1、集成電路發展史香港浸會大學物理系謝國偉 博士早期發展早在 1830 年，科學家已於實驗室展開對半導體的研究。他們最初的研究對象是一些在加熱後電阻值會增加的元素和化合物。這些物質有一共同點，當它們被光線照射時，會容許電流單向通過，我們可藉此控制電流的方向，稱為光電導效應。在無線電接收器中，負責偵測訊息的整流器，就是一種半導體電子儀器的例子。德國的 Ferdinand Braun 利用了半導體方鉛礦，一種硫化鉛化合物的整流特性，創製世上第一台整流偵測器，後世俗稱為貓鬍子的偵測器。基於半導體的整流特性，我們能在整流偵測器內的金屬接觸面和半導體間建立起一電勢差，令電子在某一方向流動時為“順流而下” ，
2、反之則“逆流而上” 。至此，半導體電子儀器起始面世。(晶體管)到了 1874 年，電報機、電話和無線電相繼發明，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，而是開始步入了資訊傳播的領域，成為傳播訊息的一種媒介。而電報機、電話以及無線電等早期電子儀器亦造就了一項新興的工業電子業的誕生。(整流器) (電容) 在二十世紀的前半段，電子業的發展一直受到真空管技術的掣肘。真空管顧名思義是抽走了空氣的玻璃管，內有陰、陽兩極，電子會由陰極流向陽極。為了增加電子的流動，我們將陰極管加熱至高溫（攝氏數百度計） ，令電子在陰極受熱“跳”出。再加上另外一枝電勢比陰極還要略低的電極控制柵極。我們能藉著調整其
3、電勢來控制電子流動，以達到控制電流的目標。真空管本身有很多缺點：脆、易碎、體積龐大、不可靠、耗電量大、效率低以及運作時釋出大量熱能。這些問題，直到 1947 年貝爾實驗室發明了晶體管後才得到解決。晶體管就像固態的真空管，電子由陰極流向陽極（在晶體管中稱為電子泉和汲極） ，電子的流動則由一類似真空管中控制柵極的閘門控制。與真空管相比，晶體管體積細小、可靠、耐用、耗電量少而且效率高。晶體管的出現，令工程師能設計出更多更複雜的電路，這些電路包括了成千上萬件不同的元件：晶體管、二極管、整流器和電容。可是，體積細小的電子零件卻帶來另一個問題：就是需要花費大量時間和金錢以人手焊接把這些元件接駁起，但人手焊
4、接始終不是絕對可靠，令電路中成千上萬的焊接點都有機會出現問題。因此，電子業接下來所面對的問題，就是要找出一種既可靠又合乎成本效益的方法以生產和焊接電子零件。(現代常見二極管) (現代常見 LED) 集成電路(Jack Kibly 發明的半導體集成電路- 相片由 Texas Instruments Semiconductor Asia 提供) 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化算的工作，美國軍方為此而尋求更有效的方法。其中一項計劃由 U.S. Army Signal Corps 贊助，名為 Micro-Module program。計劃的意念是將所有不同類型的電子零件製成劃一
5、的大小和形狀，並在生產時加上電線。這樣，在組裝零件時，便可將大小劃一的電阻、電容和晶體管等像砌積木般組裝成設計的電路，免去焊接的煩惱。(will be presented in link of picture)Jack Kibly發明的半導體集成電路http:/ program 當年由德州儀器承辦，1958 年，Jack Kilby 加入德州儀器，他當時於密爾沃基的中央實驗室工作，清楚明白到電子業當前所面對的問題，而且意識到 Micro-Module program 只是治標不治本（試想像當你設計一個像電腦處理器般複雜的電路時，那個由成千上萬電子零件所組成的龐然大物） ，未能從根本解決將大量電
6、子零件整合成電路時的困難。有見及此，Kilby 開始構思他自己的一套解決方案，他認為使用半導體去製作電路板會是一個可行的辦法。1958 年 7 月，正當每名德州儀器員工都在享受兩星期例假的時候，Kilby 獨自一人開始將他的半導體集成電路構思付諸實行。Kilby 在當時德州儀器新建成的半導體大樓進行研究。直到 9 月，他成功將一組電路安裝在一片半導體上。於同年的 9 月 12 日，Kilby 邀請了幾位德州儀器的高層職員，包括前主席 Mark Shepherd，出席他的示範。當時眾人眼前所見的是一片銀色的鍺金屬，上面接滿電線。當 Kilby 啟動這個看似簡陋的裝置後，示波器的顯示屏上馬上出現了
