集成电路的历史和影响

晶体管的小型化虽然把电子设备的小型化提高到一个新境界，但是应用晶体管组装的电子设备仍然太笨重，仅连接它们的电路就有几千米长和上百万个焊点。随着计算机、人造卫星、航空航天等技术的突飞猛进，晶体管的小型化更是远远不能满足社会的需求，特别是军方的需求。为减少电子设备的重量和体积，不仅晶体管要更小化，电阻器、电容器、继电器等电子元件也要更小化。于是，人们开始在电子设备的高密度上进行各种尝试和努力，“微模组件”式的电子设备应运而生，即先把各种电子元件设法密集地装配在一起，再叠成立体结构。但是，这样的努力离航空航天等精密电子设备的要求仍存在很大的距离。

能否按照电子线路的要求，把晶体管、晶体二极管及其他必要的元件统统集合在一块半导体晶片上？20世纪50年代，许多人都想到了这种办法，但困难的是什么样的工艺能够实现它。

1952年，英国皇家雷达站工程师达默（Geoffrey Dummer）最早提出了这种集成化电路的设想。1952年至1957年，英国、日本和美国的科学家都在做不同的尝试，但这种“集成”并没有提供一个广泛“联接”的方法。受雇于全球联通中心实验室的基尔比（Jack Kilby）也一直想实现这个想法，试图找到这种广泛应用的“联接”。为此，1958年5月，他跳槽到美国德州仪器公司开始了他的晶体管电路小型化的研究。同年9月12日，基尔比终于用锗块制成电阻器，用PN结锗晶体做成电容器，并将锗晶体管等装在玻璃板上的锗晶片上。然后，他用蚀刻法在几个器件间刻出沟道，用细的金线将它们联接形成一个完整的电路，这个电路成为有史以来第一个制成的集成电路（有时也称微电子或者芯片），其大小只有回形针那么大。1958年年底，基尔比和他的同事用带氧化物层的硅块制成电容器，用扩散法制成扩散层电阻器，用硅结晶体管制作出集成相移振荡器电路，并于1959年2月成功申请了专利，3月公开宣布了“固态电路”概念。然而。基尔比的“细的金连线”“联接”方法显然不是一个实用的生产方法，也无法解决“线头”的问题。

美国仙童半导体公司的诺伊斯（Robert Noyce）几乎同时也实现了这种想法。1959年1月23日，他在自己的工作笔记上写道：“将各种器件制作在同一硅晶片上，再用平面工艺将其联接起来，就能制造出多功能的电子线路。这一技术可以使电路的体积减小、重量减轻，并使成本下降。”由于仙童半导体公司有较为领先的平面工艺技术，在器件联接上诺伊斯的想法领先于基尔比。诺伊斯的设想是通过在保护性氧化层上蒸镀铝金属线，将分散在硅面上的电极、晶体管、电阻器和电容器相互联接起来。用“蒸镀铝金属线”取代“细的金连线”为基尔比的固态电路提供了一个甚为实用的方法。1959年7月，诺伊斯用平面工艺制作出硅集成电路，真正实现可以大规模生产的单片集成电路，并为此申请了专利，成为后来集成电路发展的原型。正是因为如此，尽管基尔比先于诺伊斯申请了专利，诺伊斯却与其打了近10年的专利官司。(www.xing528.com)

此后，集成电路不断被改进，集成的电子器件也越来越多。1960年，美国仙童半导体公司的创立者之一拉斯特（Jay Last）成功研发了第一块由4个晶体管和5个电阻组成的商用集成电路——双稳态逻辑电路。同年，第一块MOS集成电路诞生。1962年，美国无线电公司（RCA）的海曼（Fred Heiman）和霍夫斯坦（Steven Hofstein）制造了一个实验性的由16个晶体管组成的单芯片集成电路器件。同年，世界上第一块仅有12个晶体管和电阻的集成电路正式商品面世，标志着第三代电子器件正式登上历史的舞台。1963年，仙童半导体公司的萨支唐（Chih-Tang Sah）和威纳尔斯（Frank Wanlass）发表了现在称之为CMOS技术的论文，为低功耗集成电路打下了基础，CMOS技术也成为当下数字集成电路生产的主流技术。1964年，第一块商用MOS集成电路诞生，通用微电子公司利用MOS工艺制程技术制造了世界上第一个计算器芯片组。1965年，仙童半导体公司研发总监摩尔（Gordon Moore）整理了1959年到1964年间开发的5组产品，发现每个新芯片大体上包含其前一个芯片2倍的容量，而且每个新芯片的产生都是在前一个芯片产生后的18～24个月内。如果按这个趋势继续的话，计算能力相对于时间周期将呈指数式的上升。这就是现在所谓的“摩尔定律”。摩尔当时预测，在今后10年内芯片上的器件数将每年翻一倍，并会在1975年达到6.5万个。1975年，已加入英特尔公司的摩尔对他自己提出的“摩尔定律”进行了一次修改并指出，芯片上集成的晶体管数量将每两年翻一番。

集成电路的发明为微电子学、微电子技术的发展开辟了道路，并按照摩尔定律预测的速度不断发展，对现代工业的影响日益深远。基尔比也因此荣获2000年诺贝尔物理学奖。诺贝尔奖评审委员会曾经这样评价基尔比：“为现代信息技术奠定了基础。”德州仪器公司董事会主席恩吉布斯（Tom Engibous）则评价说：“我认为，有几个人的工作改变了整个世界以及我们的生活方式——亨利·福特、托马斯·爱迪生、莱特兄弟，还有杰克·基尔比。如果说有一项发明不仅革新了我们的工业，而且改变了我们生活的世界，那就是杰克发明的集成电路。”