河北省地礦中心實驗室 楊紅國 徐崇穎

一、引言

集成電路技術作為微電子技術的一個重要門類和組成部分，其技術發(fā)展遵循著著名的摩爾定律，僅僅需要1.5年的時間就能夠?qū)⑾嗤阅艿碾娐穳嚎s到原有體積的一半，而進40年來，集成電路的體積幾乎縮小了30000倍。當前，頂尖的集成電路研發(fā)技術掌握在少數(shù)幾個發(fā)達國家的研究機構手中，而與集成電路息息相關的IC產(chǎn)業(yè)已經(jīng)被高度整合，從設計，到制造，到封裝再到測試，已經(jīng)形成了一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈，集成電路的廣泛應用不斷地推動著科技的進步，也不斷地改變著人類的生活。本文將討論集成電路的原理，分析集成電路的發(fā)展，最后討論集成電路的應用。

二、集成電路概述

微電子學是一種結合了電子學以及材料物理學的綜合學科，該學科的主要研究認為是將半導體材料進行適當處理，制造出微型電子電路、微型電子系統(tǒng)以滿足各種應用需要?；谖㈦娮蛹夹g發(fā)展起來的集成電路技術主要囊括了材料技術、電路技術、集成封裝技術等幾個門類，主要通過將晶體管器件、電阻器件、電容器件等按照電路原理高度集成在一起，從而實現(xiàn)電路的某種功能，從集成電路輸入輸出關系來看，集成電路一般可以分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩種。

三、常見集成電路舉例

1.7 4LS138譯碼器

74LS139集成電路是常見的兩個2線－4線譯碼器，共有54/74S139和54/74LS139兩種線路結構型式，當選通端（G1）為高電平，可將地址端（A、B）的二進制編碼在一個對應的輸出端以低電平譯出。若將選通端（G1）作為數(shù)據(jù)輸入端時，74LS139還可作數(shù)據(jù)分配器。A、B譯碼地址輸入端，高電平觸發(fā)；芯片的G1、G2為選通端，低電平觸發(fā)有效；Y0～Y3為譯碼輸出端。

2.7 4ls244緩沖器

74LS244是一種3態(tài)8位緩沖器，一般用作總線驅(qū)動器。74LS244芯片沒有鎖存的功能，地址鎖存器就是一個暫存器，74LS244根據(jù)控制信號的狀態(tài)，將總線上地址代碼暫存起來。8086/8088數(shù)據(jù)和地址總線采用分時復用操作方法，即用同一總線既傳輸數(shù)據(jù)又傳輸?shù)刂贰?/p>

當微處理器與存儲器交換信號時，首先由CPU發(fā)出存儲器地址，同時發(fā)出允許鎖存信號ALE給鎖存器，當鎖存器接到該信號后將地址/數(shù)據(jù)總線上的地址鎖存在總線上，隨后才能傳輸數(shù)據(jù)。

3.5 55定時器

555定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結合的中規(guī)模集成器件，是最常見的定時器集成電路。一般用雙極性工藝制作的稱為555，用CMOS工藝制作的稱為7555，除單定時器外，還有對應的雙定時器556/7556。555定時器的電源電壓范圍寬，可在4.5V～16V工作，7555可在3～18V工作，輸出驅(qū)動電流約為200mA，因而其輸出可與TTL、CMOS或者模擬電路電平兼容。一般來說，555定時器的功能實現(xiàn)由比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制RS觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當5腳懸空時，則電壓比較器C1的同相輸入端的電壓為2VCC/3，C2的反相輸入端的電壓為VCC/3。若觸發(fā)輸入端TR的電壓小于VCC/3，則比較器C2的輸出為0，可使RS觸發(fā)器置1，使輸出端OUT=1。如果閾值輸入端TH的電壓大于2VCC/3，同時TR端的電壓大于VCC/3，則C1的輸出為0，C2的輸出為1，可將RS觸發(fā)器置0，使輸出為0電平。

555的應用：

（1）構成施密特觸發(fā)器，用于TTL系統(tǒng)的接口，整形電路等；

（2）構成多諧振蕩器，組成信號產(chǎn)生電路，振蕩周期：T=0.7（R1+2R2）C；

（3）構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，用于定時延時整形及一些定時開關中。

555應用電路采用以上三種方式中的1種或多種組合起來可以組成各種實用的電子電路，如定時器、分頻器、脈沖信號發(fā)生器、元件參數(shù)和電路檢測電路、玩具游戲機電路、音響告警電路、電源交換電路、頻率變換電路、自動控制電路等。

四、集成電路發(fā)展

電路工藝是集成電路技術中最為基礎的部分，主要涉及到擴散技術、氧化技術、光刻腐蝕技術以及薄膜再生技術等方面。上世紀六十年代末，微電子研究人員充分研究了氧化二硅系統(tǒng)的電性質(zhì)，完成了界面物理研究的理論儲備，緊接著科學家通過控制鈉離子玷污的手法，配合使用高純度的材料，成功實現(xiàn)了MOS集成電路的生產(chǎn)，由于MOS電路在工藝上易于控制、功耗很低、集成度高、可裁剪性強等優(yōu)點，當前半導體工業(yè)中，絕大多數(shù)的集成電路有使用MOS或者CMOS結構。

制版技術方面的關鍵技術的光刻技術，光刻技術最初被使用在照相術上面，上世紀五十年代末被應用到半導體技術中，仙童公司巧妙地使用光刻技術實現(xiàn)了集成電路的圖形結構。使用光刻技術制造的器件相互連接時可以不使用手工焊接技術，而是采用真空金屬蒸發(fā)技術，使用光刻技術實現(xiàn)電路的繪制。近年來，隨著光刻技術的發(fā)展，光刻技術的加工精度已經(jīng)達到超深亞微米數(shù)量級。

電路設計方面。1971年，Intel公司第一臺微處理器的發(fā)明是集成電路技術對人類做出的最大貢獻之一，微處理器的發(fā)明開辟了計算機時代的新紀元。微處理器的發(fā)明帶動了以CMOS為基礎的超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)的發(fā)展，也帶動了智能化電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，是信息技術的基礎原件和實物載體。近年來，隨著集成電路技術的發(fā)展，科學家將量子隧穿效應技術應用到集成電路領域，推動了信息化社會的進程。

工藝材料方面。隨著材料科學的不斷發(fā)展，很多新材料技術和新物力技術不斷地被應用到集成電路領域當中，鐵電存儲器和磁阻隨機存儲器就是其中的代表。當前集成電路技術的發(fā)展突顯出一些新的特征，主要表現(xiàn)在從一維向多維發(fā)展，向材料技術、微電子技術、器件技術以及物理技術提出了更高的要求，集成電路的發(fā)展也正因為如此遭遇瓶頸，物理規(guī)律的限制、材料科學的限制、技術手法的限制。不過與此同時，寬禁帶的SiC、GaN以及AIN等材料擊穿電壓值高、禁帶值高、抗輻射性能好，應經(jīng)被廣泛應用，所制造器件在高頻工作狀態(tài)、高溫狀態(tài)以及大功率狀態(tài)下性能優(yōu)異，是集成電路的發(fā)展方向。

五、結語

集成電路是上世紀人類社會最偉大的發(fā)明之一，集成電路的廣泛應用不斷地推動著科技的進步，也不斷地改變著人類的生活。本文系統(tǒng)分析了集成電路的原理，列舉了幾種常見集成電路，并對集成電路的發(fā)展進行了討論和研究。

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