集成電路發(fā)展史

    早期發(fā)展

    早在1830年，科學(xué)家已于實(shí)驗(yàn)室展開(kāi)對(duì)半導(dǎo)體的研究。他們 初的研究對(duì)象是一些在加熱后電阻值會(huì)增加的元素和化合物。這些物質(zhì)有一共同點(diǎn)，當(dāng)它們被光線照射時(shí)，會(huì)容許電流單向通過(guò)，我們可借此控制電流的方向，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。在無(wú)線電接收器中，負(fù)責(zé)偵測(cè)訊息的整流器，就是一種半導(dǎo)體電子儀器的例子。德國(guó)的Ferdinand Braun利用了半倒替方鉛礦，一種硫化鉛化合物的整流特性，創(chuàng)制世上第一臺(tái)整流偵測(cè)器，后世俗稱為貓胡子的偵測(cè)器。基于半導(dǎo)體的整流特性，我們能在整流偵測(cè)器內(nèi)的金屬接觸面和半導(dǎo)體間建立起一電勢(shì)差，令電子在某一方向流動(dòng)時(shí)為“順流而下”，反之則“逆流而上”。至此，半導(dǎo)體電子儀器起始面世。

    到了1874年，電報(bào)機(jī)、電話和無(wú)線電相繼發(fā)明，使電力在日常生活中所扮演的角色，不再單單是能源的一種，而是開(kāi)始步入了咨詢傳播的領(lǐng)域，成為傳播訊息的一種媒介。而電報(bào)機(jī)、電話以及無(wú)線電等早期電子儀器亦造就了一項(xiàng)新興的工業(yè)──電子業(yè)的誕生。在二十世紀(jì)的前半段，電子業(yè)的發(fā)展一直受到真空管技術(shù)的制約，顧名思義是抽走了空氣的玻璃管，內(nèi)有陰、陽(yáng)兩極，電子會(huì)由陰極流向陽(yáng)極。為了增加電子的流動(dòng)，我們將陰極管加熱至高溫（攝氏數(shù)度計(jì)），令電子在陰極受熱“跳”出。再加上另外一枝電勢(shì)比陰極還要略低的電極──控制柵極我們能借著調(diào)整其電勢(shì)來(lái)控制電子流動(dòng)，以達(dá)到控制電流的目標(biāo)。真空管本身有很多缺點(diǎn)：脆、易碎、體積龐大、不可靠、耗電量大、效率低以及運(yùn)作時(shí)釋出大量熱能。這些問(wèn)題直到1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管后才得到了解決。晶體管就像固態(tài)的真空管，電子由陰極流向陽(yáng)極（在晶體管中稱為電子泉和汲極），電子的流動(dòng)則由一類似真空管中控制柵極閘門(mén)控制。與真空管相比，晶體管體積細(xì)小、可靠，耐用、耗電量少而且效率高。晶體管的出現(xiàn)，令工程師能設(shè)計(jì)出更多更復(fù)雜的電路，這些電路括成千上萬(wàn)件不同的元件：晶體管、二極管、整流器和電容。可是，體積細(xì)小的電子零件卻帶來(lái)另一個(gè)問(wèn)題：就是需要花費(fèi)大量時(shí)間和金錢(qián)以人手焊接把這些元件接駁起，但人手焊接始終不是絕對(duì)可靠，令電路中成千上萬(wàn)的焊接點(diǎn)都有機(jī)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。因此，電子業(yè)接下來(lái)所面對(duì)的問(wèn)題，就是要找出一種既可靠又合乎成本效益的方法以生產(chǎn)和焊接電子零件。

    繼成電路

    正如上文所述，以人手將電子零件焊接成電路是一件十分不劃算的工作，美國(guó)軍方為此而尋求更有效的方法。其中一項(xiàng)計(jì)劃由U.S. Army Signal Corps贊助，名為Micro-Module program。計(jì)劃的意念是將所有不同類型的電子零件制成統(tǒng)一的大小和形狀，并在生產(chǎn)時(shí)加上電路。這樣，在組裝零件時(shí)，便可將大小統(tǒng)一的電阻、電容和晶體管等箱砌積木般組裝成設(shè)計(jì)的電路，免去焊接的煩惱。

