从电子管到集成电路
从电子管到集成电路
二十世纪初叶是电子科学发展的黄金时代，电子二极管的出现被称为电子技术的开端；晶体管的出现使电子技术带来了革命性变化；集成电路的出现开拓了电子器件微型化的道路；而大规模集成电路、超大规模集成电路的出现，打破了电子元件和电子线路之间存在着的传统界限，使电子技术领域实现了真正的变革。
电子管的发明
１８８３年，美国发明家爱迪生（T.A.Edison,１８４７─１９３１）发现了热的灯丝发射电荷的现象，并被称为“爱迪生效应”。１８８９年，英国著名物理学家汤姆逊(J.J.Thomson,1856─1940)解释了这种现象，并把带电的粒子称为“电子”。同年，英国伦敦大学电工学教授弗莱明( S.J.A.Fleming,1849─1945 )开始认真研究爱迪生效应，并且于１９０４年研制出检测电波用的第一只真空二极管，从而宣告人类第一个电子二极管的诞生，由于弗莱明的二极管在实际应用中比法国科学家布兰雷发明的粉末检波器稳定，因而在当年１１月就获得了英国专利。不久以后，意大利科学家马可尼（M.G.Marconi，１８７４─１９３７）就继承了弗莱明的这一专利。１９０６年，美国发明家德福雷斯特（L.Do.Forest,1873─1961）在对弗莱明的二极管进行实验时发现，若在阳极Ａ和阴极Ｋ的中间加上栅状的电极Ｇ，在Ｇ上加负的偏压就可以使阳极电流为零。如果改变栅极电压，就可以使阳极电流发生相应的变化，这个实验结果使德福雷斯特高兴异常。由于德福雷斯特在二极管的两个电极之间增加了一个形状像栅栏原电极，用来控制电流的大小，从而制造出三极管，因而可以用较小的控制电压获得很大的输出电流或电压，具有放大信号的作用，在当时算是非常优秀的电子器件了，但随着时间的推移，三极管的不足之处渐渐表现出来，首先放大系数只有３─３０左右，使用中嫌它不够大；其次，阴极与栅极之间的电容太大，本身容易产生振荡，１９１３年，美国学者林格慕在三极管里增加第二栅极，从而出现了四极管，其放大倍数可达１６０─６００。１９２６年荷兰菲利浦公司首次发明了五极管。电子管的出现推动了无线电电子学的蓬勃发展。随着航空工业的发展，特别是雷达、火箭的发明，对电子管又提出了更新、更高的要求，这将促使更新类型电子器件的出现。
晶体管的诞生
１９２８年，有人提议用半导体材料制作和电子管功效相当的检波管。但是，由于当时还缺少研究半导体电子特性的固体物理学知识，因而未引起人们的注意，随着固体物理学的晶体生长理论和生长技术的发展，高纯度的晶体锗生产出来了，这就给晶体管的研究创造了条件。１９４５年，美国著名电子学研究中心贝尔实验室的三位物理学家肖克利（W.Shockley,1910─)、巴丁（J.Bardeen,1908─)、布拉坦（W.H.Brattain,１９０２─）开始致力于半导体性质的研究，肖克利专长于理论研究，有着丰富的物理思想，巴丁是运用基础理论解决实际问题的大师；布拉坦则是善于巧妙地进行各种实验的能手，他们的主攻方向是发现控制半导体中电子流动的方法，探索一种能排除电子管缺陷并起到放大作用的电子器件，并以硅、锗这类半导体作为研究对象。
布拉坦回忆这段发明史时这样记述到：“我决定在锗表面上做两个靠得比０.０５毫米还要近的触点，而我们作点接触的最细的导线直径是０.１３毫米，这在工艺上提出了难题。不过，由于技术助手的帮助，我做到了这一点，他剪了一片三角形的塑料片，并在其狭窄而平坦的侧面上牢固地粘上金箔。我们先在金箔的两端连接引线（并通电源），以便检查金箔是否被割开，我小心地使用薄刀片的顶端把金箔割成两半，然后用弹簧加压的办法，把塑料片连同金箔一起压在经过处理的锗片上......，我发现，假若我轻轻地摇动它，使它处于最佳的接触位置，我就得到了半导体同金箔两端的两个触点，一个当成发射极而另一个当成集电极。这样，我就得到了一个放大倍数达１００量级的放大器，而且直到音频还是清晰的”。１９４７年，他们终于制成了世界上第一个固体放大器晶体三极管。在实验笔记上布拉坦写道：“电压增益１００，功率增益４０，电流损失１／２.５......”。放大器做出来后，布拉坦与皮尔斯(J.Pierce,1910─)把它命名为晶体管，来源于“跨阻”的英文缩写。
晶体管的发现在电子学发展史上具有划时代的意义，它开创了电子学的新纪元，使电子设备逐步踏上固体化征途，并促进许多新兴科学的发展。它使电子技术开创了一个新的里程，正因如此，肖克利、巴丁、布拉坦三人由于发明晶体管以及在半导体理论方面的贡献，而共同荣获１９５６年度诺贝尔物理奖。
走向小型化的道路