7、一條正弦曲線-一個簡單振動電路。Kilby 的發明成功了！他將電子業一直以來所面對的問題解決了，電子業從此踏入一個新的領域。Jack Kilby 更藉著發明半導體集成電路奪得 2000 年的諾貝爾物理學獎。(will be presented in link of video)Jack Kilby的訪問節錄http:/ 年，英特爾(Intel) 的始創人，Jean Hoerni 和 Robert Noyce，在 Fairchild Semiconductor 開發出一種嶄新的平面科技，令人們能在矽威化表面鋪上不同的物料來製作晶體管，與及在連接處鋪上一層氧化物作保護。這項技術上的突破取代了以往的
8、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。由集成電路製成的電子儀器從此大行其道，到二十世紀 60年代末期，接近九成的電子儀器是以集成電路製成。時至今日，每一枚電腦晶片中都含有過百萬顆晶體管。在 Kilby 的集成電路面世初期，沒有人能想像到這一片微細的晶片能對社會做成多大的衝擊。可是，若果沒有了集成電路的發明，今時今日許多的電子產品根本沒有可能面世。集成電路衍生出整個現代電腦工業，四、五十年代那些動輒用上整個房間的電腦已被現今的桌面電腦、電子手賬所淘汰；集成電路亦將通訊科技重新定位，為人與人、公司與公司、國與國之間的通訊提供全新的即時資料傳送方法。事實上，若缺少
9、了集成電路，人類今天可能還未能衝出地球去探索太空和登陸月球。集成電路的應用層面已達至教育、運輸、生產及娛樂，可謂現今社會不可或缺的一環。未來發展自 1961 年起，世界電子業市場總市值由$29 億增長至今時今日的$957 億。更有報告指出電子業將會是廿一世紀最大的單項工業。電子業的增長有賴更新、更好的科技發展與突破，比如無線通訊、互聯網和 DNA 解碼。(音效晶片 - 集成電路) 在往後的日子，隨著半導體科技的發展，更多嶄新的電子產品將會陸續面世。可能在不久的將來，你已經可以利用手提電話與遠方的親友進行視像會議；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製作一頓豐富的晚餐；你的自動導航
10、器為你駕車回家，而你則可利用這段時間為明天的會議稍作準備。在美國，已有公司提供網上電影院服務，你只要安坐家中，以互聯網選擇想觀賞的電影，就可在家中的電視收看。這一切都似是科幻小說的情節，可是我們距離新科技的突破只有一步之遙，或許，新的產品已經進入實驗階段，快要推出市面呢！可是，仍有不少問題妨礙集成電路的發展。首先，資訊傳播的速度最終將取決於電子流動的速度；其次，集成電路運作時所產生的熱量亦不容忽視。當大量集成電路組裝在一元件時，假若不能及時散熱，便會出現電流失控；再者，現時集成電路所根據的原理，均是建基於經典物理學。可是當集成電路的體積日趨細小，終有一日會發展到由量子物理學所管轄的微觀世界，屆
11、時，我們將要對集成電路的原理作一番重新評估及整頓。關於作者：謝國偉教授於 ARCS 獲得理學士學位，於皇家理工學院完成哲學博士學位，其後加入香港浸會大學。謝教授的研究範圍包括：納米半導體(Nano-dimension Semiconductors)，有機及無機冷光物質(Organic and Inorganic Luminescence Materials)，與及 Wide Band-gap Semiconductors。關鍵字詞：半導體、真空管、晶體管、集成電路、無線電接收器、整流特性、電勢差、貓鬍子、控制柵極、固態的真空管、頻閃儀的螢光幕、量子力學、DNA 解碼、電子的速度、二極管、電容、
