集成电路

集成电路（也称为IC、芯片或微芯片）是一小片平坦的半导体材料（通常是硅）上的一组电子电路。大量微型晶体管和其他电子元件集成在芯片上。与由分立元件构成的电路相比，这使得电路更小、更快且更便宜，从而允许大量晶体管。

IC 的大规模生产能力、可靠性和集成电路设计的构建模块方法确保了标准化 IC 的快速采用，以取代使用分立晶体管的设计。IC 现在几乎用于所有电子设备，并彻底改变了电子世界。计算机、移动电话和其他家用电器现已成为现代社会结构的重要组成部分，这得益于现代计算机处理器和微控制器等集成电路的小尺寸和低成本。

半导体器件制造技术的进步使超大规模集成变得可行。自 20 世纪 60 年代诞生以来，在技术进步的推动下，芯片的尺寸、速度和容量取得了巨大进步，在相同尺寸的芯片上安装了越来越多的晶体管——现代芯片可能在一个区域内拥有数十亿个晶体管。人类指甲的大小。这些进步大致遵循摩尔定律，使得今天的计算机芯片的容量和速度是 20 世纪 70 年代初期计算机芯片的数百万倍和数千倍。

与分立电路相比，IC 具有三个主要优势：尺寸、成本和性能。尺寸和成本都很低，因为芯片及其所有组件都是通过光刻作为一个单元印刷的，而不是一次构建一个晶体管。此外，封装 IC 使用的材料比分立电路少得多。该 IC 的组件开关速度快，而且由于尺寸小且距离较近，因此功耗相对较低，因此性能较高。IC 的主要缺点是其设计初始成本较高，以及工厂建设的巨大资本成本。如此高的初始成本意味着 IC 只有在预期高产量时才具有商业可行性。

术语

集成电路定义为：

一种电路，其中所有或部分电路元件不可分离地关联并电气互连，因此就建筑和商业目的而言，它被认为是不可分割的。

严格意义上的集成电路是指单片电路结构，最初称为单片集成电路，构建在单片硅上。在一般用途中，不符合此严格定义的电路有时被称为 IC，它们使用许多不同的技术构建，例如3D IC、2.5D IC、MCM、薄膜晶体管、厚膜技术，或混合集成电路。术语的选择经常出现在有关摩尔定律是否过时的讨论中。

历史

将多个组件组合到一个设备（如现代 IC）中的早期尝试是20 年代的Loewe 3NF真空管。与IC不同，它的设计目的是避税，就像在德国，无线电接收器要根据无线电接收器有多少个管座来征税。它允许无线电接收器具有单个管支架。

集成电路的早期概念可以追溯到 1949 年，当时德国工程师Werner Jacobi （西门子股份公司）申请了一项类似集成电路的半导体放大器件的专利，该器件在公共基板上显示了五个晶体管三级放大器布置。雅可比公开了小型且廉价的助听器作为其专利的典型工业应用。目前还没有关于他的专利立即投入商业使用的报道。

该概念的另一位早期支持者是杰弗里·杜默（Geoffrey Dummer，1909-2002），他是一位在英国国防部皇家雷达机构工作的雷达科学家。

1952 年 5 月 7 日，杜默在华盛顿特区举行的高质量电子元件进展研讨会上向公众提出了这个想法。他公开举办了许多研讨会来宣传他的想法，但在 1956 年尝试建造这样一个电路，但没有成功。

1953 年和 1957 年，Sidney Darlington和 Yasuo Tarui（电工实验室）提出了类似的芯片设计，其中多个晶体管可以共享一个公共有源区域，但没有电隔离将它们彼此分开。

单片集成电路芯片是由Jean Hoerni发明的平面工艺和Kurt Lehovec发明的p-n 结隔离技术实现的。Hoerni 的发明建立在Mohamed M. Atalla在表面钝化方面的工作、Fuller 和 Ditzenberger 在硼和磷杂质扩散到硅中的工作、Carl Frosch和 Lincoln Derick 在表面保护方面的工作以及Chih-Tang Sah 的基础上。我们正在研究氧化物的扩散掩蔽。

