集成电路和晶体管有什么不同_百度知道
集成电路和晶体管有什么不同
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nmos等，或门，反相器，多路选择器等都是由晶体管实现的。现在说集成电路一般指很大规模的，比如你使用的公交卡内的芯片，手机的sim卡，cpu，dsp管芯等等，但再大规模的集成电路都可以分解为一个一个的晶体管，比晶体管在高一级的门级电路比如与门，单个晶体管也可以称作集成电路，比如现在系统使用的开关管晶体管是集成电路的基本单元，比如pmos
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70年前，当物理学家沃尔特·布拉顿像往常一样写下他的实验日记，他不曾预料，一个时代即将开启。
这场实验的主角是一个比火柴棍短且粗的半导体放大器，后来，它被命名为点接触式晶体管。
点接触式晶体管成了人类打开晶体管大门的第一把钥匙。大门推开后，一场信息技术革命席卷全球。
70年后，晶体管已经变得几乎无处不在。人类以其为砖瓦，搭建出一个个虚拟世界。我们至今仍未找到晶体管的替代品，以其为基础的集成电路，还将被人类长期依赖。
晶体管的问世，人类微电子革命的先声
晶体管诞生之前，人们已经有了电子管，或者叫真空管。
电子管具有信号放大作用，但是毛病一箩筐——寿命低、体积大、可靠性差。
所以，人们希望找到一种器件替代电子管。美国电话电报公司（AT&T）下属的贝尔实验室成了寻找路上的开路先锋。
贝尔实验室创建于1925年。成立伊始，它就是世界上规模最大的工业实验室。3600名工作人员中，有2000名是技术人员。
1945年7月，二战临近结束，为了适应战后研究方向的调整，贝尔实验室进行了各个研究部门的改组。
这次改组中，物理部门成立了3个研究小组，其中之一就是固体物理研究组。该组又分为半导体和冶金两个小组，麻省理工大学博士肖克莱兼任半导体小组组长。他将小组的研究计划，定为研制“半导体放大器”。
半导体是指常温下导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，像硅和锗，就是常见的半导体材料。
清华大学微电子所所长魏少军说，要理解晶体管的工作原理，可以想象一个大坝的水闸。
当大坝闸门合上，无水流出，水力发电机就无法发电；当闸门打开，水流涌出，水力发电机就可以输出电流。“闸门的开合直接影响到了水力发电机的运转，这就是用一个弱信号，去控制了一个强信号。”而晶体管的基本原理，就是“放大”，用小电流去控制大电流。
贝尔实验室对晶体管的构思由来已久。晶体管的诞生，是长期积累的结果。从诺贝尔奖的归属来看，荣誉最终给了3个人——肖克莱、布拉顿和巴丁。
日，摆在布拉顿和巴丁面前的，是一个多次改进后的、构筑在锗晶体之上的器件。锗晶体表面，用一根弹簧压着一个两边包裹着金箔的三角形塑料楔子。这两边的金箔，就是信号的输入端和输出端。
就是它，在那天的实验中，成功放大了30%的输出功率和15倍的输出电压。
用现代标准来衡量，这点触式晶体管的原型实在太过质朴笨拙，但无可否认，它就是人类微电子革命的先声。
在它之后，又有双极型、单极型晶体管和硅晶体管相继问世。
“从移动计算到智能计算，当今时代的种种变化，都离不开电子信息系统。而晶体管，是其中最为基础的器件。”魏少军说，晶体管之于信息革命，如同铁器之于农业革命，如同蒸汽机之于工业革命，“它的重要性怎么强调都不为过。”
起步不晚的中国，还是落后了
晶体管应该被拿来做更多的事情，不过前提是，它要足够小。
如何找到一种高效的晶体管、导线和其他器件的连接方法？1958年左右，美国两位30岁出头的年轻人，各自拿出了自己的解决方案——就是我们今天已经熟知的集成电路。
如果说，晶体管的诞生，是蝴蝶扇动了翅膀，那么，远隔大洋的中国，也敏锐地嗅到了风暴来袭的信号。
中国的起步并不晚。上世纪50年代中期，正值我国开始实施第一个五年计划。半导体这门新兴科学技术受到了党和政府的高度重视。1956年，在没有技术资料和完整设备的条件下，我国成功研制出了首批半导体器件——锗合金晶体管。1965年，我国又拥有了集成电路。
