集成电路发展史

集成电路发展史

香港浸会大学物理系

谢国伟博士

早期发展

早在1830年，科学家已于实验室展开对半导体的研究。他们最初的研究对象是一些在加热后电阻值会增加的元素和化合物。这些物质有一共同点，当它们被光线照射时，会容许电流单向通过，我们可藉此控制电流的方向，称为光电导效应。在无线电接收器中，负责侦测讯息的整流器，就是一种半导体电子仪器的例子。德国的Ferdinand Braun利用了半导体方铅矿，一种硫化铅化合物的整流特性，创制世上第一台整流侦测器，后世俗称为猫胡子的侦测器。基于半导体的整流特性，我们能在整流侦测器内的金属接触面和半导体间建立起一电势差，令电子在某一方向流动时为“顺流而下”，反之则“逆流而上”。至此，半导体电子仪器起始面世。

(晶体管)

到了1874年，电报机、电话和无线电相继发明，使电力在日常生活中所扮演的角色，不再单单是能源的一种，而是开始步入了信息传播的领域，成为传播讯息的一种媒介。而电报机、电话以及无线电等早期电子仪器亦造就了一项新兴的工业──电子业的诞生。

(整流器)

(电容)

在二十世纪的前半段，电子业的发展一直受到真空管技术的掣肘。真空管顾名思义是抽走了空气的玻璃管，内有阴、阳两极，电子会由阴极流向阳极。为了增加电子的流动，我们将阴极管加热至高温（摄氏数百度计），令电子在阴极受热“跳”出。再加上另外一枝电势比阴极还要略低的电极──控制栅极。我们能借着调整其电势来控制电子流动，以达到控制电流的目标。真空管本身有很多缺点：脆、易碎、体积庞大、不可靠、耗电量大、效率低以及运作时释出大量热能。这些问题，直到1947年贝尔实验室发明了晶体管后才得到解决。晶体管就像固态的真空管，电子由阴极流向阳极（在晶体管中称为电子泉和汲极），电子的流动则由一类似真空管中控制栅极的闸门控制。与真空管相比，晶体管体积细小、可靠、耐用、耗电量少而且效率高。晶体管的出现，令工程师能设计出更多更复杂的电路，这些电路包括了成千上万件不同的组件：晶体管、二极管、整流器和电容。可是，体积细小的电子零件却带来另一个问题：就是需要花费大量时间和金钱以人手焊接把这些组件接驳起，但人手焊接始终不是绝对可靠，令电路中成千上万的焊接点都有机会出现问题。因此，电子业接下来所面对的问题，就是要找出一种既可靠又合乎成本效益的方法以生产和焊接电子零件。

(现代常见二极管)

(现代常见LED)

集成电路

(Jack Kibly发明的半导体集成电路-相片由Texas Instruments Semiconductor

Asia 提供)

正如上文所述，以人手将电子零件焊接成电路是一件十分不化算的工作，美国军方为此而寻求更有效的方法。其中一项计划由U.S. Army Signal Corps赞助，名为Micro-Module program。计划的意念是将所有不同类型的电子零件制成划一的大小和形状，并在生产时加上电线。这样，在组装零件时，便可将大小划一的电阻、电容和晶体管等像砌积木般组装成设计的电路，免去焊接的烦恼。

(will be presented in link of picture)

Jack Kibly发明的半导体集成电路

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Micro-Module program当年由德州仪器承办，1958年，Jack Kilby加入德州仪器，

他当时于米尔沃基的中央实验室工作，清楚明白到电子业当前所面对的问题，而且意识到Micro-Module program只是治标不治本（试想像当你设计一个像计算机处理器般复杂的电路时，那个由成千上万电子零件所组成的庞然大物），未能从根本解决将大量电子零件整合成电路时的困难。有见及此，Kilby开始构思他自己的一套解决方案，他认为使用半导体去制作电路板会是一个可行的办法。1958年7月，正当每名德州仪器员工都在享受两星期例假的时候，Kilby独自一人开始将他的半导体集成电路构思付诸实行。Kilby在当时德州仪器新建成的半导体大楼进行研究。直到9月，他成功将一组电路安装在一片半导体上。于同年的9月12日，Kilby邀请了几位德州仪器的高层职员，包括前主席Mark Shepherd，出席他的示范。当时众人眼前所见的是一片银色的锗金属，上面接满电线。当Kilby 启动这个看似简陋的装置后，示波器的显示屏上马上出现了一条正弦曲线-一个简单振动电路。Kilby的发明成功了！他将电子业一直以来所面对的问题解决了，电子业从此踏入一个新的领域。Jack Kilby更借着发明半导体集成电路夺得2000年的诺贝尔物理学奖。

(will be presented in link of video)

Jack Kilby的访问节录

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1959年，英特尔(Intel)的始创人，Jean Hoerni 和Robert Noyce，在Fairchild Semiconductor开发出一种崭新的平面科技，令人们能在硅威化表面铺上不同的物料来制作晶体管，与及在连接处铺上一层氧化物作保护。这项技术上的突破取代了以往的人手焊接。而以硅取代锗使集成电路的成本大为下降，令集成电路商品化变得可行。由集成电路制成的电子仪器从此大行其道，到二十世纪60年代末期，接近九成的电子仪器是以集成电路制成。时至今日，每一枚计算机芯片中都含有过百万颗晶体管。

在Kilby的集成电路面世初期，没有人能想象到这一片微细的芯片能对社会做成多大的冲击。可是，若果没有了集成电路的发明，今时今日许多的电子产品根本没有可能面世。集成电路衍生出整个现代计算机工业，四、五十年代那些动辄用上整个房间的计算机已被现今的桌面计算机、电子手账所淘汰；集成电路亦将通讯科技重新定位，为人与人、公司与公司、国与国之间的通讯提供全新的实时数据传送方法。事实上，若缺少了集成电路，人类今天可能还未能冲出地球去探索太空和登陆月球。集成电路的应用层面已达至教育、运输、生产及娱乐，可谓现今社会不可或缺的一环。