什么是集成電路？

自從人類開始使用電子設(shè)備以來，電子世界經(jīng)歷了許多技術(shù)進(jìn)步。然而，集成電路代表了這些技術(shù)發(fā)展中最重要和最具變革性的技術(shù)之一。集成電路不僅徹底改變了電子產(chǎn)品，而且永遠(yuǎn)改變了其發(fā)展方向。電子產(chǎn)品的小型化或從大件到小件的減少將為當(dāng)前和未來的任何創(chuàng)新提供信息。但什么是集成電路呢？它在電子領(lǐng)域的作用是什么？

集成電路 (IC )

集成電路的近代歷史可以追溯到真空管。真空管在早期的電子設(shè)備和裝置中發(fā)揮著重要作用。然而，起源源于1947年Shockley WB和他的團(tuán)隊(duì)的晶體管發(fā)明。研究小組發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)?shù)那闆r下，電子可以在特定的晶體表面上形成勢(shì)壘。了解如何通過操縱晶體勢(shì)壘來調(diào)節(jié)電流是一項(xiàng)重大突破。它允許開發(fā)一種負(fù)責(zé)特定電氣功能的設(shè)備（晶體管），例如信號(hào)放大，這是真空管之前執(zhí)行的。

集成電路代表包含電子零件或組件的組件的單個(gè)制造單元。除了二極管和晶體管等有源器件及其互連之外，電阻器和電容器等微型無源器件也構(gòu)建在薄半導(dǎo)體基板（主要是硅）上。它確保最終的芯片尺寸很?。赡苤挥袔灼椒嚼迕谆驇缀撩祝?。

與早期使用的真空管不同，集成電路消耗更少的功率并且散發(fā)更少的熱量。與真空管相比，它也更可靠。集成電路采用了一種獨(dú)特的設(shè)計(jì)，部署了將 IC 與分立元件相結(jié)合的混合固態(tài)格式。組件之間的連接非常微小，肉眼無法看到它們。

集成電路在電子產(chǎn)品中至關(guān)重要，幾乎所有（如果不是全部）我們每天都會(huì)接觸的電子設(shè)備和裝置。

集成電路的分類

假設(shè)您想設(shè)計(jì)一款供電子產(chǎn)品使用的芯片。它總是有助于了解 IC 的不同分類和類型。我們可以將集成電路分為不同尺寸的類別。它包括SSI（每個(gè)電子芯片包含2到30個(gè)門）、MSI（每個(gè)芯片包含30到300個(gè)門）和LSI（每個(gè)芯片包含300到3000個(gè)門）。另一類是 VLSI，每個(gè)芯片有超過 3000 個(gè)門。

集成電路類型

IC 的類型取決于制造它們所使用的技術(shù)或方法。因此，不同的類型包括以下幾種。

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厚膜和薄膜集成電路

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單片集成電路

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多芯片或混合集成電路

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厚IC和薄IC

它是一種獨(dú)特類型的集成電路，集成了電容器和電阻器等無源元件。然而，晶體管和二極管等有源元件作為不同的元件連接起來，以建立完整且單一的電路。它始終意味著商業(yè)制造的厚集成電路和薄集成電路的分立元件和集成元件的簡(jiǎn)單組合。

薄IC和厚IC具有相似的屬性和外觀，盡管它們的薄膜沉積方法不同。正是根據(jù)這個(gè)基礎(chǔ)，你才能區(qū)分薄集成電路和厚集成電路。薄膜集成電路是通過在陶瓷或玻璃表面基底上沉積導(dǎo)電材料而生產(chǎn)的。具有不同電阻率的陶瓷或玻璃材料上（沉積膜的）厚度會(huì)發(fā)生變化。由此，能夠制造無源部件。

另一方面，厚膜集成電路使用絲網(wǎng)印刷方法在陶瓷材料或基板上開發(fā)預(yù)期的電路圖案。正是由于這種印刷技術(shù)，它有時(shí)被推斷為印刷薄膜。屏蔽通常由細(xì)金屬絲網(wǎng)（不銹鋼）制成，其連接處含有介電、電阻和導(dǎo)電特性的漿料。然后它會(huì)通過高溫爐，以確保薄膜與材料或基材在打印后完成融合。

