集成電路的發(fā)展及應(yīng)用

李 新

（河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000）

0 引言

集成電路是相對于分立電路而言，它把晶體管、場效應(yīng)管、二極管、電阻、電容等元件以及相互之間的連接制作在一塊半導(dǎo)體芯片上，組成一個不可分割的整體，使之具有特定的功能。目前集成電路已成為現(xiàn)代電子電路中的核心器件，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。

1 集成電路的發(fā)展

科學(xué)研究和生產(chǎn)的需要推動著電子技術(shù)的發(fā)展，而電子器件和電路的改進(jìn)又帶來了科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)水平的進(jìn)一步提高。1906年，第一個電子管誕生，從而引發(fā)了無線電技術(shù)的發(fā)展。但是由于電子管存在一些明顯的缺點，如體積大、功耗大、壽命短、電源利用效率低等，很快就不適應(yīng)發(fā)展的需要。1947年晶體管被發(fā)明，成為微電子技術(shù)發(fā)展中的第一個里程碑。晶體管彌補了電子管的不足，但很快又遇到了新的麻煩。在實際應(yīng)用中，工程師們需要手工連接各種分立元件，非常麻煩，于是人們開始尋找新的方法。1960年世界上第一塊硅集成電路被成功制造。1966年第一塊公認(rèn)的大規(guī)模集成電路制造成功。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，超大規(guī)模集成電路應(yīng)運而生。1977年超大規(guī)模集成電路面世，一個硅晶片中集成有15 萬個以上的晶體管，1988年，16M DRAM 問世，1 平方厘米大小的硅片上集成有3500 萬個晶體管，從而進(jìn)入超大規(guī)模集成電路階段。1997年300MHz 奔騰Ⅱ問世,從而讓計算機(jī)的發(fā)展如虎添翼，超大規(guī)模集成電路的發(fā)展又達(dá)到一個新的高度。2009年，intel 酷睿i 系列全新推出，采用了領(lǐng)先的32 納米工藝。目前22 納米工藝也逐漸被各國研發(fā)成功。采用22 納米集成電路技術(shù)可以在一根頭發(fā)絲的橫截面上集成大約1000 萬個晶體管，從而使集成電路產(chǎn)品的功能更多樣化，速度更快，成本更低。由此集成電路的發(fā)展大致經(jīng)歷了如下過程：電子管——晶體管——集成電路——超大規(guī)模集成電路。

中國集成電路產(chǎn)業(yè)起步于20 世紀(jì)60年代中期，1976年，中國科學(xué)院計算機(jī)研究所研制成功1000 萬次大型電子計算機(jī)；1986年，電子部提出集成電路技術(shù)“531”發(fā)展戰(zhàn)略，即推進(jìn)5 微米技術(shù)，開發(fā)3 微米技術(shù)，進(jìn)行1 微米技術(shù)科技攻關(guān)；1995年，電子部提出“九五”集成電路發(fā)展戰(zhàn)略；在2003年，中國半導(dǎo)體占世界半導(dǎo)體銷售額的9%，電子市場達(dá)到860 億美元，中國成為世界第二大半導(dǎo)體市場。2013年,中國集成電路產(chǎn)業(yè)銷售額達(dá)到2508.51 億元,同比增長16.2%。我國集成電路產(chǎn)業(yè)近年來發(fā)展非常迅速,以集成電路技術(shù)為核心的ICT 產(chǎn)業(yè),已經(jīng)替代了汽車、鋼鐵等一些傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)成為國內(nèi)經(jīng)濟(jì)新的快速增長點,在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的地位也越來越重要。

隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，集成電路中晶體管的數(shù)目不斷增加，器件特征尺寸不斷縮小；不同類型的集成電路相互鑲嵌，實現(xiàn)從集成電路(IC)到系統(tǒng)集成(IS)的過渡；微細(xì)加工技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，將帶動一系列交叉學(xué)科及其有關(guān)技術(shù)的發(fā)展。總之，集成電路的發(fā)展趨勢將呈現(xiàn)小型化、系統(tǒng)化和關(guān)聯(lián)性的態(tài)勢。

