IC如何创新

半导体晶体管的发明让电脑工业发生了一场革命，对于许多其它领域也有长远的影响。不过，电子元件尺寸和价格的大幅度降低，是由于后来的一项发展，也就是集成电路的发展而得来的。如果没有这项发展的话，那么我们现在许多视为当然的应用，象是掌上型计算机、个人电脑，以及从洗衣机到儿童玩具里面无处不在的电子器件，都将是不可能的。这个进步的幅度之大难以想象。

　　才不过是三十年前，电路都是由单独分立的元件所组成的，每个元件都大约有几毫米长。今天，可以在指甲大小的矽芯片上，放进几百万个元件，每个元件的尺寸是以微米来计算的。微米是长度的单位，等于一毫米的千分之一。这么小的线路是怎么做成的？在碰到基本的限制之前，它们还能继续小下去多少？这是本章所要讨论的两个主要问题，但是我们首先必须问一个更基本的问题：什么是集成电路？

　　从普通电路到集成电路

　　要回答这个问题，需要先看一下普通的电路。举例来说，如果我们打开一个三十年前的音响扩音器，就会看到这种电路。在一般情况下，我们会发现有一大堆电阻器、一些电容器、电感器和二极管，以及少数的双极型晶体管。所有这些元件都放在一个线路板上，每个元件之间用电线相连，并且用一点焊料跟线路板连起来。

　　与此相对的，如果我们撬开一个集成电路的封装（package），会发现一些很不相同的东西。它比线路板小得多了，因此我们需要一支放大镜，甚至一台显微镜，来认出每个元件，即使是这样，对于没有经过训练的人来说，还是很难认出任何特别的元件，因为它们并不像缩小了的分立元件。集成电路的每个单元基本上都座落在二维平面上，也就是芯片的表面，由沉积在表面的金属线连在一起。因此，这整个结构是平面的。这对这些元件有什么样的影响？

　　其中有一个限制是关于电感器的，普通的电感器是用圆筒形的线圈做成的，在集成电路上，不容易以适当的形式把这样的电感器做出来。这就表示我们不能把一个用分立元件做成的电路设计拿过来，简单的把它用集成电路的形式重新做出来。

　　不过，这也不是我们想做的，因为集成电路与分立电路是基于不同目的而设计的。就如前一章最后所说的，分立的放大器线路是一种类比系统，许多电感器和电容器都是因为要降低放大引起的失真现象而使用的。在数字系统中，这部分的电路是不需要的。因此不论怎么样，我们也会料到电感器和电容器将会用得很少。很幸运的，甚至证明可以把电感器完全省掉。

　　运用一些智能，就可以在平面上把电容器和电阻器做出来，就像双极型晶体管可以用平面工艺的形式做出来一样。不过，这样做往往要用到相当大的表面积。

　　最适宜用于集成电路的元件是金氧半晶体管。这个元件的操作原理应用到表面效应，可以很容易的把所有电接触都从表面上引出来。在占用芯片表面积方面，它也是非常有效率的。这件事有很大的重要性，因为这跟一个芯片上能够容纳多少元件直接有关。事实上，由于金氧半晶体管在集成电路上所占的面积比电阻器来得小，用金氧半晶体管来取代电阻器是很常见的。

　　我们因此知道，集成电路与用分立元件做出来的电路很不相同。特别是，在分立电路中只有在必要的时候才会用到晶体管，因为制造晶体管比制造电阻器和其它的零件来得贵，而在集成电路中，晶体管是最常见的元件，因为元件的成本是以这个元件所占的芯片表面积来决定的。

　　制作光罩

　　我们要怎么样才能做成一个集成电路？这项工作的起点就是先要设计电路。这可能是一串很长的过程。设计一个有着上百万个晶体管的集成电路，就像要从头设计一座中等城市，所写的计画书要详细到每栋房子的那种精细程度一样。不过，现在有许多电脑软件可以协助设计。

　　当设计完成了之后，实际的生产就可以开始了。第一个阶段就是制作"晶圆"（wafer），晶圆是一块薄的硅晶体，一般厚度小于0.5毫米，直径大约为20厘米。这种晶圆是由特别纯的硅所制成的，在这样的矽中再掺进某一种杂质，比如说p型的杂质。

　　下一步就是把集成电路的设计转化成为芯片表面实际的电路。这项技术与我们把一个复杂的彩色图案转印到一张白纸上很类似。我们首先定义清楚图形中红色的部分，然后做一个雕花的版子，版子所开的窗口相当于我们定义的面积。如果把版子放在白纸上面，就可以很容易的把红漆喷在整个表面上。这样的程序可以重复对不同的颜色使用，直到我们成功的复制了这整个图案。这种方法的优点是：一旦做出来这个雕花板子，就可以不费什么力气的把这个图案重复制作出来。

　　同样的，集成电路的设计也必须先细分为一系列的步骤，每个步骤都需要一个特别的制程。让我们细看一下这些制程其中的一个。举例来说，我们可以先定义所有需要制成n型区的面积。接着把这个大型的电路设计图照相，然后缩小到需要的尺寸（我们可以把这种制程看成是平常放大一张照片的反向程序）。因为缩小后的电路图案边长大约是几毫米而已，只占一片晶圆表面积的一小部分，因此这个图案可以多次复制，直到把整个晶圆都布满。

　　这个完成的图件叫做"光罩"（mask），在光罩上可以把好几百个同样线路的图象排在一起。在后面的制程中，所有这些线路都是同时制作的──这是大量生产的一个绝佳事例。