集成电路的发展与应用

集成电路技术的发展与应用

摘要:

    集成电路（Integrated Circuit,简称IC）是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，这样，整个电路的体积大大缩小，且引出线和焊接点的数目也大为减少，从而使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”（也有用文字符号“N”等）表示。

关键词：集成电路  模拟集成电路 电子元件  晶体管  发展应用

集成电路对一般人来说也许会有陌生感，但其实我们和它打交道的机会很多。计算机、电视机、手机、网站、取款机等等，数不胜数。除此之外在航空航天、星际飞行、医疗卫生、交通运输、武器装备等许多领域，几乎都离不开集成电路的应用，当今世界，说它无孔不入并不过分。

在当今这信息化的社会中,集成电路已成为各行各业实现信息化、 智能化的基础。无论是在军事还是民用上,它已起着不可替代的作用。

一、集成电路的定义、特点及分类介绍

1、什么是集成电路：所谓集成电路（IC），就是在一块极小的硅单晶片上，利用半导体工艺制作上许多晶体二极管、三极管及电阻、电容等元件，并连接成完成特定电子技术功能的电子电路。从外观上看，它已成为一个不可分割的完整器件，集成电路在体积、重量、耗电、寿命、可靠性及电性能方面远远优于晶体管元件组成的电路，目前为止已广泛应用于电子设备、仪器仪表及电视机、录像机等电子设备中。[1]

2、集成电路的特点：集成电路或称微电路（microcircuit）、微芯片（microchip）、芯片（chip）在电子学中是一种把电路（主要包括半导体装置，也包括被动元件等）小型化的方式，并通常制造在半导体晶圆表面上。前述将电路制造在半导体芯片表面上的集成电路又称薄膜（thin-film）集成电路。另有一种厚膜（thick-film）混成集成电路（hybrid integrated circuit）是由半导体设备和被动元件，集成到衬底或线路板所构成的小型化电路。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。

3、集成电路的分类： 

（1）按功能结构分类：集成电路，又称为IC，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系。

集成电路

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3G手机、数码相机、电脑CPU、数字电视的逻辑控制和重放的音频信号和视频信号）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（指幅度随时间变化的信号。例如半导体收音机的音频信号、录放机的信号等），其输出信号和输入信号成正比。

（2）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。

（3）按集成度高低分类：

　　集成电路按集成度高低的不同可分为：SSI 小规模集成电路(Small Scale Integrated circuits)、MSI 中规模集成电路(Medium Scale Integrated circuits) 　　LSI 大规模集成电路(Large Scale Integrated circuits) 、VLSI 超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated circuits) 、ULSI 特大规模集成电路(Ultra Large Scale Integrated circuits)、GSI 巨大规模集成电路也被称作极大规模集成电路或超特大规模集成电路(Giga Scale Integration)。

（4）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。

（5）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 

集成电路

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。

（6）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。

（7）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。[2]

二、集成电路的发展历程

1、世界集成电路发展历史：　1947年：贝尔实验室肖特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； 

集成电路

1950年：结型晶体管诞生 　　1950年：RHol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RobertNoyce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 　　19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），为现如今的大规模集成电路发展奠定了坚实基础，具有里程碑意义 　　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：kb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kb 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：16M DRAM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 　　19年：1Mb DRAM进入市场 　　19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：M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； 

集成电路

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。[3]

2、我国集成电路发展历史

　　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。

3 集成电路应用领域

3.1在计算机的应用

随着集成了上千甚至上万个电子元件的大规模集成电路和超大规模集成电路的出现，电子计算机发展进入了。计算机的基本元件是大规模集成电路，甚至超大规模集成电路，集成度很高的半导体存储器替代了磁芯存储器，运算速度可达每秒几百万次，甚至上亿次基本运算。

