梦想成真——集成电路的实现

1958 年，第一块集成电路在美国问世了。

这一回是美国德克萨斯仪器公司（TI）的基尔比，他在申请专利的报告中写到：“本发明的首要目的就是利用一块包含扩散型 PN 结的半导体材料， 制备一种新颖的小型电子管电路，在其中，所有电路元件全部集成在这块半导体材料当中。”就像阿姆斯特朗在月球上的第一步一样，人类开始了集成制造的第一步，而集成电路以日新月异的步伐前进还是在 1959 年平面工艺被广泛应用后的事。

那集成电路是怎么样制作出来的呢？人们总是感到很奇怪，几个平方厘米的芯片里怎么能够集成数以万计的晶体管、电阻和电容呢？靠的是什么样的魔法呢？

其实让我们来看看它的原理，就一定会感到所有的一切原来都是那么熟悉。

所有半导体器件在半导体晶片上的实现都有赖于掺杂这个基本概念。关于晶体二极管和三极管的实现核心是制作 PN 结，这可以通过在不同类型的晶片上选用不同元素进行掺杂而完成。这和平面晶体管有很多相似之处。

那电阻呢？考虑电阻的物理概念指的就是材料的导电能力。而半导体最显著的特性就是其导电能力会随着掺入到内部的杂质量的多少发生极为明显的变化，所以只要控制掺人杂质的数量，我们就能得到不同阻值的电阻了。我们也都熟悉平行板电容器，两块金属板，板的中间充满电介质，再从

两块金属板上各引出一个电极，就构成了一个电容器。在集成电路里制作电容的原理与平行板电容器是完全一样的。当然，两面金属板可用两个导电平面来代替，可必需的电介质又从何而来呢？在描述平面晶体管时我们曾提到硅片上有一层很薄的绝缘膜，它能够对集成电路中的硅片起到保护作用，不过在这里，它却正好可以用来充当导电平面之间的电介质。这样，一个电容就制成了，改变电容值可以通过改变导电平面的面积实现，这也就是集成电路内部没有大电容的原因，因为要占用太大面积而显得不经济。

晶体管、电阻、电容是电路实现中最重要也是最主要的元件。现在它们都可以在硅晶片上实现了，那整个电路的实现就不困难了。集成电路要求的工艺精度是很高的。譬如制作一个 30 皮法（1 皮法=10^-12 法拉）的薄膜电容器，中间绝缘薄膜的厚度仅有 0.1 微米。电极的面积也只有 0.07 平方毫米左右。杂质扩散时需要开一扇窗，这扇窗的口径也只有几个微米。这样的要求全有赖于霍尼发明的平面工艺，不能想象没有它这样精细的工作怎么才能完成。因此从这个意义上可以毫不夸张地说没有平面工艺就绝不会有集成电路，它是整个电子学发展史上最为重要的一环。

1962 年，世界上出现了第一块集成电路的正式商品，尽管它只集成了 12 只晶体管和电阻，但毕竟标志着又一代电子器件正式登上了电子学舞台，而由此开创的一个时代直到今天还在继续。在继电子管、晶体管之后，集成电路成为电子学殿堂中最光彩照人的角色。

之后没有多久，一股集成电路的研制热潮席卷全世界，集成技术逐渐演变成为最富竞争意义的专门技术之一。现在，所有国家都充分意识到在集成技术上的领先对各国在国际舞台中扮演的角色起着极为重要的作用。它不仅涉及到单纯的技术，更有管理、基础研究、创造力等多方面的因素，反映着国家的整体科技实力。一个新的学科——研究集成电路制作和应用的科学—

—集成电子学兴起了。电子学经过半个世纪的发展，又迎来了一个崭新的时代——集成电子学时代。