晶体管的出现使电子设备体积缩小，耗电减少，可靠性提高。由于晶体管可形成大规模工业化生产，其售价便宜，使电子设备成本也大幅度降低。然而，电子元器件的这些变革，仍然满足不了电子工业迅速发展的需求，对导弹、火箭、人造卫星和宇宙飞船来说，迫切需要轻便、小巧、可靠的电子设备，晶体管已达不到这个要求。以一台中型电子计算机为例，它的电子元件数高达上百万个，单机元件增多，暴露出晶体管自身的缺陷。为了克服晶体管的这些弱点，科学家想尽办法使它的体积变小，与之配套的电阻、电容、线圈、继电器、开关等元件，也沿着小型化的道路被压缩成微型电子元器件，晶体管最小的已达到只有小米粒一样。然而，晶体管本身的小型化当然不是无限的，它达到一定程度后就很难再缩小了，于是人们又转而着手做改革装配技术的尝试，专家们将小型晶体管和其它小型元件，紧密地排在一起装配在薄薄的带有槽孔的绝缘基板上，用超声波或电子束焊接好，再把安装好的基板一块块地重叠起来，构成一个高度密集的立方体，形成高密度装配的“微模组件”。采用这种方法，最高可以把２００多万个元件封装在一立方米的体积中，这几乎达到封装密度的极限。不过，随着电子设备中焊接点的增多，出故障的可能性愈大。微模组件虽然缩小了元件所占的空间，但并没有减少各元件之间的焊接点数目。因此，微模组件也就没能提高电子设备的可靠性。同时，由于元件过分密集，装配很不方便，劳动强度增加了，所以电子设备的成本便不可能降低，这样一来，要想继续改进电子设备，必须另辟蹊径。人们发现在晶体管内部结构上蕴藏着小型化的巨大潜力。实际上，晶体管中真正起作用的部分只是芯片，按照理论计算，一个小功率晶体管芯片面积只要数十平方微米就足够用了。但是，由于燥作人员不可能在更小的尺寸范围内精确处理，芯片往往有0．5平方毫米大小，这就是说，晶片面积的99％白白浪费了，而且，一个晶体管除了芯片以外，还有引线。支架、管壳和底座，芯片只占整个晶体管总重的0．03％左右，芯片的体积也只占总体积的0．02％。为了充分利用这些闲置起来的空间，人们想把几个晶体管的芯片封装在一个管壳内，然后把各晶体管的电汲引线引出管壳之外。但立刻又发现这种作法有很大的局限性。不仅不能充分利用晶体管内部的有效空间，相反过多的焊接点往往导致晶体管报废。就整讥而言，焊按点并没减少。可靠性仍没能提高。至此为止．品体管的小型比的道路似乎面临了绝境。
集成电路的伟大构思
1952年，美国雷达研究所的科学家达默（Ｇ．Ｗ．Ａ．Ｄummer）在一次电子元件会议上指出：“随着晶体管的发明和半导体研究的进展，目前看来，可以期待将电子设备制作在一个没有引线的固体半导体板块中，这种固体板块由若干个绝缘的、导电的、整流的以及放大的材料层构成，各层彼此分割的区域直接连接，可以实现某种功能。”把电子线路所需要的整流、放大、绝缘、导电等功能元件，统统制做在一块半导体晶片上，晶片就得到充分利用，一小块晶片就变成一个完整电路，组成电路的各种元件——晶体管、电阻、电容及引线集合成一个不可分割的密集整体，从外观上已不能分辨哪个是晶体管，哪个是电容器，哪个是电阻了。传统电路中功能各异的分立元件界限消除了，这样一来，电子线路的体积就大大缩小，可靠性明显提高，这就是初期集成电路的构想。
１９５６年，美国材料科学专家富勒和赖斯发明了半导体生产的扩散工艺，为研制集成电路提供了具体工艺技术，1958年，美国德克萨斯仪器公司的青年工程师基尔比，受达默思想的启发，大胆地提出了用一块半导体硅晶片制作一个完整功能电路的新方案•他在研制微型组件的晶体管中频放大器时，用一块硅晶制成了包括电阻、电容在内的分立元件实验电路、实验结果非常令人满意。到1958年底，他们已经解决了半导体阻容元件和电路制作中的许多具体工艺问题，确定了集成电路的标准封装尺寸，为大规模工业化生产做好了各项准备。
1959年，美国仙童公司的诺伊斯研究出一种二氧化硅的扩散技术和PN结的隔离技术，从而完成了集成电路制作的全部工艺。紧接着，光刻技术和其他技术也相继发明，以致人们可以把晶体管和其它功能的电子元件压缩到一小块半导体硅晶片上。1961年，美国德克萨斯公司同美国空军合作，首先利用集成电路制成第一台试验性计算机，该机共有587块集成电路，只有285克，体积不到１００立方厘米，功耗仅仅16瓦，运行可靠，工作准确无误，充分显示了集成电路的技术先进性和强大生命力。在单块晶片上能集成100个以上门电路的集成电路称为大规模集成电路。而把能在单块芯片上集成10000个门电路的集成电路称为超大规模集成电路。随着制作工艺的进步和新技术的应用，人们把一个线路系统或一台电子设备所包含的所有晶体管和其它电子元件统统制在一块晶片上，从而大大缩小了体积并提高了可靠性。1969年出现了第一块大规模集成电路，之后随着大直径硅单晶材料性能的提高及离于束和新隔离技术的应用，特别是光刻工艺精度的不断提高，使制作在晶片上的电子元件的几何尺寸越来越小，于是在70年代中期，超大规模集成电路问世了。