计算机主要部分几乎都和集成电路有关，CPU、显卡、主板、内存、声卡、网卡、光驱等等，无不与集成电路有关。并且专家通过最新技术把越来越多的元件集成到一块集成电路板上，并使计算机拥有了更多功能，在此基础上产生许多新型计算机，如掌上电脑、指纹识别电脑、声控计算机等等。随着高新技术的发展必将会有越来越多的高新计算机出现在我们面前。

指纹识别鼠标                                声控计算机

3.2在通信上的应用

集成电路在通信中应用广泛，诸如通信卫星，手机，雷达等，我国自主研发的“北斗”导航系统就是其中典型一例。

“北斗”导航系统是我国具有自主知识产权的卫星定位系统，与美国G P S、俄罗斯格罗纳斯、欧盟伽利略系统并称为全球4 大卫星导航系统。它的研究成功，打破了卫星定位导航应用市场由国外GPS 垄断的局面。前不久，我国已成功发射了第二代北斗导航试验卫星，未来将形成由５颗静止轨道卫星和30 颗非静止轨道卫星组成的网络，我国自主卫星定位导航正在由试验向应用快速发展。[6]

将替代“北斗”导航系统内国外芯片的“领航一号”，还可广泛应用于海陆空交通运输、有线和无线通信、地质勘探、资源调查、森林防火、医疗急救、海上搜救、精密测量、目标监控等领域。

近年来,随着高新技术的迅猛发展,雷达技术有了较大的发展空间,雷达与反雷达的相对平衡状态不断被打破。有源相控阵是近年来正在迅速发展的雷达新技术,它将成为提高雷达在恶劣电磁环境下对付快速、机动及隐身目标的一项关键技术。有源相控阵雷达是集现代相控阵理论、超大规模集成电路、高速计算机、先进固态器件及光电子技术为一体的高新技术产物。

相比之下毫米波雷达具有导引精度高、抗干扰能力强、多普勒分辨率高、等离子体穿透能力强等特点；因此其广泛的用于末制导、引信、工业、医疗等方面。无论是军用还是民用，都对毫米波雷达技术有广泛的需求，远程毫米波雷达在发展航天事业上有广泛的应用前景，是解决对远距离、多批、高速飞行的空间目标的精细观测和精确制导的关键手段。可以预料各种战术、战略应用的毫米波雷达将逐渐增多。[7]

有源相控阵雷达                        毫米波雷达

3.3在医学上的应用

随着社会的发展和科学技术的不断进步，人们对医疗健康、生活质量、疾病护理等方面提出了越来越高的要求。同时，依托于高新领域电子技术的各种治疗和监护手段越来越先进，也使得医疗产品突破了以往观念的约束和，在信息化、微型化、实用化等方面得到了长足发展。诸多专家从医疗健康领域的需求分析入手，从集成电路技术的角度对医疗健康领域的应用的关键技术（现状和前景）做了大致的分析探讨。

随着集成电路越来越多的渗入现代医学，现代医学有了长足进步。在医学管理方面IC卡医疗仪器管理系统就是典型代表。IC卡医疗仪器管理系统集I C 卡、监控、计算机网络管理于一体，凭卡检查，电子自动计时计次，可实现充值、打印，报表功能。系统性能稳定，运行可靠；控制医疗外部关键部位，不与医疗仪器内部线路连接，不影响医疗仪器性能， 不产生任何干扰；管理机与智能床有机结合，分析计次；影像系统自动识别，有效解决病人复查问题；轻松实现网络化管理，可随时查阅档案记录，统计任意时间内的就医人数。[8]

在健康应用方面，临时心脏起搏器作为治疗各种病因导致的一过性缓慢型心律失常及植入永久心脏起搏器前的过渡性治疗，已广泛应用于临床工作，技术成熟。在非心脏的外科手术患者中合并有心动过缓及传导阻滞者，在围手术期可因为麻醉、药物及手术的影响，加重心动过缓及传导阻滞，增加了手术风险，了外科手术的开展，而植入临时心脏起搏器可有效解决上述问题，增加此类患者围手术期的安全性。[9]

