集成电路

集成电路（Integrated Circuit，IC）是通过半导体技术将许多晶体二极管、三极管、电阻等元件制作在微小的硅单晶晶片上，并连接起来完成特定电子技术功能的电子电路。集成电路广泛应用于计算机、通信、汽车、家用电器等领域。同时，它们是现代信息产业的基础，已成为最具潜力和活力的产业之一。

集成电路的发展历史可以追溯到20世纪50年代。经过几十年的发展，它现在已经成为现代电子技术的核心。人们常常把电子设备的每一次重大变革作为衡量电子技术发展的标志。1904年出现的半导体器件（如真空三极管）称为第一代，1948年出现的半导体器件（如半导体三极管）称为第二代，1959年出现的集成电路称为第三代，1974年出现的大规模集成电路称为第四代。经过多年的产业更新迭代和技术转型升级，半导体产业链已趋于稳定和完整。

集成电路有很多种，按集成度、封装形式、制造工艺和电路功能可分为数字电路、模拟电路和接口电路。与分立元件电路相比，集成电路具有体积小、重量轻、寿命长、速度快、功耗低、成本低和可靠性高等特点。在信息时代，集成电路技术是最重要和最基础的技术。没有集成电路产业的支撑，信息社会将失去根基，这就是为什么集成电路被称为现代工业的“粮食”。

1947年12月23日，世界上第一个晶体管诞生了。主要发明者是贝尔实验室的三位半导体物理学家:威廉姆·肖克利、沃尔特·布拉坦和约翰·巴丁。1958年，基尔比将几个锗晶体管芯片粘在一个锗芯片上，并用细金线将这些晶体管连接起来，形成了世界上第一个集成电路。与此同时，仙童半导体公司的罗伯特·诺伊斯于1959年1月23日推出了用于金属互连的“平面技术”。他们被认定为集成电路的共同发明人。

在此期间，中国提出了“向科学进军”的口号，国务院制定了12年科技发展规划，并将电子产业列为重点发展目标。中国科学院成立了计算技术研究所。为了培养电子行业的人才，中国教育部集中了国内五所大学的科研资源，在北京大学设立了半导体专业。中国科学院半导体研究室、王守珏等人研制成功我国第一批锗合金扩散高频晶体管，频率达到150MHz。

中小型集成电路诞生：1960年，诺伊斯用平面技术生产了第一个实用的集成电路芯片。1961年，飞兆半导体公司推出了平面集成电路。这个过程是使用抛光的硅片并采用“光刻”技术形成半导体电路的组件，如二极管、三极管、电阻器和电容器。只要“光刻机”的精度不断提高，元件的密度就会相应增加，具有很大的发展潜力。因此，平面技术被认为是“整个半导体的工业纽带”，是摩尔定律的技术基础。同年，中国科学院成立了半导体研究所，同年成立了河北半导体研究所，开展产业技术攻关。1962年，中国科学院半导体研究所成立中国半导体测试中心。1963年，中国中央政府成立了第四机械工业部来管理中国的电子工业。

1962年，史蒂文·霍夫斯坦和另一位年轻工程师弗雷德里克·海曼研究的一个项目取得了成功。他们希望生产一种硅绝缘栅场效应晶体管，这种晶体管可以用于由数千个晶体管组成的电路。他们宣布共同开发金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。到今年年底，一个2500平方毫米（1毫米等于千分之一英寸）的集成电路芯片上可以容纳16个MOSFET。到1963年，美国无线电公司已经制造出包含数百个这种设备的芯片。

1965年，时任仙童半导体公司研发实验室主任的戈登·摩尔写了一份观察报告，他发现每个新芯片的容量大约是上一个芯片的两倍，而且每个芯片都是在上一个芯片生产后的18至24个月内生产的。如果这种趋势持续下去，计算能力将随时间呈指数级增长。这种趋势就是后来的摩尔定律，它成为许多行业业绩预测的基础。同年，上海华东计算技术研究所与上海冶金研究所、上海元件五厂等单位合作，开始研制655型数字集成电路主机，由陈仁福副研究员（照片右侧）主持，重点研究TTL集成电路。1969年在上海无线电十三厂投产，命名为TQ-6计算机，每秒运算100万次，装有磁盘操作系统和语言编译器。

