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為什么電源ic要制作在半導(dǎo)體上？

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瀏覽：- 發(fā)布日期：2019-07-16 23:34:19【大中小】

IC 指集成電路，做在半導(dǎo)體上是因?yàn)榘雽?dǎo)體是適合實(shí)現(xiàn)晶體管的材料，而晶體管正是現(xiàn)在絕大多數(shù)電路的核心器件。
不過這里我想多寫一點(diǎn)東西，追本溯源從“電路”的開端開始。

物理課上大家都聽過麥克斯韋方程預(yù)言了電磁波的存在，然后赫茲的實(shí)驗(yàn)證明了電磁波存在，后馬可尼實(shí)現(xiàn)了無線電通信。
初的無線電接收機(jī)使用的是一類稱為“檢波器”的裝置，然而檢波器作為接收機(jī)的性能是非常糟糕的。首先它的頻率響應(yīng)很難控制，導(dǎo)致各種亂七八糟的干擾信號都會(huì)被觸發(fā)檢波器；另一方面它對信號強(qiáng)度的要求也很高，導(dǎo)致發(fā)射端的功率非常大。更糟的是當(dāng)時(shí)的發(fā)射設(shè)備也非常簡陋，只有火花塞之類的裝置，這種設(shè)備只能發(fā)送類似方波的信號，而學(xué)過信號與系統(tǒng)的都知道方波的頻譜有多寬……所以當(dāng)時(shí)的無線電只能通過莫爾斯碼交流，調(diào)頻調(diào)幅什么的都是天方夜譚。
為了解決這些問題，人們想了很多的方法，但是除了通過LC諧振電路實(shí)現(xiàn)了大功率正弦發(fā)生器之外，別的進(jìn)展都不大。隨著這一項(xiàng)改進(jìn)，到了1907年，人們終于次成功實(shí)現(xiàn)了AM廣播。

然而1907年重要的進(jìn)展并不是AM廣播，也不是同年發(fā)現(xiàn)的LED，而是真空三極管的發(fā)明，
這個(gè)在燈泡的表親構(gòu)成了將來所有電路的基礎(chǔ)。
真空三極管的重要性在于這是個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)放大電路的器件。有了放大電路的加入使得無線通信對于發(fā)射機(jī)功率的要求一下降低了好幾個(gè)數(shù)量級，同時(shí)通信距離也大大增加了。
不過事情當(dāng)然沒有這么簡單，真空三極管發(fā)明于1907年，但是直到1912年Armstrong （通信電路領(lǐng)域的祖師爺）發(fā)明再生接收機(jī)之前沒有人意識(shí)到這個(gè)器件的威力。到了1917年Armstrong 終于通過正反饋實(shí)現(xiàn)了有實(shí)際用途的增益，并在此基礎(chǔ)上完成了超外差式接收機(jī)，直到今天相當(dāng)多的RF接收機(jī)依然在使用這一結(jié)構(gòu)。

為什么說三極管是放大電路的基礎(chǔ)？
中學(xué)電路三巨頭：電阻、電容、電感都是二端器件，輸入端輸出端無法分開，共享負(fù)載。單純使用這些元件只能組合出分壓或是分流電路，而無法放大一個(gè)信號。
而有了三極管，輸出端與輸入端得以分開，可以通過輸入端控制輸出端信號。再給輸入端和輸出端分配不同大小的負(fù)載，就可以實(shí)現(xiàn)大于1的增益。

有了電子管，無線電終于得以真正的實(shí)用化。
但是接下來，另一項(xiàng)需求將電路由真空管時(shí)代推向了固體電路時(shí)代——那就是計(jì)算機(jī)。

電路領(lǐng)域大致可以分為兩大塊，一是通信（發(fā)射機(jī)、接收機(jī)），一是計(jì)算（處理器、寄存器）。
大概到了二戰(zhàn)的時(shí)代，電子管基本上已經(jīng)可以滿足當(dāng)時(shí)的通信需求了?；陔娮庸艿臒o線電設(shè)備雖然昂貴嬌氣，但是畢竟消耗量不大（Armstrong的超外差接收機(jī)只需要5個(gè)電子管），所以大家用著也沒覺得有什么問題。
然而二戰(zhàn)期間計(jì)算需求急劇增加，傳統(tǒng)的機(jī)械計(jì)算機(jī)已經(jīng)不堪重負(fù)，電子計(jì)算機(jī)的需求異常迫切。
接下來大家都知道了，美國人搞出了ENIAC，臺(tái)圖靈完全的電子計(jì)算機(jī)。ENIAC消耗了17000個(gè)以上的電子管，代價(jià)是重量接近30噸，以及幾乎每天都會(huì)有損壞的電子管需要替換。
這樣的開銷顯然讓人，于是尋找一種更小、更廉價(jià)、更可靠的器件來代替電子管就成了研究者們的新目標(biāo)。