    Micro-Module program當(dāng)年由德州儀器承辦，1958年，Jack Kilby假如德州儀器，他當(dāng)時(shí)與密爾沃基的中央實(shí)驗(yàn)室工作，清楚明白到電子業(yè)當(dāng)前所面對(duì)的問(wèn)題，而且意識(shí)到Micro-Module program只是治標(biāo)不治本（試想象當(dāng)你設(shè)計(jì)一個(gè)像電腦處理器般復(fù)雜的電路時(shí)，那個(gè)由成千上萬(wàn)電子零件所組成的龐然大物），未能從根本解決將大量電子零件整合成電路時(shí)的困難。有見(jiàn)及此，Kilby開(kāi)始構(gòu)思他自己的一套解決方案，他認(rèn)為使用半導(dǎo)體去制作電路板會(huì)是一個(gè)可行的辦法。1958年7月，正當(dāng)每名德州儀器員工都在享受兩星期例假的時(shí)候，Kilby獨(dú)自一人開(kāi)始將他的半導(dǎo)體集成電路構(gòu)思付諸實(shí)行。Kilby在當(dāng)時(shí)德州儀器新建成的半導(dǎo)體大樓進(jìn)行研究。直到9月，他成功將一組電路安裝在一片半導(dǎo)體上。于同年的9月12日，Kilby邀請(qǐng)了幾位德州儀器的高層職員，括前主席Mark Shepherd，出席他的示范。當(dāng)時(shí)眾人眼前所見(jiàn)的是一片銀色的鍺金屬，上面接滿電源。當(dāng)Kilby啟動(dòng)這個(gè)看似 簡(jiǎn)陋的裝置后，示波器的顯示屏上馬上出現(xiàn)了一條正弦曲線-一個(gè)簡(jiǎn)單振動(dòng)電路。Kilby的發(fā)明成功了！ 他將電子業(yè)一直以來(lái)所面對(duì)的問(wèn)題解決了，電子野從此踏入了一個(gè)新的領(lǐng)域。Jack Kilby更借著發(fā)明半導(dǎo)體集成電路奪得2000年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

    1959年，英特爾(Intel)的始創(chuàng)人，Jean Hoerni 和 Robert Noyce，在Fairchild Semiconductor開(kāi)發(fā)出一種嶄新的平面技術(shù)，令人們能在矽威化表面鋪上不同的資料來(lái)制作晶體管，以及在連接處鋪上一曾氧化物作護(hù)。這項(xiàng)技術(shù)上的突破取代了以往的人手焊接。而以矽取代鍺使集成電路的成本大為下降，令集成電路商品化變得可行。由集成電路制成的電子儀器從此大行其道，到二十世紀(jì)60年代末期，接近九成的電子儀器是一繼承電路制成。時(shí)至今日，每一枚電腦晶片中都含有過(guò) 百萬(wàn)顆晶體管。

在Kilby 的集成電路面世初期，沒(méi)有人能想象這一片微細(xì)的晶片能對(duì)社會(huì)做成多大的沖擊。可是，如果沒(méi)有了集成電路的發(fā)明，今時(shí)今日許多的電子產(chǎn)品根本沒(méi)有可能面世。集成電路衍生出整個(gè)現(xiàn)代電腦工業(yè)，四、五十年代那些動(dòng)輒用上整個(gè)房間的電腦已被現(xiàn)今的桌面電腦、電子手帳所淘汰；集成電路亦將通訊科技重新定位，為人與人、公司與公司、國(guó)與國(guó)之間的通訊提供全心的即時(shí)資料傳送方法。事實(shí)上，若缺少了集成電路，人類今天可能還未能沖出地球去探索太空和登陸月球。集成電路的應(yīng)用層面已達(dá)至教育、運(yùn)輸、生產(chǎn)及娛樂(lè)，可謂現(xiàn)今社會(huì)不可或缺的一環(huán)。

未來(lái)發(fā)展

自1961年起，世界電子業(yè)市場(chǎng)總市值由$29億增長(zhǎng)至今時(shí)今日的$957億。更有報(bào)告指出電子業(yè)將會(huì)是二十一世紀(jì) 大的單項(xiàng)工業(yè)。電子業(yè)的增長(zhǎng)有賴更新、更好的科技發(fā)展與突破，比如無(wú)線通訊、互連網(wǎng)和DNA解碼。

在往后的日子，隨著半導(dǎo)體科技的發(fā)展，更多嶄新的電子產(chǎn)品將會(huì)陸續(xù)面世。可能在不久的將來(lái)，你已經(jīng)可以利用手提電話與遠(yuǎn)方的親友進(jìn)行視像會(huì)議；你的媽媽可以在下班回家途中以電話遙控家中的微波爐去制作一頓豐富的晚餐；你的自動(dòng)導(dǎo)航器為你駕車回家，而你則可利用這段時(shí)間為明天的會(huì)議稍作準(zhǔn)備。在美國(guó)，已有公司提供線上電影院服務(wù)，你只要安坐家中，以互連網(wǎng)選擇想觀賞的電影，就可在家中的電視收看。這一切都似是科幻小說(shuō)的情節(jié)，可是我們距離新科技的突破只有一步之遙，或許，新的產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段，快要推出市面呢！

    可是，仍有不少問(wèn)題妨礙集成電路的發(fā)展。首先，咨詢傳播的速度 終將取決于電子流動(dòng)的速度；其次，集成電路運(yùn)作時(shí)所產(chǎn)生的熱量亦不容忽視。當(dāng)大量集成電路組裝在一元件時(shí)，假若不能及時(shí)散熱，便會(huì)出現(xiàn)電流失控；再者，現(xiàn)時(shí)集成電路所根據(jù)的原理，均是建基于經(jīng)典物理學(xué)。可是當(dāng)集成電路的體積日趨細(xì)小，終有一日會(huì)發(fā)展到由量子物理學(xué)所管轄的微觀世界，屆時(shí)，我們將要對(duì)集成電路的原理作一番重新評(píng)估及整頓。