第一个集成电路

IC 的前身想法是创建小型陶瓷基板（所谓的微型模块），每个基板都包含一个微型组件。然后可以将组件集成并连接到二维或三维紧凑网格中。这个想法在 1957 年看起来非常有前途，由Jack Kilby 向美国陆军提出，并导致了短暂的微模块计划（类似于 1951 年的 Project Tinkertoy）。然而，随着该项目势头强劲，Kilby 提出了一种新的革命性设计：IC。

刚受雇于德州仪器 (TI)的基尔比 (Kilby) 于 1958 年 7 月记录了他关于集成电路的初步想法，并于 1958 年 9 月 12 日成功演示了集成电路的第一个工作示例。在他 1959 年 2 月 6 日的专利申请中，基尔比( Kilby )他将他的新设备描述为“半导体材料体……其中电子电路的所有组件都完全集成”。这项新发明的第一个客户是美国空军。基尔比因集成电路的发明而获得2000年诺贝尔物理学奖。

然而，基尔比的发明并不是真正的单片集成电路芯片，因为它有外部金线连接，这使得大规模生产变得困难。Kilby 半年后，Fairchild Semiconductor的Robert Noyce发明了第一个真正的单片 IC 芯片。比 Kilby 的实现更实用，Noyce 的芯片由硅制成，而 Kilby 的芯片由锗制成，Noyce 的芯片是使用平面工艺制造的，该工艺由他的同事Jean Hoerni于 1959 年初开发，包括关键的 on-芯片铝互连线。现代 IC 芯片基于 Noyce 的单片 IC ，而不是 Kilby 的单片 IC。

NASA 的阿波罗计划是 1961 年至 1965 年间最大的集成电路单一消费者。

TTL集成电路

晶体管-晶体管逻辑(TTL) 由James L. Buie在 20 世纪 60 年代初在TRW Inc.开发。TTL 在 20 世纪 70 年代至 80 年代初成为占主导地位的集成电路技术。

数十个TTL集成电路是小型计算机和大型计算机处理器的标准构造方法。IBM 360大型机、PDP-11小型机和桌面Datapoint 2200 等计算机是由双极集成电路构建的，要么是 TTL，要么是更快的发射极耦合逻辑(ECL)。

MOS集成电路

几乎所有现代 IC 芯片都是金属氧化物半导体(MOS) 集成电路，由MOSFET（金属氧化物硅场效应晶体管）构建。MOSFET（也称为 MOS 晶体管）由Mohamed M. Atalla和Dawon Kahng于 1959 年在贝尔实验室发明，使构建高密度集成电路成为可能。与需要多个步骤来实现芯片上晶体管的p-n 结隔离的双极晶体管相比，MOSFET 不需要这样的步骤，但可以轻松地相互隔离。Dawon Kahng 在 1961 年指出了它对于集成电路的优势。 IEEE 里程碑列表包括1958 年 Kilby 提出的第一个集成电路，Hoerni 的平面工艺和 Noyce 1959 年的平面 IC，以及Atalla 和 Kahng 于 1959 年设计的 MOSFET。

最早制造的实验性 MOS IC 是1962 年由 Fred Heiman 和 Steven Hofstein 在RCA制造的 16 晶体管芯片。通用微电子公司后来于 1964 年推出了第一个商用 MOS 集成电路，120 晶体管移位由罗伯特·诺曼开发的寄存器。到 1964 年，MOS 芯片已经达到了比双极芯片更高的晶体管密度和更低的制造成本。MOS 芯片的复杂性以摩尔定律预测的速度进一步增加，导致到 20 世纪 60 年代末在单个 MOS 芯片上出现数百个晶体管的大规模集成(LSI)。

继1967 年贝尔实验室的 Robert Kerwin、Donald Klein和 John Sarace 开发出自对准栅极（硅栅极）MOSFET 之后，第一个采用自对准栅极的硅栅极MOS IC 技术，成为所有现代CMOS集成电路，均由Federico Faggin于 1968 年在 Fairchild Semiconductor 开发。 MOS LSI 芯片在计算中的应用是第一批微处理器的基础，因为工程师开始认识到完整的计算机处理器可以包含在一个单MOS LSI芯片。这导致了20 世纪 70 年代初微处理器和微控制器的发明。

