作者

DavidBartlett，u-blox產(chǎn)品中心定位技術(shù)主管

ArmandoCaracheo，高級(jí)內(nèi)容撰稿人

全球電子行業(yè)每年生產(chǎn)數(shù)萬(wàn)億個(gè)半導(dǎo)體電子元件，如集成電路(IC)、晶體管、二極管和發(fā)光二極管等。從智能手機(jī)到汽車，各種電子設(shè)備都嵌入了這些小巧的技術(shù)元件，并為其提供動(dòng)力，它們?cè)谖覀兂?jí)互聯(lián)的日常生活中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

大多數(shù)硅半導(dǎo)體既可以作為電的導(dǎo)體，也可以作為電的絕緣體。這種特殊性質(zhì)在大多數(shù)材料中都很罕見，這使得它們與眾不同，因?yàn)?a target="_blank">工程師可以通過各種方式控制和改變導(dǎo)電性，從引入雜質(zhì)到施加外部電場(chǎng)。

邁克爾·法拉第（Michael Faraday）、托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）、海因里?！ず掌潱℉einrich Hertz）、J.J. 湯姆遜（J.J. Thomson,），甚至阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）等名人的卓越貢獻(xiàn)為人們了解半導(dǎo)體的特性鋪平了道路。

從理論到實(shí)踐，從真空管到晶體管的轉(zhuǎn)變是一個(gè)重要的里程碑。這是向一個(gè)半導(dǎo)體器件多于生命體（暫且不提微生物）的世界邁出的第一步，為最終產(chǎn)生第一代集成電路的發(fā)展打開了大門。

真空中的電流

在晶體管和集成電路出現(xiàn)之前，真空管（也叫電子管或熱電偶閥）就已用于電子設(shè)備中。

它們是如何工作的？聲波需要介質(zhì)，而真空管則不同，只要在陰極上施加電壓，電子就能在真空空間中流動(dòng)。在電子管內(nèi)放置其他元件（如柵極和陽(yáng)極）時(shí)，可以利用這一原理對(duì)電子進(jìn)行控制。事實(shí)證明，控制電子流動(dòng)的能力對(duì)于電子電路中的放大、開關(guān)和信號(hào)處理至關(guān)重要。

真空管為電視機(jī)、收音機(jī)甚至早期計(jì)算機(jī)提供動(dòng)力的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)約一個(gè)世紀(jì)，大致從19世紀(jì)末的早期開發(fā)到2000年代平板電視取代顯像管電視。

雖然真空管在電子領(lǐng)域一直占據(jù)主導(dǎo)地位，但最終還是被晶體管所取代。導(dǎo)致這一技術(shù)遷移的原因有幾個(gè)，其中最主要的是尺寸、可靠性和功率效率。

點(diǎn)觸晶體管

1947年，約翰·巴?。↗ohn Bardeen）、沃爾特·布拉坦（Walter Brattain）和威廉·肖克利（William Shockley）在貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出第一個(gè)實(shí)用的半導(dǎo)體器件，這一發(fā)現(xiàn)獲得了1956年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

點(diǎn)觸晶體管是20世紀(jì)60年代開始取代真空管的一種結(jié)構(gòu)更緊湊、效率更高的設(shè)備，它的出現(xiàn)為現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。它最早的應(yīng)用之一是在放大電路中。

晶體管的一個(gè)主要特點(diǎn)是能夠放大電信號(hào)。點(diǎn)觸晶體管的一個(gè)直接應(yīng)用是在電信領(lǐng)域，它為開發(fā)更小、更高效的長(zhǎng)距離電話系統(tǒng)做出了貢獻(xiàn)。

在商業(yè)應(yīng)用方面，晶體管最初用于生產(chǎn)助聽器。晶體管體積小、功耗低、可靠性高，因此非常適合這一用途。

雙極結(jié)型晶體管

在這一初步發(fā)現(xiàn)之后，這些科學(xué)家又開發(fā)出了雙極結(jié)型晶體管，最終導(dǎo)致了第一個(gè)實(shí)用晶體管的誕生。這一裝置徹底改變了電子技術(shù)，為我們今天使用的無(wú)數(shù)電子設(shè)備打開了大門。

