的影响是巨大的。IC已经成为几乎所有电子设备的主要部件。与之前的真空管和晶体管相比,这些微型电路已经证明了低成本、高可靠性、低功率要求和高处理速度。集成电路微型计算机现在用作设备的控制器,例如机床、车辆操作系统以及以前使用液压、气动或机械控制的其他应用。由于 IC 微型计算机比以前的控制机制更小、更通用,它们允许设备响应更广泛的输入并产生更广泛的输出。它们也可以重新编程而无需重新设计控制电路。集成电路微型计算机非常便宜,甚至可以在儿童电子玩具中找到。

1959 年 IC 发明后,可以集成到单个芯片中的元件和电路的数量在几年内每年都增加一倍。第一个集成电路仅包含多达十几个组件。生产这些早期 IC 的过程被称为小规模集成或 SSI。到 1960 年代中期,中等规模的集成公司 MSI 生产了具有数百个组件的 IC。紧随其后的是大规模集成技术(LSI),它生产具有数千个组件的 IC,并使第一台微型计算机成为可能。

集成电路元件是如何形成的?

在集成电路中,电阻器、电容器、二极管和晶体管等电子元件直接形成在硅晶体的表面上。如果首先了解这些组件是如何形成的一些基础知识,那么制造集成电路的过程将更有意义。

甚至在开发出第一个 IC 之前,人们就知道可以用硅制造常见的电子元件。问题是如何用同一块硅制造它们和连接电路?解决方案是通过添加其他称为掺杂剂的化学物质来改变或掺杂硅晶体表面微小区域的化学成分。一些掺杂剂与硅结合以产生掺杂剂原子具有可以放弃的一个电子的区域。这些被称为 N 个区域。其他掺杂剂与硅结合以产生掺杂剂原子有空间容纳一个电子的区域。这些被称为 P 区。当 P 区与 N 区接触时,它们之间的边界称为 PN 结。这个边界只有 0.000004 英寸(0.0001 厘米)宽,

在 PN 结内,两个区域的原子以这样一种方式结合,以创建第三个区域,称为耗尽区,其中 P 掺杂剂原子捕获所有 N 掺杂剂额外电子,从而耗尽它们。导致的现象之一是,施加到 P 区的正电压会导致电流通过结流入 N 区,但施加到 N 区的类似正电压将导致很少或没有电流流过结回到 P 区。PN 结根据施加电压的哪一侧进行导电或绝缘的能力可用于形成集成电路组件,以与二极管和晶体管相同的方式引导和控制电流流动。一个二极管,例如,只是一个单一的 PN 结。通过改变掺杂剂的数量和类型,改变P区和N区的形状和相对位置,也可以形成模拟电阻和电容功能的集成电路元件。

设计与原料

一些集成电路可以被认为是标准的、现成的项目。设计完成后,无需进一步的设计工作。标准 IC 的示例包括电压调节器、放大器、模拟开关和模数或数模转换器。这些 IC 通常出售给其他公司,这些公司将它们集成到各种电子产品的印刷电路板中。

其他集成电路是独一无二的,需要大量的设计工作。一个例子是用于计算机的新型微处理器。这项设计工作可能需要研发新材料和新制造技术才能实现最终设计。

纯硅是大多数集成电路的基础。它为整个芯片提供基础或衬底,并进行化学掺杂以提供构成集成电路组件的 N 和 P 区域。硅必须非常纯净,以至于每 100 亿个原子中只有一个可以是杂质。这相当于十桶沙子中的一粒糖。二氧化硅在 IC 电容器中用作绝缘体和介电材料。

典型的 N 型掺杂剂包括磷和砷。硼和镓是典型的 P 型掺杂剂。铝通常用作各种 IC 组件之间的连接器。从集成电路芯片到其安装封装的细线引线可以是铝或金。安装封装本身可以由陶瓷或塑料材料制成。

集成电路的未来发展

很难确定集成电路的未来会怎样。自该设备发明以来,技术的变化是迅速的,但也是不断进化的。芯片上的架构或电路布局发生了许多变化,但集成电路仍然是基于硅的设计。

电子设备进步的下一个重大飞跃,如果要实现这样的飞跃,可能涉及全新的电路技术。比最好的微处理器更好的设备一直被认为是可能的。例如,人脑处理信息的效率比任何计算机都要高得多,一些未来学家推测下一代处理器电路将是生物的,而不是矿物的。在这一点上,这些事情都是虚构的。目前没有迹象表明集成电路有任何灭绝的危险。

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