从二极管到集成电路

——什么是集成电路

集成电路，英文写作Integrated Circuits，按字头编写为IC。它是将晶体管、电阻及电容器等元器件，按电路结构的要求，制作在一块硅片上然后封装而成的。这与六十年代以前，将这些分立的晶体管、电阻等元件经组装、焊接而构成电子电路的传统做法截然不同，因而前者叫集成电路，后者就叫做分立元件电路。集成电路目前不但已大量应用于电子计算机、自动控制及导弹、雷达、卫星通信、遥控遥测等电子设备中，而且已广泛渗入日常生活用品中，成为电视机、收录机、电子手表、袖珍电子计算器及电子玩具等的重要组成部分。尽管谈到它时，对其内部结构仍感有些神秘莫测，但毕竟已是人们接触到了的东西，并不特别陌生。

现在常常将电子管、晶体管称做第一代、第二代产品，集成电路则被称做第三代产品。从1904年第一个电子管问世，经过了三十多年的不断改进，使有些电子管的体积缩小了十倍以上，出现了“姆指管”、“铅笔管”等等小型电子管。加上人们对各种电子元件采用高密度组装，如图1，使电子设备的体积有所压缩。尽管如此，有些复杂电子设备仍庞大得惊人，例如1946年美国用上万只电子管和其它电子元件装成的世界上第一台电子管计算机，重30吨、体积达90立方米，占满了整整一个大厅。1948年开始有了晶体管，仅十多年的时间，就使电子元件和设备的小型化有了极大进展，用晶体管组装的电子设备的体积比用电子管的缩小了很多。然而大量的元器件、数以千万计的焊点，不但成本昂贵且使设备可靠性亦成了问题，只要有一个虚焊点或有一个管子出现毛病，就会造成整个设备失灵。为了进一步缩小电子设备的体积和提高工作可靠性，人们提出了一种新的设想，就是把构成一个电路所需要的晶体管、电阻等元器件，制作在一个基片上，使元器件和电路合为一体。这就出现了一种新型的电子器件称为集成电路。1962年出现的第一块集成电路，是将构成一个电路的十几个元器件完美地结合在一小块硅片上的小规模集成电路，到1966年已经可以制出把数百个元器件集成在一起的中规模集成电路，到1977年又出现了集成15万个元器件的超大规模集成电路。集成电路的应用使电子设备的体积、重量大大减小，可靠性提高，成本降低。表1比较了一台六管晶体管收音机与一台集成电路收音机所用的元器件数，相比之下，前者比后者多用了一倍以上的元器件，焊点倍增，因而故障率自然会大些，可靠性也差些。

集成电路从兴起至今仅20年左右，目前已是类别众多、品种繁复，但仍可按一定规律进行分类，表2列出了现行的三种分类方法。

1．按功能及用途不同，可分为数字集成电路和模拟集成电路两大类。我们知道各种电子设备中要处理的电信号可分为两大类：一类是连续变化的，叫模拟信号，如音频信号就是用电压变化来模拟声音变化的，又如图像信号是用电压来模拟图像中各点亮度变化的；另一类是不连续的，叫数字信号，如电报码、各种脉冲信号等。模拟电路就是用来处理模拟信号的，如音频放大器、视频放大器、运算放大器等；数字电路是用来处理数字信号的，由于信号的不连续特性，数字电路多是些由开关电路组成的逻辑电路。

2．按工艺结构或制造方法不同，可分为膜集成电路、半导体集成电路和混合集成电路等三类。膜集成电路根据加工工艺及膜的厚薄不同，又可分为厚膜和薄膜电路两种。由于膜集成电路中各种元件（电阻、电容）数值范围较大、精度又高，基片一般采用陶瓷片或玻璃片绝缘性能亦好，所以这种电路宜作成高精度、高阻值、大容量的线性放大器。但这种电路的制作工艺繁琐，不便于大规模生产，加上成本较高，目前已较少应用。半导体集成电路是目前集成电路的主流，它以制造硅平面晶体管的平面工艺为基本工艺，将三极管、二极管、电阻、电容做在同一硅片上，构成一个完整电路，这是后面将重点介绍的集成电路，但这种电路中制作大电阻和电感较困难。混合集成电路是利用半导体集成电路、膜集成电路、分立元器件中的任意两种或三种混合制作而成的微型结构电路。这种电路不论在电路形式或电路元器件的选择上都较灵活，但制作工艺很复杂，生产效率低。

3．按电路集成度的高低可分为大、中、小规模和超大规模集成电路。集成度是指一块集成电路芯片中所包含的电子元器件数量。以数字电路为例：一般将一块芯片上有几十个元件（或几个门电路）的电路叫做小规模集成电路；若一块芯片上集成了数百个元件（或几十个门电路），就是中规模；当一块芯片上集成了一千个以上元件（或一百个门）时，就是大规模了；而目前出现的超大规模集成电路，在一块芯片上已有十万个以上的元件（或一万个门以上），见表3。

大、中、小规模集成电路这种叫法，仅表示电路集成规模的大小，并不意味着技术指标的高低、性能优劣或制作难易程度。另外，大、中、小规模集成电路习惯上总是指半导体集成电路来说的，因为膜集成电路和混合集成电路内部大多有两块以上的芯片。

上述说明，在各类集成电路中，要数半导体集成电路优点最多，也最有前途，因而其发展也最迅速。根据所采用的晶体管不同，半导体集成电路又可分成双极型和单极型两种。双极型是利用电子和空穴两种载流子进行电传导的器件，双极型集成电路中的晶体管就和通常的二极管、三极管性能一样。这种电路的优点是工作速度快、频率高、信号传输时延迟时间短，但制造工艺较复杂。单极型是利用电子或空穴中的一种载流子进行电传导的器件，单极型集成电路中采用了MOS场效应管，因而又叫MOS集成电路。MOS集成电路又可按沟道材料分为N沟道MOS电路（简称N－MOS电路）和P沟道MOS电路（简称P－MOS电路）以及由N沟道、P沟道MOS器件互补构成的互补MOS电路（简称CMOS电路）。这种电路的优点是工艺简单、容易实现大规模集成，但它的工作速度比不上双极型的。

集成电路的管脚引出线虽然数量不同，但其排列方式仍有一定规律可循：一般总是从外壳顶部看按逆时针方向编号的，如图2中箭头所示方向。第1脚位置都有参考标记，例如圆型管座以键为参考标记，以键为准逆时针数第1、2、3……脚；若是扁平型或双列直插型，无论是陶瓷封装还是塑料封装的，一般均有色点或某种标记，在色点或标记的正面左方、靠近色点的脚或靠近标记的左下脚就是第1脚，然后按逆时针方向数1、2、3……脚。有的集成电路外壳上没有色点、标记，但总有一面印有器件型号，把印有型号的一面朝上，左下脚即为第1脚，如图2d。(金国钧 编译)