1968年，中国国防科委成立了固态电路研究所（现中电集团24所），这是中国唯一的模拟集成电路研究所。同年，上海无线电十四厂率先制造出PMOS（P型金属氧化物半导体）电路。它是我国MOS集成电路发展的序幕。

大规模和超大规模集成电路的诞生：20世纪70年代初，英特尔公司制造了4004微处理器系列。这款4位4004是第一款微处理器，采用P沟道MOS技术制造，面积为150x110平方英里。这种“准计算器”的出现极大地发展了MOS集成电路。

1970年，中国建造了北京878厂，主要生产TTU（配电变压器监控终端）电路、CMOS（互补金属氧化物半导体）时钟电路和A/D转换电路。同年，上海无线电19厂建成，主要生产TTL和HTL数字集成电路。是中国最早生产双极型数字集成电路的专业工厂。1973年8月26日，中国第一台集成电路电子计算机——105号计算机问世。该计算机是在北京大学、北京电缆厂和燃料化学工业部的协助下研制成功的。随后，由王阳元等人领导的北京大学物理系半导体研究组设计了中国第一批三种类型（硅栅NMOS、硅栅PMOS和铝栅NMOS）的1k DRAM动态随机存储器。1979年，上海元件五厂和上海无线电十四厂联合仿制5G8080八位微处理器（编号5G8080）。8080是英特尔公司于1974年推出的第二款CPU处理器。它集成了6000个晶体管，每秒可执行29万次操作。后来由于大跃进运动，为了控制严重的宏观经济混乱和减少投资数额，中国中央突然停止和推迟了400多个大中型项目，1981年又停止和推迟了22个大型项目。

20世纪80年代，超大规模集成电路（VLSI）技术得到广泛应用，它可以集成数千万个晶体管，提高电子元件的密度和性能。超大规模集成电路和射频芯片诞生，移动通信蓬勃发展。随后，人们简化了复杂的CPU功能，并将其与GPU相结合，推出了适用于移动智能终端的APU。在同一时期的开始，中国也建立了许多相关部门。然而，由于中国中央政府完全停止了对电子行业的投资，电子企业不得不自己去市场寻找资源。所以中国电子工业的技术升级完全停止了。后来，为了解决问题，电子工业部在厦门召开了集成电路战略研讨会并提出了“531战略”。即“普及5μm技术，发展3μm技术，攻关1μm技术”，实施南北两个微电子基地。南方集中在江浙沪，北方集中在北京。在政策的支持下，中国诞生了五家大型国有半导体企业，从而慢慢步入正轨。

20世纪90年代后，在半导体敏感器件和集成电路微加工技术的基础上，MEMS技术应运而生。在互联网和射频技术的参与下，物联网应运而生，并有望成为电子信息领域最大的产业。

1990年8月，中国国务院决定在第八个五年计划中启动总投资20亿元的“908工程”，届时半导体技术将达到1μm工艺。1996年7月，欧美33国正式签署了《瓦森纳协定》。该协议的民用技术管制清单包括九个类别:电子设备、计算机和传感器。《军事技术管制清单》包括22个类别。中国是被禁运的国家之一。到20世纪90年代末，中国微电子技术与国外的差距至少有10年。

进入21世纪，随着新材料和新工艺的应用，集成电路的发展取得了更大的进步。三维集成电路和片上系统技术已经成为集成电路的主流。三维集成电路采用多层芯片的垂直堆叠方式，大大提高了电子元器件的集成度。片上系统将整个电子系统集成在一个芯片上，具有高度的集成度和灵活性。

