什么是集成电路？

自从人类开始使用电子设备以来，电子世界经历了许多技术进步。然而，集成电路 代表了这些技术发展中最重要和最具变革性的技术之一。集成电路不仅彻底改变了电子产品，而且永远改变了其发展方向。电子产品的小型化或从大件到小件的减少将为当前和未来的任何创新提供信息。但什么是集成电路呢？它在电子领域的作用是什么？

集成电路 (IC )

集成电路的近代历史可以追溯到真空管。真空管在早期的电子设备和装置中发挥着重要作用。然而，起源源于1947年Shockley WB和他的团队的晶体管发明。研究小组发现，在适当的情况下，电子可以在特定的晶体表面上形成势垒。了解如何通过操纵晶体势垒来调节电流是一项重大突破。它允许开发一种负责特定电气功能的设备（晶体管），例如信号放大，这是真空管之前执行的。

集成电路代表包含电子零件或组件的组件的单个制造单元。除了二极管和晶体管等有源器件及其互连之外，电阻器和电容器等微型无源器件也构建在薄半导体基板（主要是硅）上。它确保最终的芯片尺寸很小（可能只有几平方厘米或几毫米）。

与早期使用的真空管不同，集成电路消耗更少的功率并且散发更少的热量。与真空管相比，它也更可靠。集成电路采用了一种独特的设计，部署了将 IC 与分立元件相结合的混合固态格式。组件之间的连接非常微小，肉眼无法看到它们。

集成电路在电子产品中至关重要，几乎所有（如果不是全部）我们每天都会接触的电子设备和装置。

集成电路的分类

假设您想设计一款供电子产品使用的芯片。它总是有助于了解 IC 的不同分类和类型。我们可以将集成电路分为不同尺寸的类别。它包括SSI（每个电子芯片包含2到30个门）、MSI（每个芯片包含30到300个门）和LSI（每个芯片包含300到3000个门）。另一类是 VLSI，每个芯片有超过 3000 个门。

集成电路类型

IC 的类型取决于制造它们所使用的技术或方法。因此，不同的类型包括以下几种。

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厚膜和薄膜集成电路

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单片集成电路

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多芯片或混合集成电路

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厚IC和薄IC

它是一种独特类型的集成电路，集成了电容器和电阻器等无源元件。然而，晶体管和二极管等有源元件作为不同的元件连接起来，以建立完整且单一的电路。它始终意味着商业制造的厚集成电路和薄集成电路的分立元件和集成元件的简单组合。

薄IC和厚IC具有相似的属性和外观，尽管它们的薄膜沉积方法不同。正是根据这个基础，你才能区分薄集成电路和厚集成电路。薄膜集成电路是通过在陶瓷或玻璃表面基底上沉积导电材料而生产的。具有不同电阻率的陶瓷或玻璃材料上（沉积膜的）厚度会发生变化。由此，能够制造无源部件。

另一方面，厚膜集成电路使用丝网印刷方法在陶瓷材料或基板上开发预期的电路图案。正是由于这种印刷技术，它有时被推断为印刷薄膜。屏蔽通常由细金属丝网（不锈钢）制成，其连接处含有介电、电阻和导电特性的浆料。然后它会通过高温炉，以确保薄膜与材料或基材在打印后完成融合。

单片集成电路

单片 IC 在单个硅芯片上具有无源和有源元件、分立部件和互连。这一切都意味着单片集成电路是建立在单个晶体上的电路（电路）。

单片集成电路是当今电子环境中的标准。影响其受欢迎程度的一些因素是其可靠性和生产这些 IC 的低廉成本。它是一种 IC 类型，可用作稳压器、放大器、计算机电路和 AM 接收器。但是，尽管除了广泛的应用领域之外，单片 IC 还具有如此全面的优势，但它也有一些缺点。其主要原因是其额定功率低或差，此外还无法制造绝缘体等。

多芯片或混合集成电路 

它是一种包含多个芯片的集成电路，并且这些芯片通常是互连的。混合集成电路中包含的有源元件是扩散二极管或晶体管。另一方面，无源部件或组件是单个芯片上的扩散电容器或电阻器。

多重或混合集成电路中的组件通过金属化图案连接。此类 IC 类型适用于5W 至超过 50W 的高功率放大器。

此外，需要谨慎注意的是，这三种分类并不详尽，因为集成电路还存在其他分类。它包括数字集成电路、模拟集成电路和混合信号集成电路。

数字集成电路

数字集成电路是一种特殊类型的集成电路，其功能基于基本数字系统。1 和 0 两个电平定义了电路，分别表示“关”和“开”或“高”和“低”。数字 IC的一个很好的例子包括拥有数百万个逻辑门和触发器的微控制器和微处理器。

数字集成电路处理离散信号，例如利用“真/假”逻辑函数的二进制值。此外，“OR”、“NOT”和“AND”等逻辑函数对于开发现代数字系统中使用的功能至关重要。逻辑函数（基本布尔函数）由晶体管实现。我们还可以利用晶体管来构建电子元件。目前，集成电路在一个微小的芯片上结合了大量的小尺寸晶体管（多达数十亿个）和其他元件来实现特定的功能。此类功能可以被证明是简单的（如“非”基本逻辑功能）或复杂的功能（微处理器）