實(shí)際上金屬氧化物晶體二極管早就已經(jīng)發(fā)明了，ENIAC 里也使用了大量的二極管?？上ФO管和電阻電容電感一樣，因?yàn)槭嵌似骷詻]法單獨(dú)完成放大或是計(jì)算。
在1922年，蘇聯(lián)工程師Losev 利用紅鋅礦二極管的負(fù)阻抗特性成功實(shí)現(xiàn)了一個(gè)放大電路，可惜由于紅鋅礦的所以沒有實(shí)用化。后來據(jù)說Losev 曾進(jìn)行過硅晶體管的研究，不過隨后二戰(zhàn)爆發(fā)，他死于列寧格勒圍城戰(zhàn)中，相關(guān)的研究記錄也全部丟失了。
在大洋彼岸，1925年加拿大的Lilienfeld 個(gè)提出了場效應(yīng)管（結(jié)型場效應(yīng)管，JFET）的設(shè)計(jì)理念，提出了在半導(dǎo)體材料上實(shí)現(xiàn)類似電子管功能的想法。然而受限與當(dāng)時(shí)的工藝水平，這個(gè)想法一直沒有實(shí)現(xiàn)。

個(gè)將晶體三極管變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的，是巴丁和布拉頓，他們發(fā)明了雙極晶體管（BJT），并與發(fā)明了P/N結(jié)二極管的肖克來一起獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

初的雙極晶體管是點(diǎn)接觸構(gòu)造的，看過圖片就知道這種結(jié)構(gòu)有多復(fù)雜

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不過一年之后（1948年），肖克來利用自己在P/N結(jié)二極管上的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了結(jié)型構(gòu)造的雙極性晶體管，這一結(jié)構(gòu)立即成了BJT的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，并服役今。

此后，除了少數(shù)特殊領(lǐng)域（高溫、大功率……）BJT 迅速取代了電子管，電子計(jì)算機(jī)的成本和體積都大大減小了。

經(jīng)歷了這一飛躍之后，人們自然會(huì)開始想：

由于電子計(jì)算機(jī)大部分器件都是晶體管組成的邏輯門，而晶體管，都是由半導(dǎo)體材料制造的。自然而然地，人們就會(huì)希望把所有晶體管集中在同一塊半導(dǎo)體上，而不是制造一堆獨(dú)立的晶體管再手工連接起來。
接下來的嘗試，就是將印刷電路板上做過的事情在半導(dǎo)體上再做一次。不過由于材質(zhì)和工藝精度的要求，直到1958-1959年，基爾比和諾伊斯才先后實(shí)現(xiàn)了集成電路——將晶體管、電阻、電容和導(dǎo)線集成在同一塊半導(dǎo)體上。

不過一年之后（1948年），肖克來利用自己在P/N結(jié)二極管上的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了結(jié)型構(gòu)造的雙極性晶體管，這一結(jié)構(gòu)立即成了BJT的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，并服役今。

此后，除了少數(shù)特殊領(lǐng)域（高溫、大功率……）BJT 迅速取代了電子管，電子計(jì)算機(jī)的成本和體積都大大減小了。

經(jīng)歷了這一飛躍之后，人們自然會(huì)開始想：

由于電子計(jì)算機(jī)大部分器件都是晶體管組成的邏輯門，而晶體管，都是由半導(dǎo)體材料制造的。自然而然地，人們就會(huì)希望把所有晶體管集中在同一塊半導(dǎo)體上，而不是制造一堆獨(dú)立的晶體管再手工連接起來。
接下來的嘗試，就是將印刷電路板上做過的事情在半導(dǎo)體上再做一次。不過由于材質(zhì)和工藝精度的要求，直到1958-1959年，基爾比和諾伊斯才先后實(shí)現(xiàn)了集成電路——將晶體管、電阻、電容和導(dǎo)線集成在同一塊半導(dǎo)體上。

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