石墨烯场效应晶体管是目前研究进展最深入的新型原理器件。石墨烯是由单层蜂窝状晶格中的碳原子组成的二维材料，载流子迁移率高达15000cm2/VS，热导率高达5000W/mk，均为硅的100倍以上。2010年2月，IBM开发了一种频率高达100GHz、栅极长度为240nm的石墨烯FET。之后，全球范围内开展了石墨烯基电子器件特别是RF-FET的研究。提高了半导体原理器件的丰富性和灵活性。

经过多年的产业更新迭代和技术转型升级，半导体产业链已趋于稳定和完整。完整的集成电路产业链包括上游的材料和设备行业、设计行业、制造行业、封装和测试行业以及下游行业，如车联网、人工智能、物联网、智能汽车和可穿戴电子设备。

全球集成电路产品市场规模和产业集聚集中度较高。全球集成电路市场主要包括美国、欧盟、日本和亚太地区，从产业集聚度来看，美国、欧盟、日本、韩国和亚太地区，其中中国和中国台湾省也是产业集聚的重点地区。从产品区域来看，亚太地区一直是全球最大的集成电路市场，其销售收入占全球集成电路市场的一半以上。2018年亚太地区的销售收入相当于其他国家和地区总和的0.66倍。在全球集成电路市场份额中，亚太地区、美国、欧盟和日本分别占60.34%、21.97%、9.16%和8.52%。

作为集成电路行业的技术领导者，美国在集成电路的增长速度上遥遥领先于其他国家和地区。在某种程度上，美国集成电路的增长趋势代表了全球整体趋势。2011年以来，全球集成电路市场增速放缓，增速从2010年的31.82%降至0.40%，同比下降25.70%。直到2017年全球集成电路市场才逐渐复苏，成为新一轮集成电路市场的转折点，增长率为211.62%，其中美国的增长率为35.03%。2018年美的增速为16.39%，销售收入为1029亿美元。欧盟和日本集成电路销售收入分别为429.57亿美元，增速为12.13%和399.61亿美元，增速为9.20%。

功能分类

根据功能的不同，集成电路可以分为三种设计模式:数字电路设计、模拟电路设计和混合电路设计。数字电路设计:数字电路设计是设计和实现数字电路的过程，数字电路用于处理数字信号。数字电路设计通常包括逻辑器件（CPU、FPGA、CPLD）、存储器（RAM、ROM）和微处理器（MCU、DSP）。

模拟电路设计:模拟电路设计是处理模拟信号的电子电路设计。自然界中绝大多数信号都是模拟信号，它们具有连续的幅度值。模拟电路设计可用于设计此类信号，例如，功率放大器可设计为通过模拟电来放大声音信号或图像信号。模拟电路设计通常包括电源管理、RF、PLL和放大器，常用的设计工具包括SPICE。

混合信号电路设计:混合信号电路设计是一种将数字电路与模拟电路相结合的设计过程。它通常包括数字信号处理、模拟信号处理、数据转换等。常见的设计工具包括Cadence等。

特殊电路设计:特殊电路设计是一些特殊应用场景中的电路设计，如功率放大器、射频电路、高速X电路、低功耗电路等。常用的设计工具包括广告。

集成级别

小规模集成电路（SSI）:每个芯片的元件少于100个，也称为普通集成电路。

中规模集成电路（MSI）:每个芯片上有100到1000个组件的集成电路。

大规模集成电路:每个芯片上有1000到100000个元件的集成电路。

超大规模集成电路（VLSI）:一个芯片上有10万到100万个集成电路的集成电路。

超大规模集成电路:一个芯片上有一百万到一亿个集成电路。

大规模集成电路（GSI）:在一个芯片上有超过1亿片集成电路。

导电类型 

它可分为双极集成电路、单极集成电路和兼容集成电路。双极集成电路:双极集成电路具有导电性，具有空穴和自由电子，其制造工艺复杂且功耗高。有TTL、ECL、HTL、LST-TL和STTL集成电路，如74LS系列集成电路。

