什么是集成電路？

自從人類開始使用電子設備以來，電子世界經歷了許多技術進步。然而，集成電路?代表了這些技術發(fā)展中最重要和最具變革性的技術之一。集成電路不僅徹底改變了電子產品，而且永遠改變了其發(fā)展方向。電子產品的小型化或從大件到小件的減少將為當前和未來的任何創(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和他的團隊的晶體管發(fā)明。研究小組發(fā)現，在適當的情況下，電子可以在特定的晶體表面上形成勢壘。了解如何通過操縱晶體勢壘來調節(jié)電流是一項重大突破。它允許開發(fā)一種負責特定電氣功能的設備（晶體管），例如信號放大，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建在薄半導體基板（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?/p>

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特的設計，部署了將 IC 與分立元件相結合的混合固態(tài)格式。組件之間的連接非常微小，肉眼無法看到它們。

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

集成電路的分類

假設您想設計一款供電子產品使用的芯片。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（每個電子芯片包含2到30個門）、MSI（每個芯片包含30到300個門）和LSI（每個芯片包含300到3000個門）。另一類是 VLSI，每個芯片有超過 3000 個門。

集成電路類型

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

• 厚膜和薄膜集成電路

• 單片集成電路

• 多芯片或混合集成電路

厚IC和薄IC

它是一種獨特類型的集成電路，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。正是根據這個基礎，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電材料而生產的。具有不同電阻率的陶瓷或玻璃材料上（沉積膜的）厚度會發(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印刷方法在陶瓷材料或基板上開發(fā)預期的電路圖案。正是由于這種印刷技術，它有時被推斷為印刷薄膜。屏蔽通常由細金屬絲網（不銹鋼）制成，其連接處含有介電、電阻和導電特性的漿料。然后它會通過高溫爐，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晶體上的電路（電路）。

單片集成電路是當今電子環(huán)境中的標準。影響其受歡迎程度的一些因素是其可靠性和生產這些 IC 的低廉成本。它是一種 IC 類型，可用作穩(wěn)壓器、放大器、計算機電路和 AM 接收器。但是，盡管除了廣泛的應用領域之外，單片 IC 還具有如此全面的優(yōu)勢，但它也有一些缺點。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?

它是一種包含多個芯片的集成電路，并且這些芯片通常是互連的。混合集成電路中包含的有源元件是擴散二極管或晶體管。另一方面，無源部件或組件是單個芯片上的擴散電容器或電阻器。

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，需要謹慎注意的是，這三種分類并不詳盡，因為集成電路還存在其他分類。它包括數字集成電路、模擬集成電路和混合信號集成電路。

數字集成電路

數字集成電路是一種特殊類型的集成電路，其功能基于基本數字系統(tǒng)。1 和 0 兩個電平定義了電路，分別表示“關”和“開”或“高”和“低”。數字 IC的一個很好的例子包括擁有數百萬個邏輯門和觸發(fā)器的微控制器和微處理器。

數字集成電路處理離散信號，例如利用“真/假”邏輯函數的二進制值。此外，“OR”、“NOT”和“AND”等邏輯函數對于開發(fā)現代數字系統(tǒng)中使用的功能至關重要。邏輯函數（基本布爾函數）由晶體管實現。我們還可以利用晶體管來構建電子元件。目前，集成電路在一個微小的芯片上結合了大量的小尺寸晶體管（多達數十億個）和其他元件來實現特定的功能。此類功能可以被證明是簡單的（如“非”基本邏輯功能）或復雜的功能（微處理器）

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

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

數字集成電路家族

邏輯系列是電子邏輯門組。每個系列都擁有其獨特水平的分立邏輯門、單個組件、電源、特性、優(yōu)點和缺點。特定系列內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

二極管和寄存器實現邏輯。除了邏輯開關之外，二極管還有助于執(zhí)行“AND”和“OR”運算。確保二極管具有正向偏置導通始終至關重要。雖然有益，但除了無法在許多狀態(tài)下運行之外，它無法執(zhí)行“NOT”功能。它還往往會迅速降低信號質量。

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現邏輯。晶體管將反相信號與放大的輸入相結合。RTL 設計簡單且經濟，但速度較慢。此外，RTL 需要大量電流，它們可用作數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現邏輯。DTL 比 RTL 和 DL 更有優(yōu)勢。它的二極管除了具有晶體管和放大輸出信號的能力外，還可以執(zhí)行“或”和“與”運算。DTL 中存在的邏輯反轉允許信號恢復到完整的邏輯電平，主要是在邏輯門的輸出處合并晶體管時?！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現除雙極晶體管之外的邏輯。它有標準、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

該邏輯是非結構化的，具有高速和低傳播延遲的優(yōu)點。

CMOS 或互補金屬氧化物半導體邏輯

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

數字電路設計

與模擬電路相比，數字電路包含數百萬個組件。因此，設計過程需要假設一個重用和復制類似電路功能的模型。它主要使用包含已結構化電路組件庫的數字設計程序。除了在指定位置包含接觸點之外，此類庫還具有相似高度的組件。無論計算機配置的布局如何，您都需要考慮其他或額外的嚴格一致性，以確保它們全部配合在一起。

雖然 SPICE 等軟件設計套件在模擬 IC 設計中發(fā)揮著重要作用，但數字 IC 的復雜性需要一種不太全面的方法。因此，當涉及預配置電子電路塊的數學模型時，數字分析程序往往會忽略特定組件。