“说起我国第一代半导体人，那真是非常了不起。”中科院微电子研究所所长叶甜春感慨，“他们带着知识归国，自己研制设备，自己制备材料，自己培养了第一批学生，完全白手起家。”
头20年，我国集成电路和国际上的差距并不大；但在第二个20年，道路开始曲折。
差的不在技术，而是产业。一个还没有完成工业化的国家，刚刚从计划经济时代走出，还不知道如何组织大规模商品生产。此时，还想更进一步，发展高新技术产业，更是难上加难。
产业发展不起来，技术研发也步履维艰，陷入恶性循环。叶甜春记得，1986年自己刚入集成电路这一行时，整个行业都处在痛苦的转型期。大家还在学习高质量低成本地批量制造产品，在混沌中摸索。
上世纪八九十年代，国际集成电路产业开始起飞。“这是国家发展阶段的差异，也没什么好埋怨的。”叶甜春坦言。
真正的转折点，发生在2008年。
那一年，国家科技重大专项启动。“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”等专项都指向了集成电路。5年后，技术储备到了一定程度，加大产业投入，也就被提上议事日程。
2014年，国务院发布《国家集成电路产业发展推进纲要》，设立国家产业投资基金。“效果一下子就显现出来了。为什么能这么快？因为技术体系已经建立起来了，能支撑产业体系的快速发展了。”叶甜春总结，“这是一套组合拳，堪称完美。”
到了能打大战役的时候了
2017年1月，晶体管诞生之国美国，在一份报告中将矛头对准了中国。
美国总统科技顾问委员会称，中国的芯片业已经对美国的相关企业和国家安全造成了严重威胁，建议美国总统下令对中国的芯片产业进行更加严密的审查。
为什么？我国集成电路产业规模在世界占比非常小，算是“小透明”，就算有一些跨国并购，但交易额也完全不够看，何至于引起这么高的警觉？
“因为资本的背后，是我们自己真正的技术体系和产业体系在做支撑。”叶甜春说，“他们认为，一旦发展起来，就不可阻挡。我们有核心竞争力了，人家就害怕。”
实际上，我国集成电路一直都在国际上的打压和遏制中求生存。产业还在起步阶段，就有“巴黎统筹协会”对我国所需的新技术、新设备进行封锁禁运。当上世纪80年代后期“巴黎统筹协会”解体之后，又有“瓦圣那协定组织”继续对我国新兴技术和新兴产业进行封锁限制，它们只允许放行比经济发达国家滞后两代的集成电路技术和设备。
“西方国家有点神经过敏。”魏少军的看法略有不同，“中国打赢集成电路这场仗没那么容易。”集成电路产业的发展，需要全球化的产业环境，需要巨额投入，也需要大量人才。这都无法一蹴而就。
从中国半导体行业协会的统计来看，2016年我国集成电路产业销售额达4335.5亿元，比上年增长20.1%，这一增长速度算得上“高歌猛进”。不过，魏少军提醒，这4000多亿元的销售额，还包括了在华外商的贡献。“其实我们自身的能力还相当有限。”他判断，我国自己生产的集成电路，大约可以满足国内需求的1/4。
从技术上来看，我国最新的集成电路技术，跟国际上最新技术还差了一代到两代。不过，叶甜春认为，纠结于这个最新技术的代际差异，是一种误区，并没有太大意义。
比如，如今依然在大量生产的55纳米、40纳米和28纳米芯片，进入市场已近10年，但它们并未因为更小尺寸芯片的出现就退出历史舞台。
“集成电路尺寸缩小速度确实很快，但并不是下一代对上一代的完全替代。每一代技术都有大约10年的生命周期。”叶甜春表示，我国55、40、28纳米三代成套工艺已研发成功并实现量产，而更先进的22、14纳米先导技术在研发上也取得突破，形成了自主知识产权。“所谓赶超，也无需要求在各个领域全面超越，只要我国的集成电路能够支撑我国信息化和智能化的发展即可。”
可以肯定的是，这场晶体管开启的信息革命，将更深、更广地重塑人类社会。“未来，芯片的重要性只增不减。”魏少军强调。
而回首来路，叶甜春常说“传承”。一代一代半导体人的砥砺前行，才有中国今天的局面。