20 世纪 70 年代初，MOS 集成电路技术实现了在单个芯片上集成 10,000 多个晶体管的超大规模集成(VLSI)。

起初，基于 MOS 的计算机仅在需要高密度时才有意义，例如航空航天和袖珍计算器。直到 20 世纪 80 年代初期，完全由 TTL 构建的计算机（例如 1970 年的Datapoint 2200）比单芯片 MOS 微处理器（例如 1972 年的Intel 8008）速度更快、功能更强大。

IC 技术的进步，主要是更小的功能和更大的芯片，使得集成电路中MOS 晶体管的数量每两年翻一番，这种趋势被称为摩尔定律。Moore 最初表示每年都会增加一倍，但他在 1975 年将这一说法更改为每两年。这种增加的容量已用于降低成本和增加功能。一般来说，随着特征尺寸的缩小，IC 操作的几乎每个方面都会得到改善。通过Dennard 缩放比例（MOSFET 缩放比例）定义的关系，每个晶体管的成本和每个晶体管的开关功耗会下降，而存储器容量和速度会上升。由于速度、容量和功耗的提升对于最终用户来说是显而易见的，因此制造商之间在使用更精细的几何形状方面存在着激烈的竞争。多年来，晶体管尺寸已从1970 年代初的数十微米减小到2017 年的10纳米，单位面积的晶体管数量相应增加了数百万倍。截至2016年，典型芯片面积范围从几平方毫米到约600 mm 2 ，每mm 2多达2500万个晶体管。

国际半导体技术路线图(ITRS)多年来一直预测特征尺寸的缩小以及相关领域所需的进展。最终的 ITRS 于 2016 年发布，目前正在被国际设备和系统路线图取代。

最初，IC 严格来说是电子设备。IC的成功导致了其他技术的整合，试图获得同样的小尺寸和低成本的优势。这些技术包括机械设备、光学和传感器。

电荷耦合器件以及密切相关的有源像素传感器都是对光敏感的芯片。它们在科学、医疗和消费应用中很大程度上取代了摄影胶片。现在每年生产数十亿个此类设备，用于手机、平板电脑和数码相机等应用。IC 的这个子领域于 2009 年获得了诺贝尔奖。
由电力驱动的非常小的机械装置可以集成到芯片上，这种技术被称为微机电系统。这些设备开发于 20 世纪 80 年代末，用于各种商业和军事应用。示例包括DLP 投影仪、喷墨打印机以及用于展开汽车安全气囊的加速计和MEMS 陀螺仪。
自 2000 年代初以来，学术研究和工业界都在积极追求将光功能（光计算）集成到硅芯片中，从而将光器件（调制器、检测器、路由）与光器件相结合的硅基集成光收发器成功商业化。基于 CMOS 的电子器件。利用光的光子集成电路，例如 Lightelligence 的 PACE（光子算术计算引擎），也正在开发中，利用新兴的物理学领域（光子学）。
集成电路也正在开发用于医疗植入物或其他生物电子设备中的传感器应用。在这种生物环境中必须采用特殊的密封技术，以避免暴露的半导体材料的腐蚀或生物降解。

截至 2018 年，绝大多数晶体管都是MOSFET ，采用扁平二维平面工艺在硅芯片一侧单层制造。研究人员已经制作了几种有前途的替代品的原型，例如：

堆叠多层晶体管以制造三维集成电路（3DIC）的各种方法，例如硅通孔、“单片3D”、堆叠引线键合、和其他方法。
其他材料晶体管：石墨烯晶体管、辉钼矿晶体管、碳纳米管场效应晶体管、氮化镓晶体管、类晶体管纳米线电子器件、有机场效应晶体管等。
在小硅球的整个表面上制造晶体管。
对基板进行修改，通常是为了制造用于柔性显示器或其他柔性电子产品的“柔性晶体管” ，这可能会导致卷式计算机的诞生。

由于制造更小的晶体管变得越来越困难，公司正在使用多芯片模块、三维集成电路、封装封装、高带宽存储器和带有芯片堆叠的硅通孔来提高性能并减小尺寸，而无需减小晶体管的尺寸。此类技术统称为先进封装。先进封装主要分为2.5D和3D封装。2.5D 描述了多芯片模块等方法，而 3D 描述了裸片以一种或另一种方式堆叠的方法，例如层叠封装和高带宽存储器。所有方法都涉及单个封装中的 2 个或更多芯片。或者， 3D NAND等方法将多个层堆叠在单个芯片上。