然而，必須注意的是，數字 IC 只能根據電路的需求進行設計和部署。此外，與模擬電路相比，數字IC 設計對時間、創(chuàng)新、團隊合作和經驗 的要求較低。

模擬電子電路

它代表運算放大器、電容器、電阻器和其他基本組件的復雜組合。根據設計需要，模擬電子電路可以變得復雜或簡單。例如，它只能組合兩個電阻器來分壓，或者變得復雜，由大量組件組成優(yōu)雅的結構。

模擬電子電路可以隔離、衰減、放大、失真或修改信號。該電路還可以將原始信號轉換為數字信號。這是一個很難設計的電路，因為與數字電路相比，設計所需的精度較高。雖然很重要，但當代電路傾向于數字化而不是模擬化。在存在模擬電路的情況下，他們仍然部署微處理器或數字技術來提高性能。

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為它們很簡單而被低估。它有助于過濾連續(xù)的模擬信號，因為它具有有助于消除所有不需要的頻率內容的濾波器。與數字電路相比，它也更便宜且使用更簡單。

模擬電路具有比數字信號開關更有效的開關電源模式。在處理從 0 到 400V 的電源切換時，這一點尤其重要。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，因為它們的特性和耐用性。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)需要數模和模數轉換器。

設計模擬電路

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。它可以包括信號放大、與其他信號比較、與其他信號混合、與其他信號分離、檢查其價值或進行操縱。因此，模擬電路的設計過程需要仔細考慮。需要考慮的一些方面應包括每個特定組件的類型、布局、尺寸和連接。作為一名設計師，需要做出獨特的決定，例如需要證明一個特定連接的寬度。它還可以包括決定是否將特定電阻器與另一個電阻器垂直或平行放置等。每個細節(jié)對于影響電子產品的最終性能都很重要。

當前模擬電路的設計要求已經超越了早期存在的簡單計算。它需要更復雜的方程來檢查實驗室測量中不會出現的微妙影響。所有復雜的計算都由計算機程序來解釋，尤其是那些專門從事公共領域電路分析的程序。

集成電路制造

集成電路的生產總是從設計開始，到制造結束。作為一名IC 設計師，了解這兩種工藝對于確保適合預期應用的高質量集成電路至關重要。它還有助于確定能夠滿足您的質量規(guī)格和預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)基礎晶圓

基礎晶圓代表構建集成電路的基板。確保這種半導體材料的純度以獲得一致的性能是謹慎的做法。直拉法最初發(fā)現了開發(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，可在熔融石英容器中加熱電子級硅。雖然漫長而緩慢，但幾天后，大硅晶錠就會被切成晶圓（薄）。集成電路是在晶圓上同時制造的。

分層構建

它包括下一步的每個組件，如電容器、二極管、晶體管等，我們可以使用 n 型和 p 型半導體輕松構建。集成電路由構建在半導體襯底上的多層組成。層的構建一次一層地進行，也許最終的 IC 產品可以擁有多達 30 層以上。每個 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上的幾何形狀和線條進行的。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用物質薄膜。它可以通過物理或化學反應發(fā)生。

另一方面，蝕刻意味著通過使用 RIE 或反應離子蝕刻進行蝕刻來去除材料。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。

集成電路價格

集成電路的制造過程通常是一個復雜的過程，具體取決于您決定使用的 IC 類型。設計和制造過程所需的材料、電子元件、技術和設備往往對 IC 的定價影響最大。然而，由于多種原因，集成電路的價格比分立電路低。

首先，IC 及其組件很小，因此可以通過光刻印刷成單個單元。這與有條不紊地構建（一個接一個晶體管）不同，后者變得麻煩且耗時。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，生產成本降低，這也影響了價格。

IC價格除了生產成本外，也會根據制造公司和地理區(qū)域的不同而有所不同。地理位置會影響交付成本、IC 原材料的可及性和運輸成本、合格且廉價勞動力的可及性、技術的可及性等。制造公司根據其在電路行業(yè)的品牌和地位來影響成本。信譽較好的公司大批量提供質量更好的產品，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備和裝置中都至關重要。IC 是濃縮高級任務功能的主要組件。它包括信號處理、放大、與微處理器一樣的精細數字計算等。在這種情況下，獲得不依賴集成芯片的電子產品的可能性很小。

集成電路還有助于電子產品的小型化、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成本有效的選擇來實現的，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體元件。如果您必須在分立元件中實現所有這些，則可能會達到大約 250 個。但是，在 IC 中，元件或零件數量可以減少到 10 左右。這意味著集成電路的總體材料數量會減少，并且生產量也會減少。流程階段也得到簡化。

通過芯片內的專門電路操作，IC 的性能提升功能成為現實。例如，許多射頻應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，每當需要特定功能時，行業(yè)就會設計出針對這些特定應用構建集成電路的方法。一個很好的例子是制造商開發(fā) MSI 或中型集成芯片來支持 PC 中的聲音應用。它是由于 PC 聲卡的推出而產生的。另一個關鍵的性能提升示例包括降低同一產品的功耗，從而帶來更高的能源或功率效率。

最后的想法

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

集成電路是每個現代電子產品的支柱。但在了解 IC 的不同方面后，將提升您為特定應用設計和制造集成電路的能力。希望你現在變得更聰明了。