今天是个怎样的局面？他抬起头，望向远方，带着笑意。“可以打大战役了。我们有了‘战’的能力，虽然能力有限，但和从前相比，大不一样了。天时地利人和，没有理由超不过别人，这只是时间早晚问题。”
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编辑：朱丽
审核：管晶晶
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　　中国科学院微电子所研究员、中科院集成电路先导工艺研发中心首席科学家、国家“千人计划”学者朱慧珑
　　“CC讲坛”(第九期)于日在北京举行。中国科学院微电子所研究员、中科院集成电路先导工艺研发中心首席科学家、国家“千人计划”学者朱慧珑出席并演讲。
　　以下为演讲实录：
　　集成电路是一门高科技，它实际上促进了很多学科的发展。它包括自动化装备、制造装备的精密仪器。还包括我们微细加工等产业。
　　有人说集成电路实际上就是电子设备的大脑，也有人说它是工业的粮食。正因为它如此之重要，一美金的芯片，它所能撬动或者带动的GDP相当于一百美金。而全年的全世界的芯片的产值，它撬动的GDP相当于中国和美国之和。而且这个产业实际上对我们国家的信息安全具有非常重要的作用。中国集成电路的或者芯片市场占了全世界的50.7%，是世界上最大的芯片市场！但自给率还不到10%。从2008年开始我们国家的集成电路进口基本上就是我们的进口商品中最大的一种产品。它甚至超过了石油和粮食。大家可以想象我们的集成电路是多么重要的。
　　谈到集成电路我们就不得不提两个人一个是Intel的创始人之一叫戈登·摩尔，另一位是美国的工程院院士是IBM的Robert·H·Dennard。戈登·摩尔在1965年的时候发明集成电路中的核心器件晶体管。晶体管等于是个开关就像我们在自来水系统中所使用的水龙头，用来控制水速。然而晶体管是在集成电路中利用它的开关来完成运算、储存等等。那戈登·摩尔发现什么呢？他是说每十二个月集成电路中间那个晶体管的造价可以降低50%，它的集成度可以增加100%。当然这个后来这个发展周期被延长到十八个月，但是即使这样这个发展速度是非常之惊人！我们现在的手机芯片的功能相当于二十年前的supercomputer，就是超级计算机，它二十年间就可以发展的如此之快。那么在技术上如何实现这个？Robert·H·Dennard在七十年代的时候曾经提出了一个理论，就是可以在保持不损害晶体管的性能的情况下不断地缩小晶体管所占的面积，因此可以降低晶体管的造价。所以我们大家可以看到这种工程创新，这种过程往往是商业工程应用和技术同时在发展，在推动集成电路发展。如果我们想简单地描述基本上我们可以用四个字，叫多、快、好和省。而这四个字里头实际上你们同样可以看到它的特点就是四个字里头，既有技术的成分同时也有商业，或者应用条件要求的限制成分。“多”就指的是我们在单位面积上要尽量多的一次性的制造更多的晶体管，主要原因就是为了降低造价。
　　“快”就是我们在微缩晶体管的时候，我们不能损害它的速度。因为它的开关速度直接关系到我们电脑手机的运算速度。另外“快”还指的我们新的技术代的产品要尽快地进入市场，这样我们才能保证这种产品有足够的盈利空间，那么你才能有足够的钱去赚回来然后再做下一代的开发。
　　“好”是指的我们的晶体管不能漏电太大，这样的话等于是你的电池续航时间就受到影响。另外在制造过程中你的性能要稳定，这样才能保证足够的成品率这样才能保证你的造价要低。
　　“省”就是在制造过程中我们尽量的步骤要少，用的时间要短。这样的话才可以能够把造价降下来，所以你会看到“多快好省”。这四个字里头包含着技术和商业方面等各方面的要求，这是工程创新的一个大特点。
　　集成电路本身有什么特点呢？它有一个三高汇聚的特点。第一就是人，第二就是钱，第三就是技术。现在研发一个新的技术代需要多少人呢？少则一千，多则几千。然后投资一个技术代的研发需要一百亿美金，而且还有我们现在的技术已经实际上在挑战我们大批量低成本的制造精细晶体管的极限。实际上我们现在晶体管有多大呢？大概七十个纳米左右，七十个纳米相当于我们头发丝的直径的千份之一的这个量级。你们可以想像在这么多的在头发丝上面你可以集成多少的晶体管，但是这个实际上直接挑战了我们现在人类的制造工艺极限。