设计

设计和开发复杂的集成电路的成本相当高，通常达到数千万美元。因此，只有生产高产量的集成电路产品才具有经济意义，因此一次性工程（NRE）成本通常分布在数百万个生产单元中。

现代半导体芯片拥有数十亿个组件，而且过于复杂，无法手工设计。帮助设计师的软件工具至关重要。电子设计自动化（EDA），也称为电子计算机辅助设计（ECAD），是一类用于设计电子系统（包括集成电路）的软件工具。这些工具在工程师用来设计、验证和分析整个半导体芯片的设计流程中协同工作。一些最新的 EDA 工具使用人工智能(AI) 来帮助工程师节省时间并提高芯片性能。

类型

集成电路可大致分为模拟、数字和混合信号，由同一IC上的模拟和数字信号组成。

数字集成电路可以在几平方毫米内包含数十亿个逻辑门、触发器、多路复用器和其他电路。与板级集成相比，这些电路的小尺寸可实现高速、低功耗并降低制造成本。这些数字 IC（通常是微处理器、DSP和微控制器）使用布尔代数来处理“一”和“零”信号。

最先进的集成电路包括微处理器或“核心”，用于个人电脑、手机、微波炉等。多个核心可以集成在单个IC或芯片中。数字存储芯片和专用集成电路（ASIC）是其他集成电路系列的示例。

20世纪80年代，可编程逻辑器件被开发出来。这些设备包含的电路的逻辑功能和连接性可以由用户编程，而不是由集成电路制造商固定。这允许芯片被编程来执行各种LSI类型的功能，例如逻辑门、加法器和寄存器。可编程性有多种形式——只能编程一次的设备、可以擦除然后使用紫外光重新编程的设备、可以使用闪存进行（重新）编程的设备以及可现场可编程门阵列（FPGA）可以随时编程，包括在操作期间。目前的 FPGA（截至 2016 年）可以实现相当于数百万个门的数量，并以高达 1 GHz 的频率运行。

传感器、电源管理电路和运算放大器(op-amp)等模拟 IC处理连续信号，并执行放大、有源滤波、解调和混合等模拟功能。

IC 可以在芯片上组合模拟和数字电路，以创建模数转换器和数模转换器等功能。这种混合信号电路尺寸更小，成本更低，但必须考虑信号干扰。在 20 世纪 90 年代末之前，无线电无法采用与微处理器相同的低成本CMOS工艺来制造。但自 1998 年以来，无线电芯片已采用RF CMOS工艺开发。例子包括英特尔的DECT无绳电话，或Atheros和其他公司创建的802.11 ( Wi-Fi ) 芯片。

现代电子元件分销商通常将集成电路进一步细分：

数字IC分为逻辑IC（如微处理器和微控制器）、存储芯片（如MOS存储器和浮栅存储器）、接口IC（电平转换器、串行器/解串器等）、电源管理IC和可编程器件。
模拟IC分为线性集成电路和RF电路（射频电路）。
混合信号集成电路分为数据采集IC（包括A/D转换器、D/A转换器、数字电位器）、时钟/定时IC、开关电容器（SC）电路和RF CMOS电路。
三维集成电路（3D IC）分为硅通孔（TSV）IC 和Cu-Cu 连接IC。

制造

半导体制造

化学元素周期表中的半导体被确定为最有可能用于固态真空管的材料。从氧化铜开始，到锗，然后是硅，这些材料在 20 世纪 40 年代和 20 世纪 50 年代得到了系统的研究。如今，单晶硅是用于 IC 的主要基板，尽管元素周期表中的一些 III-V 族化合物（例如砷化镓）用于LED、激光器、太阳能电池和最高速集成电路等特殊应用。花了几十年的时间才完善了制造半导体材料晶体结构缺陷最少的晶体的方法。

半导体IC 采用平面工艺制造，包括三个关键工艺步骤：光刻、沉积（例如化学气相沉积）和蚀刻。主要工艺步骤辅以掺杂和清洗。更新的或高性能的 IC 可能会使用多栅极 FinFET或GAAFET晶体管来代替平面晶体管，从 22 nm 节点（Intel）或 16/14 nm 节点开始。