雙極結(jié)型晶體管（BJT）由三個(gè)半導(dǎo)體層組成。它有兩種配置方式：一種是NPN（負(fù)-正-負(fù)）配置，即兩個(gè)n型層夾一個(gè)p型層；另一種是PNP（正-負(fù)-正）配置，即兩個(gè)p型層夾一個(gè)n型層。

這種半導(dǎo)體器件的主要用途是放大電子信號(hào)。在輸入信號(hào)很小的情況下，NPN晶體管發(fā)射極和集電極之間的電子流可以產(chǎn)生大得多的輸出信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大。

集成電路，別名微芯片或芯片

半導(dǎo)體器件發(fā)展的下一步是集成電路。在科技發(fā)展史上，兩位科學(xué)家在互不相識(shí)的情況下朝著同一方向前進(jìn)的情況屢見不鮮。德州儀器公司的杰克·基爾比（Jack Kilby）和飛兆半導(dǎo)體公司的羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）就是這種情況，他們?cè)?0世紀(jì)50年代末和60年代初獨(dú)立發(fā)明了集成電路。

他們的發(fā)明將結(jié)型晶體管、電阻器和電容器結(jié)合在一種獨(dú)特的半導(dǎo)體材料中。集成電路帶來(lái)了許多好處，包括微型化、可靠性提高、成本降低、性能改善和通用性增強(qiáng)。

微型化使數(shù)千到數(shù)百萬(wàn)個(gè)晶體管、電阻器和電容器被集成到一個(gè)芯片上。這縮小了電子設(shè)備的尺寸，增加了其功能。

隨著電子元件之間連接數(shù)量的減少，可靠性也得到了提高。

由于集成電路消除了組裝單個(gè)元件的需要，從而提高了經(jīng)濟(jì)性。

芯片上元件之間的距離縮短了信號(hào)傳播延遲，從而提高了電子系統(tǒng)的整體性能。

由于集成電路可在各種應(yīng)用中發(fā)揮出色的性能，因此具有明顯的多功能性，從而能夠創(chuàng)造出廣泛的電子用例。

第一個(gè)集成電路

飛兆半導(dǎo)體公司的910電阻晶體管邏輯(RTL)門是1961年推出的第一款商用集成電路器件。它通常被稱為飛兆910 RTL gate，是電子設(shè)備和應(yīng)用（包括計(jì)算機(jī)、計(jì)算器、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及測(cè)試和測(cè)量設(shè)備）中使用的基本數(shù)字邏輯電路。

20世紀(jì)60年代之后

從20世紀(jì)60年代初至今，集成電路在電子設(shè)備中無(wú)處不在。冰箱和洗衣機(jī)等日常家用電器都包含集成電路，可實(shí)現(xiàn)從最簡(jiǎn)單到最復(fù)雜的各種功能。

您正在電腦、平板電腦或智能手機(jī)上閱讀本文章，這些設(shè)備可能包含任意數(shù)量的集成電路，從幾十個(gè)到幾百個(gè)甚至上千個(gè)不等。集成電路（包括微處理器、存儲(chǔ)芯片、傳感器等）根據(jù)其功能的不同，相互協(xié)調(diào)工作，使您能夠在屏幕上閱讀這篇文章。

得益于集成電路在過去幾十年中的不斷改進(jìn)，上述設(shè)備的功能已變得足夠強(qiáng)大，能夠執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)和計(jì)算，體積小巧（便于攜帶），電池消耗效率高，能夠最大限度地降低能耗，并在不拔插頭的情況下工作數(shù)小時(shí)。

從最初的集成電路到今天的技術(shù)，中間經(jīng)歷了幾個(gè)階段，每一個(gè)階段都值得仔細(xì)研究。文章第二部分將介紹半導(dǎo)體技術(shù)在過去六十年中取得的進(jìn)步。我們將討論一些關(guān)鍵進(jìn)展，包括FET（場(chǎng)效應(yīng)晶體管）和MOS（金屬氧化物半導(dǎo)體），它們是現(xiàn)代數(shù)字設(shè)備的基礎(chǔ)。這篇文章還將探討這些微型元件的制造和封裝技術(shù)。敬請(qǐng)關(guān)注本篇的第二部分。

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