　　从竞争模式来讲集成电路有一个特点，它就是说赢者通吃。龙头企业它有足够的钱，足够的技术和人力。它可以先把新的技术代的产品投放市场，等到你后边来者产品进入市场的时候，它就会大批量的降价，大幅度的降价。以至于后来者的产品不能够有足够的盈利空间，也得不到足够的资金去支撑下一代的快速发展。这样就造成了赢者通吃的这个局面。
　　当然对于中国的集成电路，还有一个国际封锁，就是国际上的最先进的制造机台是不能够进入中国的。也正因为如此，所以作为后来者要追赶前者的时候，许多国家和地区实际上都有自己的政策来扶植自己的产业。包括韩国、台湾，它们在发展初期的时候都有很多优惠的政策。中国在2014年6月份也出台了《国家集成电路产业发展推进纲要》同时也成立了一个一千二百亿的基金，主要用于支持中国的集成电路的发展。既然是这样，那么我们某种意义上我们就必须要组织一个国家的力量来做这个事情。研发主要是集中在哪里？一个是我们要建一支国家队，还一个我们要有自己的自主知识产权。在此基础上我们要有自己的技术。02科技重大专项，这是专门支持集成电路装备和工艺的这么一个国家的科技重大专项。我们中科院微电子所在这个专项的支持下组织了北大、清华、复旦和中科院微系统所来共同研发22和16纳米技术代。当时我是2009年是作为千人计划和首席专家，主要负责技术方面，参加了这个项目。同时呢我们还招了二十多位国外的专家来。我们有了这支队伍那么下面这个问题就是我们要做什么？怎么做？在回答这个问题之前我想给大家看一些数据。
　　我们有时候用的手机，一台新的刚出台的新的手机，一般它的售价是在四百到五百美金的样子。在这个里头有30%我们是交了专利费，它这个费用甚至高于你那个手机的所有的一些零件加起来的费用，所以这个知识产权这个事情是个非常重要的事情。而且这个事情还有相当的普遍性。美国标准普500指数的公司，其股票市场的市值在1975年的时候其中的无形资产是只占了大概16.7%，但是三十年后到2005年这无形资产占的比例就达到了近80%，所以我们可以看到无形资产在这些高科技展位中占的位置是非常之重。
　　这件事情怎么做？我们作为后来者要分析情况。第一，我们的科技或我们的技术力量没有国外强大。第二，但国外的这些龙头产业它们的营销额大概是我们的十倍的样子。我们是不是可以利用这点？的确国外它的技术很先进，但是它的体量也很大。如果我们研发的技术被它们使用的话，那么虽然我们的技术也许没有它们的技术强，但是即使切掉一小块也相当于从我们国家的企业的这一小块里切了一大块。也就是说，如果我们交了30%的专利的版权费给了国外，其实相当于国外等于交了我们三十分之一的样子。因此我们怎么来定我们的研发策略是很有讲究的。另外就是我们在中国的相对落后的技术上进行研发，但是由于我们这个相对落后的技术主体还是来源于国外，所以你再研发也是非常有限，也没有办法真正对中国的这个产业提供保护伞。因此我们更倾向于使用前者的策略，但是这里头有要求我们能不能做到？当时呢我们分析了我们的情况，我们认为我们是可以做到。那么我们去做了，我们做了六年！
　　有些什么结果呢？首先高K金属栅是一种非常关键的技术。我们高端的晶体管所必须具备的这种技术。我们先做的什么呢？先布了大量的专利。我们采用的策略就叫做以贡为守，所谓贡就是我们要对最先进的技术有所贡献。然后我们用这个贡献去换取对中国的这个产业的保护，所以我们先申请专利，然后我们去把这些专利的一部分拿出来做我们的晶体管。这个晶体管就是22纳米的先导工艺的晶体管。当时我们这个器件跟达到了国际上先进水平的同类产品的主要性能。另外一个很重要的就是我们不能空口说我的研发已经达到了你们技术的某种水平。这要有真正的的证据，一个很重要的部分就是专利之间也是有相互引用的。我们现在的专利在这个高K金属栅方面有六百多次的引用。其中国外的大公司包括像IBM、GLOBALFOUNDRIES都是引用了我们的专利。我们现在的专利引用数已经排到了世界前十，而且我们在中国是排在第一的。而且在这一领域中我们可以说，我们已经实现了“你中有我”。