單片集成電路

單片 IC 在單個(gè)硅芯片上具有無源和有源元件、分立部件和互連。這一切都意味著單片集成電路是建立在單個(gè)晶體上的電路（電路）。

單片集成電路是當(dāng)今電子環(huán)境中的標(biāo)準(zhǔn)。影響其受歡迎程度的一些因素是其可靠性和生產(chǎn)這些 IC 的低廉成本。它是一種 IC 類型，可用作穩(wěn)壓器、放大器、計(jì)算機(jī)電路和 AM 接收器。但是，盡管除了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域之外，單片 IC 還具有如此全面的優(yōu)勢(shì)，但它也有一些缺點(diǎn)。其主要原因是其額定功率低或差，此外還無法制造絕緣體等。

多芯片或混合集成電路

它是一種包含多個(gè)芯片的集成電路，并且這些芯片通常是互連的?；旌霞呻娐分邪挠性丛菙U(kuò)散二極管或晶體管。另一方面，無源部件或組件是單個(gè)芯片上的擴(kuò)散電容器或電阻器。

多重或混合集成電路中的組件通過金屬化圖案連接。此類 IC 類型適用于5W 至超過 50W 的高功率放大器。

此外，需要謹(jǐn)慎注意的是，這三種分類并不詳盡，因?yàn)榧呻娐愤€存在其他分類。它包括數(shù)字集成電路、模擬集成電路和混合信號(hào)集成電路。

數(shù)字集成電路

數(shù)字集成電路是一種特殊類型的集成電路，其功能基于基本數(shù)字系統(tǒng)。1 和 0 兩個(gè)電平定義了電路，分別表示“關(guān)”和“開”或“高”和“低”。數(shù)字 IC的一個(gè)很好的例子包括擁有數(shù)百萬個(gè)邏輯門和觸發(fā)器的微控制器和微處理器。

數(shù)字集成電路處理離散信號(hào)，例如利用“真/假”邏輯函數(shù)的二進(jìn)制值。此外，“OR”、“NOT”和“AND”等邏輯函數(shù)對(duì)于開發(fā)現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)中使用的功能至關(guān)重要。邏輯函數(shù)（基本布爾函數(shù)）由晶體管實(shí)現(xiàn)。我們還可以利用晶體管來構(gòu)建電子元件。目前，集成電路在一個(gè)微小的芯片上結(jié)合了大量的小尺寸晶體管（多達(dá)數(shù)十億個(gè)）和其他元件來實(shí)現(xiàn)特定的功能。此類功能可以被證明是簡(jiǎn)單的（如“非”基本邏輯功能）或復(fù)雜的功能（微處理器）

數(shù)字集成電路通過數(shù)字和/或字符的混合來區(qū)分。例如，英特爾的微處理器根據(jù)不同的方案有不同的名稱。奔騰代表了這些關(guān)鍵處理器之一。它是包含半導(dǎo)體LC 且?guī)в刑幚砥鞯乃芰贤鈿さ拿Q。以前，數(shù)字命名各自的處理器，在某些情況下，是字母和數(shù)字的組合。

數(shù)字IC的一些例子包括CMOS、MOS、TTL等，每種都有其獨(dú)特的屬性和優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)字集成電路家族

邏輯系列是電子邏輯門組。每個(gè)系列都擁有其獨(dú)特水平的分立邏輯門、單個(gè)組件、電源、特性、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。特定系列內(nèi)的電壓范圍可以證明是高水平或低水平。其中一些家庭包括以下人員。

DL 或二極管邏輯

二極管和寄存器實(shí)現(xiàn)邏輯。除了邏輯開關(guān)之外，二極管還有助于執(zhí)行“AND”和“OR”運(yùn)算。確保二極管具有正向偏置導(dǎo)通始終至關(guān)重要。雖然有益，但除了無法在許多狀態(tài)下運(yùn)行之外，它無法執(zhí)行“NOT”功能。它還往往會(huì)迅速降低信號(hào)質(zhì)量。