数字集成电路通过数字和/或字符的混合来区分。例如，英特尔的微处理器根据不同的方案有不同的名称。奔腾代表了这些关键处理器之一。它是包含半导体LC 且带有处理器的塑料外壳的名称。以前，数字命名各自的处理器，在某些情况下，是字母和数字的组合。

数字IC的一些例子包括CMOS、MOS、TTL等，每种都有其独特的属性和优点。

数字集成电路家族

逻辑系列是电子逻辑门组。每个系列都拥有其独特水平的分立逻辑门、单个组件、电源、特性、优点和缺点。特定系列内的电压范围可以证明是高水平或低水平。其中一些家庭包括以下人员。

DL 或二极管逻辑

二极管和寄存器实现逻辑。除了逻辑开关之外，二极管还有助于执行“AND”和“OR”运算。确保二极管具有正向偏置导通始终至关重要。虽然有益，但除了无法在许多状态下运行之外，它无法执行“NOT”功能。它还往往会迅速降低信号质量。

RTL 或电阻晶体管逻辑

在这种情况下，晶体管和寄存器可以很好地实现逻辑。晶体管将反相信号与放大的输入相结合。RTL 设计简单且经济，但速度较慢。此外，RTL 需要大量电流，它们可用作数字电路和线性电路之间的接口。

DTL 或二极管晶体管逻辑

二极管和寄存器用于实现逻辑。DTL 比 RTL 和 DL 更有优势。它的二极管除了具有晶体管和放大输出信号的能力外，还可以执行“或”和“与”运算。DTL 中存在的逻辑反转允许信号恢复到完整的逻辑电平，主要是在逻辑门的输出处合并晶体管时。“OR”功能由二极管而不是电阻器执行，它消除了输入信号之间的相互作用。

TTL 或晶体管-晶体管逻辑

TTL 在合同集成电路中实现除双极晶体管之外的逻辑。它有标准、高速、低功耗或肖特基 TTL。然而，家庭代表了电子行业人士的普遍选择。

ECL 或发射极耦合逻辑

该逻辑是非结构化的，具有高速和低传播延迟的优点。

CMOS 或互补金属氧化物半导体逻辑

由于其低功耗和高扇出，它是大多数人流行的逻辑选择。因此，它代表了逻辑系列中最可靠的。

数字电路设计

与模拟电路相比，数字电路包含数百万个组件。因此，设计过程需要假设一个重用和复制类似电路功能的模型。它主要使用包含已结构化电路组件库的数字设计程序。除了在指定位置包含接触点之外，此类库还具有相似高度的组件。无论计算机配置的布局如何，您都需要考虑其他或额外的严格一致性，以确保它们全部配合在一起。

虽然 SPICE 等软件设计套件在模拟 IC 设计中发挥着重要作用，但数字 IC 的复杂性需要一种不太全面的方法。因此，当涉及预配置电子电路块的数学模型时，数字分析程序往往会忽略特定组件。

然而，必须注意的是，数字 IC 只能根据电路的需求进行设计和部署。此外，与模拟电路相比，数字IC 设计对时间、创新、团队合作和经验 的要求较低。

模拟电子电路

它代表运算放大器、电容器、电阻器和其他基本组件的复杂组合。根据设计需要，模拟电子电路可以变得复杂或简单。例如，它只能组合两个电阻器来分压，或者变得复杂，由大量组件组成优雅的结构。

模拟电子电路可以隔离、衰减、放大、失真或修改信号。该电路还可以将原始信号转换为数字信号。这是一个很难设计的电路，因为与数字电路相比，设计所需的精度较高。虽然很重要，但当代电路倾向于数字化而不是模拟化。在存在模拟电路的情况下，他们仍然部署微处理器或数字技术来提高性能。

模拟电子电路有有源电子电路和无源电子电路两种类型。无源电子电路不消耗任何功率，而有源电子电路消耗一些功率。模拟电路和组件的重要性不能因为它们很简单而被低估。它有助于过滤连续的模拟信号，因为它具有有助于消除所有不需要的频率内容的滤波器。与数字电路相比，它也更便宜且使用更简单。

模拟电路具有比数字信号开关更有效的开关电源模式。在处理从 0 到 400V 的电源切换时，这一点尤其重要。此外，直流和交流系统中的电力传输模式（连续）需要模拟组件，因为它们的特性和耐用性。在混合系统中，A/D 之前和 D/A 后的噪声采样后过滤也变得很重要。这样的系统需要数模和模数转换器。

设计模拟电路

除了将其修改为有用的形式之外，模拟电路在电流或电压吸收方面被证明是无限可变的。它可以包括信号放大、与其他信号比较、与其他信号混合、与其他信号分离、检查其价值或进行操纵。因此，模拟电路的设计过程需要仔细考虑。需要考虑的一些方面应包括每个特定组件的类型、布局、尺寸和连接。作为一名设计师，需要做出独特的决定，例如需要证明一个特定连接的宽度。它还可以包括决定是否将特定电阻器与另一个电阻器垂直或平行放置等。每个细节对于影响电子产品的最终性能都很重要。