心脏起搏器

    磁振造影仪是一种新型医疗设备，对于治疗许多疾病有它独特的功效。磁振造影仪（MRI）是利用磁振造影的原理，将人体置于强大均匀的静磁场中，透过特定的无线电波脉冲来改变区域磁场，藉此激发人体组织内的氢原子核产生共振现象，而发生磁矩变化讯号。因为身体中有不同的组织及成份，性质也各异，所以会产生大小不同的讯号，再经由计算机运算及变换为影像，将人体的剖面组织构造及病灶呈现为各种切面的断层影像。

    身体几乎任何部位皆可执行MRI检查，影像非常清晰与细腻，尤其是对软组织的显影，不是任何其它医学影像系统所能比拟的。目前常用的MRI影像乃是依据各组织内核磁共振讯号所建立的，氢是人体组织中最多的成份，因此MRI影像可诊断各种疾病，包括脑部癌病、水肿、血梗，神经的脱鞘与脂肪不正常分布，铁成份的沉积性疾病、出血，以及心肌不正常收缩等。

MRI的优点除了不须要侵入人体，即可得人体各种结构组织之任意截面剖面图，且可获取其它众多的物理参数信息，MRI检查在国内外十几年来至今尚未发现对人体有任何副作用。

3.4在生活中的应用

提到集成电路我们就不得不提到我们的日常生活，在我们生活中与集成电路有关的产品随处可见。手机、电视、数码相机、摄像机等都与我们的生活关系越来越近。

随着技术的进步和社会的发展，手机以其独特的传播功能，日益成为人们获取信息、学习知识、交流思想的重要工具，成为文化传播的重要平台。目前，我国已有手机用户5亿多，形成以手机为载体的网站、报纸、出版物等新的文化。手机功能和手机款式也在不断更新，以适应现代人们生活的要求。各种各样的手机接连问世，从小灵通到具有摄像功能的高新手机，手机行业正在以惊人冲击人们的思维和眼界。

在科学技术与信息同步变革的社会发展过程中，电视传播对整个社会的支配影响作用十分明显。由于电视是一种变化多端的实践、技巧和技术，于是家庭本身也变成了一种家庭技术的复杂网络。正如电通过电视、电脑、电信技术与外部重新建立新的联系一样，电视重组了家庭的时间、空间、家庭闲暇和家庭角色。正因此，电视传播逐步地融入了大众生活，使人们生活方式和价值观均发生了深刻的变化。伴随着现代社会节奏的加快，外界娱乐费用的增涨，电视传播的普及，已经为人们呆在家中提供了充足的理由和条件，足不出户却可以感受社会交谈带来的人际交际感觉。

    此外，电视传播对于农村家庭的经济发展、社会的信息流通和大众家庭的教育都有很大的作用，电视传播也影响了家庭的装修风格与布局，由于电视装置在家庭中占据空间的原因，出现了电视装修墙以求美观。

参考文献

[1] 王竞.集成电路的发展趋势及面临的问题.科技资讯. 2009年 NO.27

[2] http://www.99dianzi.com/news/201211/09/news_162.html

[3]  李惠军.现代集成电路制造工艺原理.山东大学出版社  2006  

[4]  于宗光.硅集成电路发展趋势及展望. 电子与封装.2003

[5] 王永刚.集成电路的发展趋势和关键技术.电子元器件应用第11卷第1期 2009年1月l

[6]  朱峥嵘.国外雷达技术新进展概述.信息化研究，2010.6

[7]  刘荣丰 李 博.毫米波雷达的应用及发展趋势.科协论坛.  2009年第一期

[8]  王志华、张哓昱等.集成电路技术在医疗健康领域的应用.中国集成电路  2010.3

[9]  白洁.临时心脏起搏器在外科手术中的应用.中国现代医药杂志2010 年1 月第12 卷第1 期