RTL 或電阻晶體管邏輯

在這種情況下，晶體管和寄存器可以很好地實(shí)現(xiàn)邏輯。晶體管將反相信號(hào)與放大的輸入相結(jié)合。RTL 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)，但速度較慢。此外，RTL 需要大量電流，它們可用作數(shù)字電路和線性電路之間的接口。

DTL 或二極管晶體管邏輯

二極管和寄存器用于實(shí)現(xiàn)邏輯。DTL 比 RTL 和 DL 更有優(yōu)勢(shì)。它的二極管除了具有晶體管和放大輸出信號(hào)的能力外，還可以執(zhí)行“或”和“與”運(yùn)算。DTL 中存在的邏輯反轉(zhuǎn)允許信號(hào)恢復(fù)到完整的邏輯電平，主要是在邏輯門的輸出處合并晶體管時(shí)?！癘R”功能由二極管而不是電阻器執(zhí)行，它消除了輸入信號(hào)之間的相互作用。

TTL 或晶體管-晶體管邏輯

TTL 在合同集成電路中實(shí)現(xiàn)除雙極晶體管之外的邏輯。它有標(biāo)準(zhǔn)、高速、低功耗或肖特基 TTL。然而，家庭代表了電子行業(yè)人士的普遍選擇。

ECL 或發(fā)射極耦合邏輯

該邏輯是非結(jié)構(gòu)化的，具有高速和低傳播延遲的優(yōu)點(diǎn)。

CMOS 或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體邏輯

由于其低功耗和高扇出，它是大多數(shù)人流行的邏輯選擇。因此，它代表了邏輯系列中最可靠的。

數(shù)字電路設(shè)計(jì)

與模擬電路相比，數(shù)字電路包含數(shù)百萬個(gè)組件。因此，設(shè)計(jì)過程需要假設(shè)一個(gè)重用和復(fù)制類似電路功能的模型。它主要使用包含已結(jié)構(gòu)化電路組件庫的數(shù)字設(shè)計(jì)程序。除了在指定位置包含接觸點(diǎn)之外，此類庫還具有相似高度的組件。無論計(jì)算機(jī)配置的布局如何，您都需要考慮其他或額外的嚴(yán)格一致性，以確保它們?nèi)颗浜显谝黄稹?/p>

雖然 SPICE 等軟件設(shè)計(jì)套件在模擬 IC 設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用，但數(shù)字 IC 的復(fù)雜性需要一種不太全面的方法。因此，當(dāng)涉及預(yù)配置電子電路塊的數(shù)學(xué)模型時(shí)，數(shù)字分析程序往往會(huì)忽略特定組件。

然而，必須注意的是，數(shù)字 IC 只能根據(jù)電路的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)和部署。此外，與模擬電路相比，數(shù)字IC 設(shè)計(jì)對(duì)時(shí)間、創(chuàng)新、團(tuán)隊(duì)合作和經(jīng)驗(yàn) 的要求較低。

模擬電子電路

它代表運(yùn)算放大器、電容器、電阻器和其他基本組件的復(fù)雜組合。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，模擬電子電路可以變得復(fù)雜或簡(jiǎn)單。例如，它只能組合兩個(gè)電阻器來分壓，或者變得復(fù)雜，由大量組件組成優(yōu)雅的結(jié)構(gòu)。

模擬電子電路可以隔離、衰減、放大、失真或修改信號(hào)。該電路還可以將原始信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這是一個(gè)很難設(shè)計(jì)的電路，因?yàn)榕c數(shù)字電路相比，設(shè)計(jì)所需的精度較高。雖然很重要，但當(dāng)代電路傾向于數(shù)字化而不是模擬化。在存在模擬電路的情況下，他們?nèi)匀徊渴鹞⑻幚砥骰驍?shù)字技術(shù)來提高性能。

模擬電子電路有有源電子電路和無源電子電路兩種類型。無源電子電路不消耗任何功率，而有源電子電路消耗一些功率。模擬電路和組件的重要性不能因?yàn)樗鼈兒芎?jiǎn)單而被低估。它有助于過濾連續(xù)的模擬信號(hào)，因?yàn)樗哂杏兄谙胁恍枰念l率內(nèi)容的濾波器。與數(shù)字電路相比，它也更便宜且使用更簡(jiǎn)單。