　　只有实现了“你中有我”，这个专利搅在一起了。这个时候再有了真正的案子的时候，你才能真正有对自己的产业有所保护。另外一个例子就是现在工业中用的最先进的晶体管，它叫FinFET。当然用中文它叫做鳍式场效晶体管，这种晶体管是一个三维的一个晶体管。我们在这方面也是提前进行了布局，我们的专利数现在这方面达到了世界第九。我本人在这个领域在世界上的排名申请专利数是世界上排第三。(鼓掌)
　　谢谢！谢谢！
　　我想讲一些故事，当时因为我是作为这个首席科学家在做这个项目。有些同事就说我，他说：“你作为首席科学家，你没有必要自己去亲自写专利。”因为这里有我署名的专利中，作为第一发明者我大概占了百分之三四十的样子。但是我的理解是这样的，首先国际上有个统计资料，就是作为负责研发的人，这个一把手或者是工程师，最有创造性的这些单位这个负责人有什么特点呢？他不仅有个政策去推动研发，而且他是亲自的在做研发。所以我有自己的解释，因为你在做一个决定的时候，通常会根据理性的分析模型、统计数据你可以有一个分析判断。但是还有另外一条，你有时候你根本不知道你自己的模型是怎么建立的，是怎么理解的。这一种模型是不被理解的模型。我前面说那第一种模型是比较容易传播的。你通过书可以看到的，但是后一种模型是很难通过看书获得的。而这件事情只有通过自己做才行。我一直经常跟我学生说学习可以使你不落后。但是只有习惯，一个习惯才能使你产生自己的特点。才能使你具备一个领先的能力，所以你特别要注意养成一个习惯把这个习惯坚持下去，你就可以形成自己的特点。
　　另外我们不仅在这个上布了专利，我们还要把它转化成晶体管。这样的话我们才可以知道如何制造晶体管。虽然在世界上我们不是第一个做出这种晶体管，但是在工程创新中，大家要注意这一点，就是说由于工程方面或者说公司和公司之间，如果产品很接近的时候，往往大家是相互保密的。所以有些事情你必须再重新做，哪怕人家以前做过。这更有点像这个两弹一星，对吧！人家先做但是你还有些时候你还再去重做，因为这个东西是直接是产生力量的东西。
　　因此我们不仅布了专利，我们还把这个原型器件做出来。另外我们这些也得到了很多国际上的引用这些专利，包括IBM啊，等等。而且我们这个引用数也是排在中国第一，排在世界上前十。另外由于我们这个项目22——16纳米这个项目的启动，使我们国家的研发大大提前了。当时2009年的时候，我们回来的时候中国的最先进的研发，就是与主流工艺相兼容的这种研发是在40~45纳米这个技术代。当时他们这个研发跟国际上像Intel差大概两到三代的样子，但是由于我们这个研发，我们的专利布局和先导研发使我们国家的研发的水平和技术，跟这个国外的只相差大概一代的样子或者是0.5代。这也是从我们的引用，你可以看出这些引用都是国外的一些先进的技术代在引用我们的东西。另外我们的20——16纳米这个技术，已经在第一次实现了在最新技术代上对工业界的技术专利许可。同时有些关键的模块或者技术模块，我们已经在中国的大生产线上得到了验证。
　　现在中国的集成电路这个产业，正面临着一个非常大的发展时机，可以说是千载难逢。国家要做这个事情，国家的基金要做这个事情。我们中国的市场也要求我们做这个事情。但是同时我们的挑战是非常之巨大的。我们国家的龙头企业的体量也好，营销额也好都比起世界上最大的企业要小十倍。而且这些大的企业像这些国际上的龙头企业，它们在拼命地往前赶。举个例子，它们白天有一个研发队在做研发，它晚上还有一个研发队在研发。我们所处的这个领域实际上是国际竞争非常之剧烈的一个领域。
　　因此，我觉得我们需要大量的工程师，工程科学家和工商科学家来参与到这种竞争之中。来去设计和完成非常具有或者极具挑战性的工程创新的最后一公里。
　　谢谢！
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