单极集成电路:单极集成电路只有大部分载体导电，制造工艺简单，功耗低，易于制造大规模集成电路。代表性的集成电路包括CMOS、NMOS和PMOS，如CD4000系列和74HC系列集成电路。

制造过程分类 

薄膜集成电路:它是通过在绝缘衬底上涂覆或印刷电路元件而形成的某种形式的电路。

混合集成电路:是将薄膜集成电路和半导体集成电路技术相结合而制成的集成电路。混合集成电路具有便于拼凑的优点。

半导体集成电路:是用所谓的“平面工艺”方法在半导体材料（主要是硅）晶片上制作各种有源或无源元件，并形成一定功能的电路。

目的分类

按用途可分为电视集成电路、音频集成电路、DVD播放机集成电路、消费类集成电路、通信集成电路、摄像机集成电路、遥控集成电路、语言集成电路、报警集成电路、电源集成电路和各种专用集成电路。在集成电路制造企业中，一般按用途分类。

主集成电路：专门为特定应用或特定电子产品开发的集成电路性能稳定、功能强大、保密性好。目前，门阵列（CA）、标准单元集成电路（CBIC）、可编程逻辑器件（PLD）、模拟阵列和数模混合阵列以及完全定制的集成电路得到了广泛应用。

集成电路设计和仿真：模拟集成电路的设计过程包括拓扑选择、电路参数设计、版图设计、制造和测试。模拟集成电路设计的早期阶段主要由手工完成，效率低下。模拟电路参数的自动优化方法对于解放人力、降低时间成本具有重要意义。

半导体技术：半导体技术是制造集成电路的关键技术之一。该工艺包括晶体生长、晶片制备、掩模工艺等步骤。晶体生长是指制备单晶硅的过程，通常采用直拉生长法或区熔法。晶圆制备包括化学气相沉积、物理气相沉积、化学机械抛光等步骤。掩模技术是通过光刻技术将芯片上的电路图案显影到硅片上的过程。

高纯试剂的制备：超净高纯试剂是超大规模集成电路制造过程中的关键基础化学材料之一，具有品种多、用量大、技术要求高、保质期短、腐蚀性强等特点。其纯度和清洁度对集成电路的成品率、电性能和可靠性有非常重要的影响。制备高纯度试剂的关键是控制和达到所需的杂质含量和粒度。

化学机械抛光：化学机械抛光是一种结合化学反应和机械摩擦对材料表面进行加工的技术。它通常用于集成电路的制造过程中，以平滑晶片表面并去除表面上的缺陷和污染物。化学机械抛光的优点是可以产生非常光滑的表面，但缺点是工艺复杂且成本高。

其他技术：溅射靶材制备:溅射沉积工艺，即在一定的真空环境下，用带电粒子轰击材料表面，使粒子从材料表面溅射并沉积在基底表面形成厚度均匀的薄膜，是制备薄膜的主要技术之一，被轰击的靶材称为溅射靶材。靶材的制备方法主要包括铸锭法、粉末冶金法等。

封装技术:封装的主要目的是保护芯片并使其稳定工作。包装方式包括金属包装、塑料包装、陶瓷包装、玻璃包装等等。金属封装和塑料封装广泛应用于电路中。

光刻:光刻是集成电路技术中最常用和最关键的技术之一。随着芯片集成度的不断提高，晶体管的器件特征尺寸也在缩小。这项技术有三个主要部分:光学系统、掩模技术和光刻胶，而光刻技术也决定了制造技术的先进程度。

蚀刻工艺:与薄膜沉积技术相反，蚀刻工艺的传统定义是通过物理手段去除光刻工艺后未被光刻胶覆盖或保护的部分，从而完成将掩模上的图案转移到薄膜上的目的。

沉积工艺:在一定的衬底上，通过溅射、氧化、外延、蒸发和电镀等方法制成绝缘体、半导体、金属和合金的薄膜，薄膜的厚度在纳米和微米之间。薄膜的沉积方法通常是指薄膜的生长过程与基底之间没有相互作用，即在基底材料上叠加一层或几层其他材料，而不改变基底材料的厚度和晶体取向。