模擬電路具有比數(shù)字信號(hào)開關(guān)更有效的開關(guān)電源模式。在處理從 0 到 400V 的電源切換時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要。此外，直流和交流系統(tǒng)中的電力傳輸模式（連續(xù)）需要模擬組件，因?yàn)樗鼈兊奶匦院湍陀眯?。在混合系統(tǒng)中，A/D 之前和 D/A 后的噪聲采樣后過濾也變得很重要。這樣的系統(tǒng)需要數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

設(shè)計(jì)模擬電路

除了將其修改為有用的形式之外，模擬電路在電流或電壓吸收方面被證明是無限可變的。它可以包括信號(hào)放大、與其他信號(hào)比較、與其他信號(hào)混合、與其他信號(hào)分離、檢查其價(jià)值或進(jìn)行操縱。因此，模擬電路的設(shè)計(jì)過程需要仔細(xì)考慮。需要考慮的一些方面應(yīng)包括每個(gè)特定組件的類型、布局、尺寸和連接。作為一名設(shè)計(jì)師，需要做出獨(dú)特的決定，例如需要證明一個(gè)特定連接的寬度。它還可以包括決定是否將特定電阻器與另一個(gè)電阻器垂直或平行放置等。每個(gè)細(xì)節(jié)對(duì)于影響電子產(chǎn)品的最終性能都很重要。

當(dāng)前模擬電路的設(shè)計(jì)要求已經(jīng)超越了早期存在的簡(jiǎn)單計(jì)算。它需要更復(fù)雜的方程來檢查實(shí)驗(yàn)室測(cè)量中不會(huì)出現(xiàn)的微妙影響。所有復(fù)雜的計(jì)算都由計(jì)算機(jī)程序來解釋，尤其是那些專門從事公共領(lǐng)域電路分析的程序。

集成電路制造

集成電路的生產(chǎn)總是從設(shè)計(jì)開始，到制造結(jié)束。作為一名IC 設(shè)計(jì)師，了解這兩種工藝對(duì)于確保適合預(yù)期應(yīng)用的高質(zhì)量集成電路至關(guān)重要。它還有助于確定能夠滿足您的質(zhì)量規(guī)格和預(yù)算的合適電子電路制造商。那么，需要牢記哪些重要的 IC 制造步驟呢？

開發(fā)基礎(chǔ)晶圓

基礎(chǔ)晶圓代表構(gòu)建集成電路的基板。確保這種半導(dǎo)體材料的純度以獲得一致的性能是謹(jǐn)慎的做法。直拉法最初發(fā)現(xiàn)了開發(fā)大型單晶硅的基本方法，因此得名直拉法。它具有高溫（約 1500 攝氏度）的特點(diǎn)，可在熔融石英容器中加熱電子級(jí)硅。雖然漫長(zhǎng)而緩慢，但幾天后，大硅晶錠就會(huì)被切成晶圓（?。?。集成電路是在晶圓上同時(shí)制造的。

分層構(gòu)建

它包括下一步的每個(gè)組件，如電容器、二極管、晶體管等，我們可以使用 n 型和 p 型半導(dǎo)體輕松構(gòu)建。集成電路由構(gòu)建在半導(dǎo)體襯底上的多層組成。層的構(gòu)建一次一層地進(jìn)行，也許最終的 IC 產(chǎn)品可以擁有多達(dá) 30 層以上。每個(gè) p 型和 n 型的位置需要盡早規(guī)定，尤其是在每一層上。

各層的蝕刻是通過指定用于材料沉積的特定點(diǎn)上的幾何形狀和線條進(jìn)行的。此外，晶圓可以通過沉積、蝕刻或注入來改變。沉積意味著在晶片上應(yīng)用物質(zhì)薄膜。它可以通過物理或化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。

