積體電路的發明

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積體電路的發明

99/03/09 31982

林天送｜美國聖路易華盛頓大學化學系暨神經科學系

小百科

積體電路（integrated circuit，簡稱 IC）是使用電晶體組裝成單晶片電路，通過照相平版印刷技術，把大量的微電晶體集成一個很小的晶片。由於成本低、性能高且能量消耗低，使得積體電路產業急速成長。整個電子工業，尤其是使用小型電子裝備的，如電腦、電訊、生物科技、太空、國際貿易等，都離不開積體電路。

發明者

1958 年 8 月，美國德州儀器公司（Texas Instruments，簡稱 TI）的傑克．基爾比（Jack St. Clair Kilby, 1923－2005）首先做出積體電路；同時間，費爾契半導體公司（Fairchild Semiconductor）的羅勃．諾義斯（Robert Norton Noyce, 1927－1990）也提出類似的設計。

基爾比於 1947 年獲伊利諾州香檳校區的電機工程學士後，就投入工程界，後來半工半讀拿到馬夸大學（Marquette University）碩士學位。諾義斯獲得麻省理工學院的博士學位，1956 年投入剛剛在史坦福大學成立的蕭克立實驗室（Shockley Laboratory），從事半導體晶體的研究工作，後來和 7 位伙伴成立英特爾公司（Intel 是 Intelligent 及 Integrated Electronics 的縮寫）。

靈機一動

發明積體電路的淵源，始於 1940 年代半導體電晶體的發明和應用。1950 年代的半導體製造技術、純度和效能有長足進步，帶來電子工業的急速進步。但是把晶體元件變成電路必須使用手工錫焊連接，相當費時而成本高，效果也不好，如何突破這瓶頸是當時的大難題。

基爾比在攻讀碩士學位時，有一次參加一個巴定（John Bardeen）的研討會。巴定是電晶體的 3 位發明者之一，他描述半導體電晶體的功能和未來的潛力，那時候基爾比就下決心要投入半導體電晶體應用的開發。

1952 年，半導體電晶體的發明所在地貝爾實驗室開始開放電晶體的資訊和特許證時，他說動中央實驗室（Centralab）的老闆花了 $25,000 的權利金派他去貝爾實驗室進修，因此他對電晶體的性能和應用有很深入的了解。但是任何電路設計都必須應用到大量的晶體，這是「數量暴君」（tyranny of numbers）的可怕，如何克服數量多的難題，使量產製造簡單化，一直縈繞在他腦海中揮之不去。

1958 年，基爾比從威斯康辛的中央實驗室轉到德州儀器公司工作。那年夏天，因為他是新雇員，所以沒有休假，當老闆和一些同事去度假時，空洞的實驗室讓他有機會思考一些他想做的工作。

那時候，TI 已經能生產品質優良的矽電晶體。因為矽晶體的電導率會隨含有的微量其他物質而改變，所以能當電阻器使用。此外，矽晶體的 P-N（positive-negative）二極管具電容效應，能當電容器。因此基爾比構想把矽晶體做為電阻器、電容器、電晶體等所有電路的元件，只要事先設計好電路，在製造過程中就可以把不同的元件安排在同一矽晶體上，不必事後「加工」連線。

趁著大家去度假的時候，基爾比動手做實驗，等老闆艾帝克（Adcock）回來後，他就把構想和初步結果告訴老闆。艾帝克半信半疑，但覺得值得一試，就讓基爾比繼續做下去。一個半月後，基爾比用矽晶體製造一個相移振盪器（phase-shift oscillator），這是第１個積體電路。

再來看諾義斯加入蕭克立實驗室後的經過。蕭克立是電晶體的發明者之一，1956 年他離開貝爾實驗室轉到史坦福大學擔任物理系講座教授，成立蕭克立半導體晶體研究室，徵召諾義斯加入研究團隊。他受蕭克立的影響極大，蕭克立的研究經典名言是「思考、又思考」，必須有精簡的思考才能有突破，要把複雜的事件簡化成最基本的元素。

諾義斯在探討電路設計時，也想到「數量暴君」的可怕，從簡化、再簡化的層面著手，而想出單晶片電路。同時，又有如同手足的工作伙伴摩爾（Gordon Moore）經常給諾義斯打氣和技術上的幫助，使得他能在 1958 年獨立提出積體電路的專利申請。1968 年諾義斯、莫爾和 6 位同伴離開蕭克立晶體研究室，成立英特爾公司，目前是全球最大的積體電路公司，幾乎所有的電腦都使用 Intel 微處理器。

廣泛用途

把大量的電子元件如電阻、電容、電晶體等放在一塊矽晶片上，是一個極大的進步。IC 有兩個主要優勢：成本低和性能好，再加上元件能快速開關、微小元件能彼此靠近、能量消耗低，以及電路設計能模組化和標準化，使得積體電路很快就取代了單體電晶體。幾乎所有的電子工業的進展都是依賴積體電路的發明，小型電子裝備如電腦、手機等都離不開積體電路。

2006 年，晶片面積從幾平方毫米進展到 350 平方毫米，每平方毫米可以有 1 百萬個電晶體。當然由上而下，縮小元件所占的面積會有極限；但新興的奈米技術是由下而上，從微小的原子、分子的結構往上做，有可能帶來另一個新的電子世紀。

擊掌回響

基爾比一生獲得許多榮耀，如 2000 年的諾貝爾物理獎、1993 年的日本京都科學獎（Kyoto Prize）、美國國家科學成就獎（National Medal of Science）等，於 2005 年因癌症逝世。令人惋惜的是，諾義斯於 1990 年 6 月因心臟病發作去世，享年 62 歲，沒能領受諾貝爾物理獎的榮耀。但是基爾比在領取諾貝爾獎時，曾特別提到諾義斯的貢獻。

深度閱讀

Reid, T.R. (2001) The Chip: How Two Americans Invented the Microchip and Launched a Revolution, Random House Publishing Group, New York.
http://en.wikipedia.org/wiki/integrated_circuit
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2000

資料來源

《科學發展》2010年3月，447期，72 ~ 74頁

積電路(7) 電晶(1) 科發月刊(5221)

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