集成电路

       它在电路中用字母“IC”表示。集成电路发明者为杰克·基尔比（基于锗（Ge）的集成电路）和罗伯特·诺伊斯（基于硅（Si）的集成电路）。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。

概述

       集成电路，英文为Integrated Circuit，缩写为IC；顾名思义，就是把一定数量的常用电子元件，如电阻、电容、晶体管等，以及这些元件之间的连线，通过半导体工艺集成在一起的具有特定功能的电路。是20世纪50年代后期到60年代发展起来的一种新型半导体器件。它是经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等半导体制造工艺，把构成具有一定功能的电路所需的半导体、电阻、电容等元件及它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片上，然后焊接封装在一个管壳内的电子器件。其封装外壳有圆壳式、扁平式或双列直插式等多种形式。集成电路技术包括芯片制造技术与设计技术，主要体现在加工设备，加工工艺，封装测试，批量生产及设计创新的能力上。

       为什么会产生集成电路？我们知道任何发明创造背后都是有驱动力的，而驱动力往往来源于问题。那么集成电路产生之前的问题是什么呢？我们看一下1946年在美国诞生的世界上第一台电子计算机，它是一个占地150平方米、重达30吨的庞然大物，里面的电路使用了17468只电子管、7200只电阻、10000只电容、50万条线，耗电量150千瓦 [1]。显然，占用面积大、无法移动是它最直观和突出的问题；如果能把这些电子元件和连线集成在一小块载体上该有多好！我们相信，有很多人思考过这个问题，也提出过各种想法。典型的如英国雷达研究所的科学家达默，他在1952年的一次会议上提出：可以把电子线路中的分立元器件，集中制作在一块半导体晶片上，一小块晶片就是一个完整电路，这样一来，电子线路的体积就可大大缩小，可靠性大幅提高。这就是初期集成电路的构想，晶体管的发明使这种想法成为了可能，1947年在美国贝尔实验室制造出来了第一个晶体管，而在此之前要实现电流放大功能只能依靠体积大、耗电量大、结构脆弱的电子管。晶体管具有电子管的主要功能，并且克服了电子管的上述缺点，因此在晶体管发明后，很快就出现了基于半导体的集成电路的构想，也就很快发明出来了集成电路。杰克·基尔比（Jack Kilby）和罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）在1958~1959期间分别发明了锗集成电路和硅集成电路。

       现在，集成电路已经在各行各业中发挥着非常重要的作用，是现代信息社会的基石。集成电路的含义，已经远远超过了其刚诞生时的定义范围，但其最核心的部分，仍然没有改变，那就是“集成”，其所衍生出来的各种学科，大都是围绕着“集成什么”、“如何集成”、“如何处理集成带来的利弊”这三个问题来开展的。硅集成电路是主流，就是把实现某种功能的电路所需的各种元件都放在一块硅片上，所形成的整体被称作集成电路。对于“集成”，想象一下我们住过的房子可能比较容易理解：很多人小时候都住过农村的房子，那时房屋的主体也许就是三两间平房，发挥着卧室的功能，门口的小院子摆上一副桌椅，就充当客厅，旁边还有个炊烟袅袅的小矮屋，那是厨房，而具有独特功能的厕所，需要有一定的隔离，有可能在房屋的背后，要走上十几米……后来，到了城市里，或者乡村城镇化，大家都住进了楼房或者套房，一套房里面，有客厅、卧室、厨房、卫生间、阳台，也许只有几十平方米，却具有了原来占地几百平方米的农村房屋的各种功能，这就是集成。

       当然现如今的集成电路，其集成度远非一套房能比拟的，或许用一幢摩登大楼可以更好地类比：地面上有商铺、办公、食堂、酒店式公寓，地下有几层是停车场，停车场下面还有地基——这是集成电路的布局，模拟电路和数字电路分开，处理小信号的敏感电路与翻转频繁的控制逻辑分开，电源单独放在一角。每层楼的房间布局不一样，走廊也不一样，有回字形的、工字形的、几字形的——这是集成电路器件设计，低噪声电路中可以用折叠形状或“叉指”结构的晶体管来减小结面积和栅电阻。各楼层直接有高速电梯可达，为了效率和功能隔离，还可能有多部电梯，每部电梯能到的楼层不同——这是集成电路的布线，电源线、地线单独走线，负载大的线也宽；时钟与信号分开；每层之间布线垂直避免干扰；CPU与存储之间的高速总线，相当于电梯，各层之间的通孔相当于电梯间……