另一方面，蝕刻意味著通過使用 RIE 或反應(yīng)離子蝕刻進(jìn)行蝕刻來去除材料。然而，注入是一種通過用更多原子轟擊表面來修改晶圓的方法。額外原子的嵌入改變了材料的特性并開發(fā)出p型和n型材料。

集成電路價(jià)格

集成電路的制造過程通常是一個(gè)復(fù)雜的過程，具體取決于您決定使用的 IC 類型。設(shè)計(jì)和制造過程所需的材料、電子元件、技術(shù)和設(shè)備往往對(duì) IC 的定價(jià)影響最大。然而，由于多種原因，集成電路的價(jià)格比分立電路低。

首先，IC 及其組件很小，因此可以通過光刻印刷成單個(gè)單元。這與有條不紊地構(gòu)建（一個(gè)接一個(gè)晶體管）不同，后者變得麻煩且耗時(shí)。其次，由于封裝集成電路的尺寸，與分立集成電路相比，封裝集成電路使用的材料更少。因此，生產(chǎn)成本降低，這也影響了價(jià)格。

IC價(jià)格除了生產(chǎn)成本外，也會(huì)根據(jù)制造公司和地理區(qū)域的不同而有所不同。地理位置會(huì)影響交付成本、IC 原材料的可及性和運(yùn)輸成本、合格且廉價(jià)勞動(dòng)力的可及性、技術(shù)的可及性等。制造公司根據(jù)其在電路行業(yè)的品牌和地位來影響成本。信譽(yù)較好的公司大批量提供質(zhì)量更好的產(chǎn)品，因此 IC 成本略為優(yōu)惠。

集成電路的功能

集成電路在幾乎所有電子設(shè)備和裝置中都至關(guān)重要。IC 是濃縮高級(jí)任務(wù)功能的主要組件。它包括信號(hào)處理、放大、與微處理器一樣的精細(xì)數(shù)字計(jì)算等。在這種情況下，獲得不依賴集成芯片的電子產(chǎn)品的可能性很小。

集成電路還有助于電子產(chǎn)品的小型化、提高其性能、降低成本等。

例如，集成電路的成本降低功能是通過提供相對(duì)成本有效的選擇來實(shí)現(xiàn)的，即除了將它們安裝在電路板上之外，還可以收集大量電子和半導(dǎo)體元件。如果您必須在分立元件中實(shí)現(xiàn)所有這些，則可能會(huì)達(dá)到大約 250 個(gè)。但是，在 IC 中，元件或零件數(shù)量可以減少到 10 左右。這意味著集成電路的總體材料數(shù)量會(huì)減少，并且生產(chǎn)量也會(huì)減少。流程階段也得到簡(jiǎn)化。

通過芯片內(nèi)的專門電路操作，IC 的性能提升功能成為現(xiàn)實(shí)。例如，許多射頻應(yīng)用變得過于昂貴而無法作為分立部件或組件來執(zhí)行。因此，每當(dāng)需要特定功能時(shí)，行業(yè)就會(huì)設(shè)計(jì)出針對(duì)這些特定應(yīng)用構(gòu)建集成電路的方法。一個(gè)很好的例子是制造商開發(fā) MSI 或中型集成芯片來支持 PC 中的聲音應(yīng)用。它是由于 PC 聲卡的推出而產(chǎn)生的。另一個(gè)關(guān)鍵的性能提升示例包括降低同一產(chǎn)品的功耗，從而帶來更高的能源或功率效率。

最后的想法

當(dāng)前電子行業(yè)的趨勢(shì)是小型化，集成電路在其中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，大多數(shù)行業(yè)參與者的底線是降低成本。雖然任何著名的電子設(shè)備或裝置總是證明投入開發(fā)資源（概念化、設(shè)計(jì)、實(shí)施）是值得的，但集成電路的目的是優(yōu)化電子產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。因此，提供低成本和性能增強(qiáng)的小型電子產(chǎn)品存在無限的可能性。

集成電路是每個(gè)現(xiàn)代電子產(chǎn)品的支柱。但在了解 IC 的不同方面后，將提升您為特定應(yīng)用設(shè)計(jì)和制造集成電路的能力。希望你現(xiàn)在變得更聰明了。

審核編輯 黃宇