2 集成電路的應(yīng)用

集成電路按功能不同可分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類。模擬集成電路用來產(chǎn)生、放大和處理各種模擬電信號；數(shù)字集成電路則用來產(chǎn)生、放大和處理各種數(shù)字電信號。如收音機(jī)、音響設(shè)備及電視機(jī)中接收、放大的音頻信號是模擬信號；電報電碼信號，數(shù)字電信號。

2.1 常用集成電路舉例

1）滯回電壓比較器

電壓比較器是一種常見的模擬信號處理電路，它將一個模擬輸入電壓與一個參考電壓進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果輸出。[1]滯回電壓比較器的抗干擾能力非常強，當(dāng)輸入信號受干擾而發(fā)生變化時，適當(dāng)調(diào)節(jié)兩個門限電壓，就可以避免輸出電壓的反復(fù)跳變。在自動控制和自動測量系統(tǒng)中，可用于越限報警及各種非正弦波的產(chǎn)生和變換。

2）74LS290 集成異步計數(shù)器

在數(shù)字系統(tǒng)中，凡需要直接觀察計數(shù)結(jié)果的地方，差不多都是用十進(jìn)制計數(shù)的。74LS290 是一種中規(guī)模集成計數(shù)器。它有清零、置數(shù)和計數(shù)的功能。該計數(shù)器由一個獨立的一位二進(jìn)制計數(shù)器和一個五進(jìn)制計數(shù)器組成。只輸入計數(shù)脈沖A，由QA 輸出，為二進(jìn)制計數(shù)器；只輸入計數(shù)脈沖B，由QDQCQB 輸出，為五進(jìn)制計數(shù)器；將QA 與B 端連接，輸入計數(shù)脈沖A，為十進(jìn)制計數(shù)器。

3）555 定時器

555 定時器是一種數(shù)字、模擬混合型的中規(guī)模集成電路，它的模擬部分的核心是兩個電壓比較器，電壓比較器的參考電壓由三個5 千歐電阻分壓器提供，反相比較器是以2／3Ucc 作為參考電壓，同相比較器是以1／3Ucc 作為參考電壓。兩者的輸出分別控制基本RS 觸發(fā)器的R 端和S 端，以觸發(fā)器的輸出作為定時器的輸出，并以它的反端去控制放電三極管的導(dǎo)通與截止。[2]555 集成芯片使用靈活、方便，只需在其外部配上幾個簡單的阻容元件，就可以方便地構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器、多諧自激振蕩器等應(yīng)用型電路。由于它的多功能性，555 集成芯片廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動控制、定時仿聲、電子樂器、數(shù)字設(shè)備、防盜報警等方面。[3]

2.2 集成電路應(yīng)用領(lǐng)域

目前集成電路廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。在計算機(jī)方面，中央處理器、內(nèi)存、光盤、主板等都與集成電路有關(guān)；在通信方面，通信衛(wèi)星、雷達(dá)、半導(dǎo)體激光器、電話等也與集成電路有關(guān)；在醫(yī)學(xué)方面，外科手術(shù)設(shè)備、數(shù)字體溫計、血壓計、核磁共振造影儀等新型醫(yī)療設(shè)備也離不開集成電路；在生活方面，與集成電路有關(guān)的產(chǎn)品隨處可見，如電視、音響、全自動洗衣機(jī)、電磁爐、微波爐等。除計算機(jī)、通信、醫(yī)學(xué)、生活等方面的應(yīng)用外，集成電路正在不斷開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域，如微機(jī)電系統(tǒng)，生物芯片、超導(dǎo)等，并且正在形成新的產(chǎn)業(yè)增長點。

［1］蘇士美.模擬電子技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2007：148.

［2］乜國荃.集成運放和電壓比較器[J].青海師范大學(xué)學(xué)報，2006（2）：49.

［3］黃冬梅.電子技術(shù)[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2011：287.