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什么是IC?集成电路的构成,工作原理及用途

单纯从电脑知识角度来讲,IC是英语integrated circuit的首字母缩写,汉语的意思就是集成电路板;广义的定义还涉及所有的电子元件,像电阻、电容、二(三)极管、电路板/PCB板等许多相关产品。

晶体管发明并大量生产之后,各式固态半导体组件如二极管、晶体管等大量使用,取代了真空管在电路中的功能与角色。到了20世纪中后期半导体制造技术进步,使得集成电路成为可能。相对于手工组装电路使用个别的分立电子组件,集成电路可以把很大数量的微晶体管集成到一个小芯片,是一个巨大的进步。集成电路的规模生产能力,可靠性,电路设计的模块化方法确保了快速采用标准化集成电路代替了设计使用离散晶体管。

集成电路对于离散晶体管有两个主要优势:成本和性能。成本低是由于芯片把所有的组件通过照相平版技术,作为一个单位印刷,而不是在一个时间只制作一个晶体管。性能高是由于组件快速开关,消耗更低能量,因为组件很小且彼此靠近。2006年,芯片面积从几平方毫米到350 mm²,每mm²可以达到一百万个晶体管。

第一个集成电路雏形是由杰克·基尔比于1958年完成的,其中包括一个双极性晶体管,三个电阻和一个电容器,相较于现今科技的尺寸来讲,体积相当庞大。

IC
IC

电子显微镜下碳纳米管微计算机芯片体的场效应画面

根据一个芯片上集成的微电子器件的数量,集成电路可以分为以下几类:

  1. 小型集成电路(SSI英文全名为Small Scale Integration)逻辑门10个以下或 晶体管100个以下。
  2. 中型集成电路(MSI英文全名为Medium Scale Integration)逻辑门11~100个或 晶体管101~1k个。
  3. 大规模集成电路(LSI英文全名为Large Scale Integration)逻辑门101~1k个或 晶体管1,001~10k个。
  4. 超大规模集成电路(VLSI英文全名为Very large scale integration)逻辑门1,001~10k个或 晶体管10,001~100k个。
  5. 极大规模集成电路(ULSI英文全名为Ultra Large Scale Integration)逻辑门10,001~1M个或 晶体管100,001~10M个。
  6. GLSI(英文全名为Giga Scale Integration)逻辑门1,000,001个以上或晶体管10,000,001个以上。

而根据处理信号的不同,可以分为模拟集成电路、数字集成电路、和兼具模拟与数字的混合信号集成电路。

集成电路英语:integrated circuit,缩写作 IC;德语:integrierter Schaltkreis),或称微电路microcircuit)、微芯片microchip)、晶片/芯片(chip)在电子学中是一种把电路(主要包括半导体设备,也包括被动组件等)小型化的方式,并时常制造在半导体晶圆表面上。

前述将电路制造在半导体芯片表面上的集成电路又称薄膜(thin-film)集成电路。另有一种厚膜(thick-film)集成电路hybrid integrated circuit)是由独立半导体设备和被动组件,集成到衬底或线路板所构成的小型化电路

本文是关于单片(monolithic)集成电路,即薄膜集成电路。

从1949年到1957年,维尔纳·雅各比(Werner Jacobi)、杰弗里·杜默(Jeffrey Dummer)、西德尼·达林顿(Sidney Darlington)、樽井康夫(Yasuo Tarui)都开发了原型,但现代集成电路是由杰克·基尔比在1958年发明的。其因此荣获2000年诺贝尔物理奖,但同时间也发展出近代实用的集成电路的罗伯特·诺伊斯,却早于1990年就过世。

集成电路的构成

集成电路(Integrated Circuit,IC)是由多个电子器件(如晶体管、电容器、电阻器等)以及它们之间的连接线路在同一块半导体晶片上集成而成的电路。集成电路的构成通常可以分为以下几个方面:

  1. 半导体基板:集成电路的基础是一块半导体晶片,通常采用硅(Si)或者砷化镓(GaAs)等材料制成。这块基板上将会形成各种电子器件。
  2. 电子器件:集成电路中的电子器件包括晶体管、电容器、电阻器等。这些器件通过在半导体基板上形成不同的结构而实现,例如,晶体管可以是MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、BJT(双极型晶体管)等。
  3. 金属线路:集成电路中的各个电子器件之间通过金属线路相连接,形成电路的拓扑结构。金属线路通常采用铝、铜等导电金属材料制成,并通过光刻和蚀刻等工艺形成在半导体基板上。
  4. 绝缘层:在集成电路中,为了隔离不同的电子器件和金属线路,通常会在它们之间加上绝缘层。绝缘层可以是二氧化硅(SiO2)等绝缘材料,用于阻止电子器件之间的电子穿隧和电子器件之间的相互干扰。
  5. 掩模和光刻技术:集成电路的制造通常使用掩模和光刻技术,通过在半导体表面上涂覆光刻胶,然后使用光刻机器对光刻胶进行曝光和显影,形成具有特定图形的掩模层,然后通过蚀刻等工艺将这些图形转移到半导体基板上,形成电子器件和金属线路的结构。
  6. 封装:集成电路制造完成后,需要将其封装成实际的电子元器件。封装通常包括将集成电路芯片封装到塑料或者陶瓷芯片封装体内,并通过引脚或焊盘与外部电路连接。