特点

       集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模 生产。它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通讯、遥控等 方面也得到广泛的应用。用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可大大提高。

分类

       （一）按功能结构分类 　　

       集成电路按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路三大类。 模拟集成电路又称线性电路,用来产生、放大和处理各种模拟信号（指幅度随时间边疆变化的信号。例如半导体收音机的音频信号、录放机的磁带信号等），其输入信号和输出信号成比例关系。而数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号（指在时间上和幅度上离散取值的信号。例如VCD、DVD重放的音频信号和视频信号）。 　　 

       （二）按制作工艺分类

        集成电路按制作工艺可分为半导体集成电路和薄膜集成电路。膜集成电路又分类厚膜集成电路和薄膜集成电路。

       （三）按集成度高低分类

       集成电路按集成度高低的不同可分为小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路、特大规模集成电路和巨大规模集成电路。 　 

       （四）按导电类型不同分类

       集成电路按导电类型可分为双极型集成电路和单极型集成电路,他们都是数字集成电路。　双极型集成电路的制作工艺复杂，功耗较大，代表集成电路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等类型。单极型集成电路的制作工艺简单，功耗也较低，易于制成大规模集成电路，代表集成电路有CMOS、NMOS、PMOS等类型。 　　

       （五）按用途分类

       集成电路按用途可分为电视机用集成电路、音响用集成电路、影碟机用集成电路、录像机用集成电路、电脑（微机）用集成电路、电子琴用集成电路、通信用集成电路、照相机用集成电路、遥控集成电路 、语言集成电路、报警器用集成电路及各种专用集成电路。

       1.电视机用集成电路包括行、场扫描集成电路、中放集成电路、伴音集成电路、彩色解码集成电路、AV/TV转换集成电路、开关电源集成电路、遥控集成电路、丽音解 码集成电路、画中画处理集成电路、微处理器（CPU）集成电路、存储器集成电路等。

       2.音响用集成电路包括AM/FM高中频电路、立体声解码电路、音频前置放大电路、音频运算放大集成电路、音频功率放大集成电路、环绕 声处理集成电路、电平驱动集成电路，电子音量控制集成电路、延时混响集成电路、电子开关集成电路等。 　　

       3.影碟机用集成电路有系统控制集成电路、视频编码集成电路、MPEG解码集成电路、音频信号处理集成电路、音响效果集成电路、RF信号处理集成电路、数字信号处理集成电路、伺服集成电路、电动机驱动集成电路等。

       4. 录像机用集成电路有系统控制集成电路、伺服集成电路、驱动集成电路、音频处理集成电路、视频处理集成电路。 　 

       （六）按应用领域分 　　

       集成电路按应用领域可分为标准通用集成电路和专用集成电路。 　　

       (七)按外形分

       集成电路按外形可分为圆形(金属外壳晶体管封装型,一般适合用于大功率)、扁平型(稳定性好
,体积小)和双列直插型.

发展简史

1、世界集成电路的发展历史 　　　

       1947年：贝尔实验室肖克莱等人发明了晶体管，这是微电子技术发展中第一个里程碑； 　　

       1950年：结型晶体管诞生； 　　

       1950年： R Ohl和肖特莱发明了离子注入工艺； 　　

       1951年 ：场效应晶体管发明； 　　

       1956年：C S Fuller发明了扩散工艺； 　　

       1958年：仙童公司Robert Noyce与德仪公 司基尔比间隔数月分别发明了集成电路，开创了世界微电子学的历史； 　　

       1960年：H H Loor和E Castellani发明了光刻工艺； 　　1962年：美国RCA公司研制出MOS场效应晶体管； 　　

       1963年：F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技术，今天，95%以上的集成电路芯片都是基于CMOS工艺； 　　