12、整流器、矽威化表面的平面科技、簡單振動電路參考書目:o 科學人：中文版，2002 年 9 月號，p.44-54 ，“ 前途無量的自旋電子”，簡述以電子自旋原理製造超微型電子元件或晶片的構想。o 科學人：中文版，2002 年 7 月號，p.27，“微電子科技未來之挑戰”，簡述微電子科技的發展。o 科學人：中文版，2002 年 3 月號，p.82-89 ，“ 微晶片的垂直躍進”，簡述晶片科技的新發展方向。o 科學月刊：2002 年 7 月號， “半導體積體電路專輯 ”，介紹半導體原理、晶體管原理、積體電路的製造過程、積體電路製作中最重要的微影技術、介紹積體電路製作所不可或缺的潔淨環境無塵室。課程綱
13、要內相關課題：電子學、電路課程綱要延伸課題：帶出以下觀念：在現今的電子世界裏，超導體已成為一熱門的話題，在超導體的應用下，電子產品能更加有效，電腦產品是一明顯的例子。那末，超導體是怎樣影響集成電路的大小、效率及可承受的熱量？熱身討論o 在集成電路發展初期(二十世紀的首五十年) ，人們使用什麼電子元件？ 真空管、二極管、整流器、電容、電阻o 起初人們用那一種半導體來製作電子儀器？ 方鉛礦o 舉出真空管不方便使用的原因。 脆、易碎、體積龐大、不可靠、耗電量大、效率低以及運作時釋出大量熱能o 試舉出兩所於 1950 年參與電子公業發展的機構名稱。 o 隨著集成電路的迅速發展，集成電路的計設愈來愈複雜
14、，為什麼Jack Kilby 認為有需要將所有電子元件整合起來？ 將大量電子零件整合成電路時，需要花費大量時間和金錢在人手焊接元件上，而且人手焊接始終不是絕對可靠，這使到每個電路中成千上萬個焊接點，都是一個個潛在的麻煩。閱後討論：o 半導體有甚麼特質，可有效幫助發展電子產品？ o 試想像未來通訊發展，說出例子。 o 你認為集成電路的發展重要嗎？ 請講述原因。 o 電子晶片以什麼形式改變了通訊的方式？ 閱後活動：o 諾貝爾獎是首個國際認可的獎銜。自 1901 年起，每年頒授予於物理學、化學、醫學、文學及和平幾方面有貢獻的學者。簡單闡述(a) 諾貝爾獎創辦者；(b) 創辦諾貝爾獎的原因及(c) 承
15、辦諾貝爾獎的機構。 o Jack S. Kilby 於 2000 年取得半個物理學諾貝爾獎，他奠定了資訊及通訊科技的基石，尤其發明了集成電路。你認為他於新世紀獲取第一個諾貝爾獎有何意義？ o 自 1901 年起，所有諾貝爾獎得獎者均可取得獎金。而 1961 年、1931 年、1934 年及 1940 至 42 年物理學諾貝爾獎得獎者所獲得的獎金，分別撥到諾貝爾主基金及特別基金。試就以上所述年份的全球性氣候，討論其安排原因。 o Jack S. Kilby 於 2000 年取得半個物理學諾貝爾獎，誰是另一半的得主？ 你認為他們的貢獻有多偉大？ o 你知道最早取得物理學諾貝爾獎的華人是誰嗎？ 他們
16、何時獲獎？研究領域又是甚麼？ o 縱使集成電路有很多優點，但是沒有一個電路全都是由集成電路所組成。(你看看一些電子儀器的電路版，就會發現電路內仍有一些電阻器、電容器或晶體管。) 為什麼不用集成電路來取替其他的電子零件呢? o 試想像若然沒有發明出集成電路，現在的世界會變成怎樣? o 現時幾乎所有真空管都被集成電路所取替，但仍有一些電子儀器還用真空管的，試舉出哪些電子產品內有真空管，並指出為何它們內都有集成電路? 相關網站：o Integrated Circuit (只供英文版)有關集成電路發展史的簡述。http:/www.pbs.org/transistor/background1/events/icinv.html o History of Innovation (只供英文版)有關 Texas Instruments Incorporated 歷史的網上旅程。http:/ o Package structure (只供英文版)這文件介紹了幾種常用集成電路的結構詳圖。http:/ o Research in Analog Integrated Circuit Design (只供英文版)本網頁介紹 University of California at Berkeley 一班研究人員關於 IC的研究項目。 http:/kabuki.eecs.berkeley.edu/