清洗工艺:主要原理是通过有机化合物化学或其他有机物理相互作用，有效氧化和去除各种新型工件材料内表面的化学污垢分子，从而有效去除工件产品内部分子中浓度水平较低的各种固体化学污染物，一般分为化学反应清洗（ppe）和物理清洗（又称溅射腐蚀）。

封测工艺:传统封装工艺为来料检验-加工减薄-划片-压焊-塑封-电镀-印刷-切筋成型和质检。

曝光技术:常用的曝光方法有接触、接近和投影。其中投影曝光系统是最常用的一种，是目前集成电路生产中最常用的曝光方法。

金属蒸发:金属蒸发是制作金属电路的过程，包括真空蒸发和电镀。

分离技术:分离技术是一种用于从混合物中分离所需组分的方法。在集成电路的制造中，分离技术通常用于从材料中分离所需的或其他高纯度的材料。一些常用的分离技术包括离心、电泳和过滤。

改性和掺杂过程:改性和掺杂过程不会改变基底材料的厚度，而只是改变材料本身的性质。它可以通过扩散和离子注入来实现。

集成电路是半导体集成电路，即以半导体材料为衬底，将至少两个元件和部分或全部互连线与衬底中或衬底上的至少一个有源元件集成在一起，然后通过扩散或渗透工艺形成N型、P型半导体或P-N结。让它与电路板上的其他元件结合，完成一些具有特定功能的电路模块。通常，它们由半导体材料独特的电子空穴传导能量提供能量，使电流可以通过半导体上的引线和引脚输入或输出，以完成半导体集成电路所需的特定功能。集成电路是电子设备中最重要的部分，承担着运算和存储的功能。

数字集成电路的实现包括FPGA和ASIC，下面重点介绍FPGA的设计方法。FPGA（现场可编程门阵列）具有性能好、规模大、可重复编程、开发投资低等优点。，并广泛应用于现代电子产品中。

芯片设计通常分为两类:正向设计和反向设计。正向设计一般用于实现一种新的设计，而逆向设计则是在理解他人设计的基础上进行一些修改或改进。这两个类别可以分为“自上而下”和“自下而上”的设计步骤。在FPGA设计中，经常采用分层设计方法，以模块和层次进行设计描述。分层设计方法相对自由，可以采用自顶向下设计或自底向上设计，可以在任何级别使用原理图输入和硬件描述语言HDL设计。传统的电路设计方法是自下而上的，即首先确定可用的元件，然后根据这些元件进行逻辑设计，并在完成后将模块连接起来，最终形成系统。基于EDA技术的集成电路设计主要是自顶向下的设计方法，具体流程如下。

采用FPGA技术的数字逻辑系统设计的大部分工作都是在EDA软件平台上完成的，其设计过程包括设计输入、设计处理、设计验证和器件编程，以及相应的功能仿真、时序仿真和器件测试。采用可编程逻辑器件的数字集成电路的EDA设计的典型过程主要包括六个步骤:设计输入、功能仿真、逻辑综合、布局布线、时序仿真和器件编程下载。

设计输入:通常有两种方式，一种是HDL输入。几乎所有设计软件都支持这两种语言的设计输入。HDL输入具有良好的便携性和通用性。但对于初学者来说，很难写出恰当的句子来准确反映设计意图。另一种常用的输入方法称为示意输入。与HDL输入相比，直观易懂，元件库资源丰富。但可移植性较差，特别是在设计大规模电路时，这种方法的可维护性较差。

功能模拟:是在不考虑器件延迟的情况下模拟一个设计项目，以验证其逻辑功能的正确性，也称为预模拟。

逻辑综合:是将高级系统描述翻译成低级门级逻辑电路的过程，即将设计输入的高级语言或原理图合成为底层软件可识别的网表文件。现在最广泛使用的是电子设计交换格式（EDIF）网表文件。