       1964年：Intel摩尔提出摩尔定律，预测晶 体管集成度将会每18个月增加1倍； 　　

       1966年：美国RCA公司研制出CMOS集成电路，并研制出第一块门阵列（50 门）； 　　

       1967年：应用材料公司（Applied Materials）成立，现已成为全球最大的半导体设备制造公司； 

       1971年：Intel推出1kb动态随机存储器（DRAM），标志着大规模集成电路出现； 　　

       1971年：全球第一个微处理器4004由Intel公司推出，采用的是MOS工艺，这是一个里程碑式的发明； 　　

       1974年：RCA公司推出第一个CMOS 微处理器1802； 　　

       1976年：16kb DRAM和4kb SRAM问世； 　　

       1978年：64kb动态随机存储器诞生，不足0.5平方厘米的硅片上集成了14万个晶体管，标志着超大规模集成电路（VLSI）时代的来临； 　　

       1979年：Intel推出5MHz 8088微处理器，之后，IBM基于8088推出全球第一台PC； 　　

       1981年：256kb DRAM和64kb CMOS SRAM问世；　　  

       1984年：日本宣布推出1Mb DRAM和256kb SRAM； 　　

       1985年：80386微处理器问世，20MHz； 　　

       1988年：16MDRAM问世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路（VLSI）阶段； 　 

       1989年：1Mb DRAM进入市场； 　　

       1989年：486微处理器推出，25MHz，1μm工艺，后来50MHz芯片采用 0.8μm工艺； 　　

       1992年：64M位随机存储器问世； 　　

       1993年：66MHz奔腾处理器推出,采用0.6μｍ工艺； 　　

       1995 年:Pentium Pro, 133MHz，采用0.6-0.35μｍ工艺； 　　

       1997年：300MHz奔腾Ⅱ问世,采用0.25μｍ工艺； 

       1999年：奔腾Ⅲ问世，450MHz，采用0.25μｍ工艺，后采用0.18μm工艺； 　　

       2000年: 1Gb RAM投放市场； 　 

       2000年：奔腾4问世，1.5GHz，采用0.18μｍ工艺； 　　

       2001年：Intel宣布2001年下半年采用0.13μｍ工艺。 　 　

       2003年：奔腾4 E系列推出，采用90nm工艺。 　　

       2005年：intel 酷睿2系列上市，采用65nm工艺。 　　

       2007年 ：基于全新45纳米High-K工艺的intel酷睿2 E7/E8/E9上市。 　　

       2009年：intel酷睿i系列全新推出，创纪录采用了领先的32纳米工艺，并且下一代22纳米工艺正在研发。 　　

2、我国集成电路的发展历史 　　

       我国集成电路产业诞生于六十年代，共经历了三个发展阶段： 　　

       1965年-1978年：以计算机和军工配套为目标，以开发逻辑电路为主要产品，初步建立集成电路工业基础及相关设备、仪器、材料的配套条件； 　　

       1978年-1990年：主要引进美国二手设备，改善集成电路装备水平，在“治散治乱”的同时，以消费类整机作为配套重点，较好地解决了彩电集成电路的国产化； 　　

       1990年-2000年：以908工程、909工程为重点，以CAD为突破口，抓好科技攻关和北方科研
开发基地的建设，为信息产业服务，集成电路行业取得了新的发展。

       集成电路产业是对集成电路产业链各环节市场销售额的总体描述，它不仅仅包含集成电路市场，也包括IP核市场、EDA市场、芯片代工市场、封测市场，甚至延伸至设备、材料市场。

       集成电路产业不再依赖CPU、存储器等单一器件发展，移动互联、三网融合、多屏互动、智能终端带来了多重市场空间，商业模式不断创新为市场注入新活力。目前中国集成电路产业已具备一定基础，多年来中国集成电路产业所聚集的技术创新活力、市场拓展能力、资源整合动力以及广阔的市场潜力，为产业在未来5年～10年实现快速发展、迈上新的台阶奠定了基础。