通过这些组成部分,集成电路实现了大量的电子器件和线路在微小的半导体晶片上的集成,从而实现了高度集成化、小型化、高性能和低功耗的电子设备。

集成电路的工作原理

集成电路是一种用于电子设备的关键技术。它是由许多微小的电子元件组成的电路板,这些元件被集成在一个芯片上。集成电路的工作原理是通过控制电流和电压来实现信息处理和信号传输。

集成电路的核心是晶体管。晶体管是一种能够控制电流流动的电子元件。在集成电路中,晶体管通常被用来实现开关功能。通过控制晶体管的导通和截断状态,可以控制电流的流动和阻断。这样,集成电路就能够根据输入信号的变化来控制输出信号的状态。

除了晶体管,集成电路中还包含了许多其他的电子元件,如电容器、电阻器和电感器等。这些元件可以用来储存电荷、调节电流和阻抗等。通过将这些元件集成在一起,集成电路可以实现复杂的电路功能。

集成电路的工作过程可以简单描述为以下几个步骤。首先,输入信号被传输到集成电路中。然后,集成电路中的电子元件根据输入信号的特征进行相应的处理。最后,处理后的信号被传输到输出端口,供其他电子设备使用。集成电路的工作原理是基于电子元件的物理特性和电路设计的原理。通过合理设计电路结构和控制电流电压,集成电路可以实现各种功能,如放大信号、滤波、计算和存储等。

集成电路是通过控制电流和电压来实现信息处理和信号传输的关键技术。它通过集成多个微小的电子元件,如晶体管、电容器和电阻器等,来实现复杂的电路功能。集成电路的工作原理基于电子元件的物理特性和电路设计的原理。通过合理设计电路结构和控制电流电压,集成电路可以实现各种功能,为电子设备的发展提供了重要支持。

集成电路(Integrated Circuit,IC)的工作原理基本上是通过控制电子器件(例如晶体管)的导电和隔离状态,来实现电子信号的处理、存储和传输。

  1. 晶体管的控制:集成电路中的基本元件是晶体管,特别是场效应晶体管(FET),如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。晶体管有两种工作状态:导通和截止。通过控制晶体管的栅极电压,可以控制晶体管的导通和截止状态。这种控制机制被用于实现集成电路中的逻辑门、存储单元等功能。
  2. 逻辑门:集成电路中的逻辑门(如与门、或门、非门等)是由晶体管的导通和截止状态组合而成的。通过将多个晶体管连接起来并控制其状态,可以实现逻辑门的功能,从而实现逻辑运算、数据处理等操作。
  3. 模拟电路:除了数字电路之外,集成电路中还包含模拟电路。模拟电路通常由晶体管的工作状态和连接方式来实现,用于处理模拟信号,如放大、滤波、调节等。
  4. 存储单元:集成电路中的存储单元(如触发器、存储器单元等)是由晶体管的导通和截止状态以及连接方式来实现的。通过控制晶体管的状态,可以实现数据的存储和读取操作。
  5. 时钟信号:在集成电路中,时钟信号通常用于同步各个部件的工作。时钟信号通过控制晶体管的状态来实现,从而控制整个集成电路的工作时序。

总的来说,集成电路的工作原理是通过控制晶体管的导通和截止状态以及连接方式,来实现电子信号的处理、存储和传输,从而实现各种功能,如逻辑运算、数据处理、模拟信号处理等。

2019年AMD公司Ryzen5-3600处理器的集成电路未封装状态,内部结构可见
2019年AMD公司Ryzen5-3600处理器的集成电路未封装状态,内部结构可见

集成电路的应用

集成电路(Integrated Circuits,ICs)在现代科技中有着广泛的应用,几乎贯穿了各个领域,包括但不限于以下几个方面:

  1. 电子产品:集成电路是电子产品的核心组件,几乎所有的电子设备都依赖于集成电路的功能。例如,智能手机、平板电脑、电脑、电视机、音响设备、游戏机等。
  2. 通信:无线通信和有线通信都大量使用集成电路。在手机、调制解调器、无线路由器、基站等设备中,集成电路起着关键作用。
  3. 计算机:计算机中的微处理器、内存芯片、输入输出控制芯片等都是集成电路。它们决定了计算机的性能和功能。
  4. 汽车电子:现代汽车中大量使用集成电路,包括引擎控制单元、车载娱乐系统、驾驶辅助系统、安全气囊系统等。
  5. 医疗设备:医疗诊断设备、医疗监护设备、医疗影像设备等都广泛使用集成电路,帮助医疗工作者进行诊断和治疗。
  6. 工业控制:在工业自动化领域,集成电路用于控制和监控生产过程,例如 PLC(可编程逻辑控制器)、传感器、执行器等。
  7. 航空航天:航空航天领域需要高性能、可靠的电子设备,集成电路在航空航天中扮演着重要角色,用于飞行控制、通信、导航、数据处理等。
  8. 军事应用:军事领域对电子设备的要求极高,集成电路在军事通信、雷达、导弹制导、情报收集等方面有着广泛的应用。
  9. 消费电子:集成电路在消费电子产品中应用广泛,包括数码相机、电子游戏、家用电器、智能家居设备等。
  10. 能源:在能源领域,集成电路用于电力系统控制、能源管理、智能电网等方面。

总的来说,集成电路在现代社会中几乎无处不在,它们的应用涵盖了几乎所有的领域,为各行各业提供了技术支持和解决方案。

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