当前模拟电路的设计要求已经超越了早期存在的简单计算。它需要更复杂的方程来检查实验室测量中不会出现的微妙影响。所有复杂的计算都由计算机程序来解释，尤其是那些专门从事公共领域电路分析的程序。

集成电路制造

集成电路的生产总是从设计开始，到制造结束。作为一名IC 设计师，了解这两种工艺对于确保适合预期应用的高质量集成电路至关重要。它还有助于确定能够满足您的质量规格和预算的合适电子电路制造商。那么，需要牢记哪些重要的 IC 制造步骤呢？

开发基础晶圆

基础晶圆代表构建集成电路的基板。确保这种半导体材料的纯度以获得一致的性能是谨慎的做法。直拉法最初发现了开发大型单晶硅的基本方法，因此得名直拉法。它具有高温（约 1500 摄氏度）的特点，可在熔融石英容器中加热电子级硅。虽然漫长而缓慢，但几天后，大硅晶锭就会被切成晶圆（薄）。集成电路是在晶圆上同时制造的。

分层构建

它包括下一步的每个组件，如电容器、二极管、晶体管等，我们可以使用 n 型和 p 型半导体轻松构建。集成电路由构建在半导体衬底上的多层组成。层的构建一次一层地进行，也许最终的 IC 产品可以拥有多达 30 层以上。每个 p 型和 n 型的位置需要尽早规定，尤其是在每一层上。

各层的蚀刻是通过指定用于材料沉积的特定点上的几何形状和线条进行的。此外，晶圆可以通过沉积、蚀刻或注入来改变。沉积意味着在晶片上应用物质薄膜。它可以通过物理或化学反应发生。

另一方面，蚀刻意味着通过使用 RIE 或反应离子蚀刻进行蚀刻来去除材料。然而，注入是一种通过用更多原子轰击表面来修改晶圆的方法。额外原子的嵌入改变了材料的特性并开发出p型和n型材料。

集成电路价格

集成电路的制造过程通常是一个复杂的过程，具体取决于您决定使用的 IC 类型。设计和制造过程所需的材料、电子元件、技术和设备往往对 IC 的定价影响最大。然而，由于多种原因，集成电路的价格比分立电路低。

首先，IC 及其组件很小，因此可以通过光刻印刷成单个单元。这与有条不紊地构建（一个接一个晶体管）不同，后者变得麻烦且耗时。其次，由于封装集成电路的尺寸，与分立集成电路相比，封装集成电路使用的材料更少。因此，生产成本降低，这也影响了价格。

IC价格除了生产成本外，也会根据制造公司和地理区域的不同而有所不同。地理位置会影响交付成本、IC 原材料的可及性和运输成本、合格且廉价劳动力的可及性、技术的可及性等。制造公司根据其在电路行业的品牌和地位来影响成本。信誉较好的公司大批量提供质量更好的产品，因此 IC 成本略为优惠。

集成电路的功能

集成电路在几乎所有电子设备和装置中都至关重要。IC 是浓缩高级任务功能的主要组件。它包括信号处理、放大、与微处理器一样的精细数字计算等。在这种情况下，获得不依赖集成芯片的电子产品的可能性很小。

集成电路还有助于电子产品的小型化、提高其性能、降低成本等。

例如，集成电路的成本降低功能是通过提供相对成本有效的选择来实现的，即除了将它们安装在电路板上之外，还可以收集大量电子和半导体元件。如果您必须在分立元件中实现所有这些，则可能会达到大约 250 个。但是，在 IC 中，元件或零件数量可以减少到 10 左右。这意味着集成电路的总体材料数量会减少，并且生产量也会减少。流程阶段也得到简化。

通过芯片内的专门电路操作，IC 的性能提升功能成为现实。例如，许多射频应用变得过于昂贵而无法作为分立部件或组件来执行。因此，每当需要特定功能时，行业就会设计出针对这些特定应用构建集成电路的方法。一个很好的例子是制造商开发 MSI 或中型集成芯片来支持 PC 中的声音应用。它是由于 PC 声卡的推出而产生的。另一个关键的性能提升示例包括降低同一产品的功耗，从而带来更高的能源或功率效率。

最后的想法

当前电子行业的趋势是小型化，集成电路在其中发挥着关键作用。然而，大多数行业参与者的底线是降低成本。虽然任何著名的电子设备或装置总是证明投入开发资源（概念化、设计、实施）是值得的，但集成电路的目的是优化电子产品的生产过程。因此，提供低成本和性能增强的小型电子产品存在无限的可能性。

集成电路是每个现代电子产品的支柱。但在了解 IC 的不同方面后，将提升您为特定应用设计和制造集成电路的能力。希望你现在变得更聪明了。

审核编辑 黄宇