       2022年6月30日，三星电子有限公司宣布，该公司已经开始在其位于韩国的华城工厂大规模生产3纳米半导体芯片，是全球首家量产3纳米芯片的公司。

发展趋势

       2001年到2010年这10年间，我国集成电路产量的年均增长率超过25%，集成电路销售额的年均增长率则达到23%。2010年国内集成电路产量达到640亿块，销售额超过1430亿元，分别是2001年的10倍和8倍。中国集成电路产业规模已经由2001年不足世界集成电路产业总规模的2%提高到2010年的近9%。中国成为过去10年世界集成电路产业发展最快的地区之一。

       国内集成电路市场规模也由2001年的1140亿元扩大到2010年的7350亿元，扩大了6.5倍。国内集成电路产业规模与市场规模之比始终未超过20%。如扣除集成电路产业中接受境外委托代工的销售额，则中国集成电路市场的实际国内自给率还不足10%，国内市场所需的集成电路产品主要依靠进口。近几年国内集成电路进口规模迅速扩大，2010年已经达到创纪录的1570亿美元，集成电路已连续两年超过原油成为国内最大宗的进口商品。与巨大且快速增长的国内市场相比，中国集成电路产业虽发展迅速但仍难以满足内需要求。

       当前以移动互联网、三网融合、物联网、云计算、智能电网、新能源汽车为代表的战略性新兴产业快速发展，将成为继计算机、网络通信、消费电子之后，推动集成电路产业发展的新动力。工信部预计，国内集成电路市场规模到2015年将达到12000亿元。

       我国集成电路产业发展的生态环境亟待优化，设计、制造、封装测试以及专用设备、仪器、材料等产业链上下游协同性不足，芯片、软件、整机、系统、应用等各环节互动不紧密。“十二五”期间，中国将积极探索集成电路产业链上下游虚拟一体化模式，充分发挥市场机制作用，强化产业链上下游的合作与协同，共建价值链。培育和完善生态环境，加强集成电路产品设计与软件、整机、系统及服务的有机连接，实现各环节企业的群体跃升，增强电子信息大产业链的整体竞争优势。

       2023年，问天实验舱元器件与组件舱外通用试验装置将开展大规模集成电路、新型半导体器件的空间环境效应试验。

其他信息

       晶体管发明并大量生产之后，各式固态半导体组件如二极管、晶体管等大量使用，取代了真空管在电路中的功能与角色。到了20世纪中后期半导体制造技术进步，使得集成电路成为可能。相对于手工组装电路使用个别的分立电子组件，集成电路可以把很大数量的微晶体管集成到一个小芯片，是一个巨大的进步。集成电路的规模生产能力，可靠性，电路设计的模块化方法确保了快速采用标准化IC代替了设计使用离散晶体管。

       IC对于离散晶体管有两个主要优势：成本和性能。成本低是由于芯片把所有的组件通过照相平版技术，作为一个单位印刷，而不是在一个时间只制作一个晶体管。性能高是由于组件快速开关，消耗更低能量，因为组件很小且彼此靠近。2006年，芯片面积从几平方毫米到350mm²，每mm²可以达到一百万个晶体管。

       第一个集成电路雏形是由杰克·基尔比于1958年完成的，其中包括一个双极性晶体管，三个电阻和一个电容器。

       根据一个芯片上集成的微电子器件的数量，集成电路可以分为以下几类：

       1.小规模集成电路

       SSI英文全名为Small Scale Integration，逻辑门10个以下或晶体管100个以下。

       2.中规模集成电路

       MSI英文全名为Medium Scale Integration，逻辑门11~100个或晶体管101~1k个。

       3.大规模集成电路

       LSI英文全名为Large Scale Integration，逻辑门101~1k个或晶体管1,001~10k个。

       4.超大规模集成电路

       VLSI英文全名为Very large scale integration，逻辑门1,001~10k个或晶体管10,001~100k个。

       5.甚大规模集成电路

       ULSI英文全名为Ultra Large Scale Integration，逻辑门10,001~1M个或晶体管100,001~10M个。

       GLSI英文全名为Giga Scale Integration，逻辑门1,000,001个以上或晶体管10,000,001个以上。

       而根据处理信号的不同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路、和兼具模拟与数字的混合信号集成电路。