布局布线:通过功能仿真初步验证设计后，根据所选PLD的规格，将合成的网表文件转换为器件中宏单元和逻辑门之间的连接关系。

时序仿真:与之前的仿真相比，在布局和布线中可以获得更精确的RC参数。根据这些参数，在考虑特定适配器的各种延迟以确保在所有可能条件下正确响应的情况下，通过仿真软件再次验证电路的功能和时序。这一步也称为后模拟。

设备编程下载:通过仿真确认设计后，将文件编译为设备可以识别的二进制代码并下载到芯片中。

一个集成的EDA开发工具（如Quartus和Vivado）应该能够完成上述所有过程，并可以使用第三方软件（如ModelSim）来帮助设计。

电参数：静态工作电流:指集成电路信号输入引脚无输入信号时电源引脚回路中的DC电流。通常给出三个指标:典型值、最大值和最小值。

增益:指集成电路内部放大器的放大能力。通常会标注开环增益和闭环增益，还会给出典型值、最大值和最小值等三个指标。

最大输出功率:指输出信号失真不变（通常为10%）时，集成电路输出引脚输出的电信号的功率。一般也给出三个指标:典型值、最大值、最小值。主要用于功率放大器集成电路。

极限参数：最大电源电压:指集成电路的电源引脚和接地引脚上可加的DC工作电压的极限值。使用时不要超过该值，否则会损坏集成电路。

容许功耗:指集成电路中可以承受的最大功耗。主要用于大功率集成电路。

工作环境温度:指集成电路能维持正常工作的最高和最低环境温度。

储存温度:指集成电路在储存条件下所能承受的最高和最低温度。

集成电路覆盖面广，几乎涉及各行各业，如计算机系统、汽车工程、航空航天工程、生物医学工程等。同时，它们在军事领域的应用也非常广泛，例如直升机控制系统和各种终端设备。人们生活中的许多设备也需要集成电路的支持，例如手机和电脑。

MEMS（微机电系统）:在半导体制造技术基础上发展起来的新领域，目前主要应用于消费电子、汽车等领域。随着产品的不断成熟，在航空航天、医学和工业上的应用逐渐普及。

智能可穿戴终端是指可以直接穿戴在身上或集成到衣服和配饰中的设备，并可以通过软件支持与云进行交互。目前可穿戴终端多以手机辅助设备的形式出现，其中以智能手环、智能手表和智能眼镜最为常见。

集成电路

工业机器人:从应用行业来看，工业机器人服务于国民经济，其中3C制造业和汽车制造业在国内工业机器人总销量中占比最高。

虚拟现实（Virtual Reality，VR）是一种利用计算机仿真系统生成具有多源信息融合的交互式三维动态真实场景和动作模拟的技术，使用户具有身临其境的体验。

人工智能（AI）是一门研究和开发用于模拟、延伸和扩展人类智能的理论、方法、技术和应用系统的新技术科学。该领域的研究包括机器人技术、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统。

通信设备:通信设备是用于实现通信功能的设备，如手机、路由器、调制解调器等。在集成电路中，通信器件通常需要使用高速电路和射频电路等专用电路来实现高速传输和频率调整。

消费电子:消费电子是指消费者日常使用的电子设备，如电视、音响和相机。在集成电路中，消费电子通常需要使用低功耗电路、嵌入式系统等技术来实现小尺寸和低功耗。

医疗设备:医疗设备是用于医疗保健的设备，如医疗仪器和医疗监护设备。在集成电路中，医疗设备通常需要使用高精度和高可靠性的电路设计来确保其准确性和安全性。

汽车电子:随着汽车工业的快速发展，集成电路在汽车电子领域的应用越来越广泛。汽车电子包括发动机管理系统、车身电子、车载信息娱乐系统等。常见的芯片包括处理器芯片、传感器芯片、车载通信芯片等。集成电路的应用可以提高汽车的性能、安全性和便利性。