集成电路发展

       最先进的集成电路是微处理器或多核处理器的"核心(cores)",可以控制电脑到手机到数字微波炉的一切。存储器和ASIC是其他集成电路家族的例子，对于现代信息社会非常重要。虽然设计开发一个复杂集成电路的成本非常高，但是当分散到通常以百万计的产品上，每个IC的成本最小化。IC的性能很高，因为小尺寸带来短路径，使得低功率逻辑电路可以在快速开关速度应用。

       这些年来，IC持续向更小的外型尺寸发展，使得每个芯片可以封装更多的电路。这样增加了每单位面积容量，可以降低成本和增加功能－见摩尔定律，集成电路中的晶体管数量，每两年增加一倍。总之，随着外形尺寸缩小，几乎所有的指标改善了－单位成本和开关功率消耗下降，速度提高。但是，集成纳米级别设备的IC不是没有问题，主要是泄漏电流（leakage current）。因此，对于最终用户的速度和功率消耗增加非常明显，制造商面临使用更好几何学的尖锐挑战。这个过程和在未来几年所期望的进步，在半导体国际技术路线图（ITRS）中有很好的描述。

       越来越多的电路以集成芯片的方式出现在设计师手里，使电子电路的开发趋向于小型化、高速化。越来越多的应用已经由复杂的模拟电路转化为简单的数字逻辑集成电路。

       2022年，关于促进我国集成电路全产业链可持续发展的提案:集成电路产业是国民经济和社会发展的战略性、基础性、先导性产业，其全产业链中的短板缺项成为制约我国数字经济高质量发展、影响综合国力提升的关键因素之一。现阶段我国集成电路产业高端受封锁压制、中低端产能紧缺情况愈演愈烈，仍存在一些亟需解决的问题。一是国内芯片企业能力不强与市场不足并存。二是美西方对我国集成电路产业先进工艺的高端装备全面封堵，形成新的产业壁垒。三是目前我国集成电路产业人才处于缺乏状态，同时工艺研发人员的培养缺乏“产线”的支撑。为此，建议：一是发挥新型举国体制优势，持续支持集成电路产业发展。延续和拓展国家科技重大专项，集中力量重点攻克核心难点。支持首台套应用，逐步实现国产替代。拓展新的应用领域。加大产业基金规模和延长投入周期。二是坚持产业长远布局，深化人才培养改革。既要“补短板”也要“加长板”。持续加大科研人员培养力度和对从事基础研究人员的投入保障力度，夯实人才基础。三是坚持高水平对外开放，拓展和营造新兴市场。积极探索未来和集成电路有关的新兴市场，支持我国集成电路企业走出去。

IC的普及

       仅仅在其开发后半个世纪，集成电路变得无处不在，电脑，手机和其他数字电器成为现代社会结构不可缺少的一部分。这是因为，现代计算，交流，制造和交通系统，包括互联网，全都依赖于集成电路的存在。甚至很多学者认为有集成电路带来的数字革命是人类历史中最重要的事件。

IC的分类

       集成电路的分类方法很多，依照电路属模拟或数字，可以分为：模拟集成电路、数字集成电路和混合信号集成电路（模拟和数字在一个芯片上）。

       数字集成电路可以包含任何东西，在几平方毫米上有从几千到百万的逻辑门，触发器，多任务器和其他电路。这些电路的小尺寸使得与板级集成相比，有更高速度，更低功耗并降低了制造成本。这些数字IC，以微处理器，数字信号处理器（DSP）和单片机为代表，工作中使用二进制，处理1和0信号。

       模拟集成电路有,例如传感器，电源控制电路和运放，处理模拟信号。完成放大，滤波，解调，混频的功能等。通过使用专家所设计、具有良好特性的模拟集成电路，减轻了电路设计师的重担，不需凡事再由基础的一个个晶体管处设计起。

       IC可以把模拟和数字电路集成在一个单芯片上，以做出如模拟数字转换器（A/D converter）和数字模拟转换器（D/A converter）等器件。这种电路提供更小的尺寸和更低的成本，但是对于信号冲突必须小心。