大多数应用都使用单晶硅片（或者对于特殊应用，使用砷化镓等其他半导体）。晶圆不必完全是硅。光刻用于标记要掺杂的基板的不同区域，或者在其上沉积多晶硅、绝缘体或金属（通常是铝或铜）轨道。掺杂剂是有意引入半导体以调节其电子特性的杂质。掺杂是向半导体材料添加掺杂剂的过程。

集成电路由许多重叠的层组成，每个层都通过光刻来定义，并且通常以不同的颜色显示。一些层标记了各种掺杂剂扩散到衬底中的位置（称为扩散层），一些层定义了注入额外离子的位置（注入层），一些层定义了导体（掺杂多晶硅或金属层），还有一些定义了导电层之间的连接（通孔或接触层）。所有组件都是由这些层的特定组合构成的。
在自对准CMOS工艺中，只要栅极层（多晶硅或金属）与扩散层交叉（这称为“自对准栅极”），就会形成晶体管。
电容结构的形式与传统电容器的平行导电板非常相似，是根据“板”的面积形成的，板之间具有绝缘材料。IC 上常见各种尺寸的电容器。
尽管大多数逻辑电路不需要任何电阻器，但有时会使用不同长度的蜿蜒条纹来形成片上电阻器。电阻结构的长度与其宽度的比率，结合其薄层电阻率，决定了电阻。
更罕见的是，感应结构可以构建为微小的片上线圈，或通过回转器进行模拟。

由于 CMOS 器件仅在逻辑状态之间的转换时消耗电流，因此 CMOS 器件消耗的电流比双极结型晶体管器件少得多。

随机存取存储器是最常见的集成电路类型。因此，最高密度的设备是存储器；但即使是微处理器，芯片上也会有存储器。虽然结构很复杂——宽度几十年来一直在缩小——但层仍然比器件宽度薄得多。材料层的制造与照相过程非常相似，尽管可见光谱中的光波不能用于“曝光”材料层，因为它们对于特征来说太大了。因此，较高频率的光子（通常是紫外线）被用来创建每层的图案。由于每个特征都很小，因此电子显微镜对于调试制造工艺的工艺工程师来说是必不可少的工具。

每个器件在封装前都会使用自动测试设备 (ATE) 进行测试，这一过程称为晶圆测试或晶圆探测。然后将晶圆切割成矩形块，每个矩形块称为芯片。然后使用铝（或金）键合线将每个好的芯片（复数个“芯片”、“芯片”或“芯片”）连接到封装中，这些键合线通过热超声焊接到焊盘（通常位于芯片边缘周围）。热超声粘合首先由 A. Couculas 提出，它提供了一种与外界形成这些重要电气连接的可靠方法。封装后，器件在晶圆探测期间使用的相同或相似的 ATE 上进行最终测试。也可以使用工业CT扫描。对于低成本产品，测试成本可能占制造成本的 25% 以上，但对于低产量、较大或成本较高的器件，测试成本可以忽略不计。

截至 2022 年，一座制造设施（通常称为半导体工厂）的建设成本可能超过 120 亿美元。由于新产品的复杂性增加，制造设施的成本随着时间的推移而上升；这就是所谓的洛克定律。此类设施具有以下特点：

威化饼直径达 300 毫米（比普通餐盘宽）。
截至 2022 年，5 nm 晶体管。
铜互连，其中铜布线取代铝用于互连。
低介电常数绝缘体。
绝缘体上硅(SOI)。
IBM使用的应变硅工艺称为直接在绝缘体上的应变硅(SSDOI)。
多栅极器件，例如三栅极晶体管。

IC 可以由集成设备制造商(IDM)内部制造，也可以使用代工模式制造。IDM 是垂直整合的公司（如英特尔和三星），它们设计、制造和销售自己的 IC，并可能向其他公司（后者通常是无晶圆厂公司）提供设计和/或制造（代工）服务。在代工模式中，无晶圆厂公司（如Nvidia）仅设计和销售 IC，并将所有制造外包给台积电等纯代工厂。这些代工厂可能提供 IC 设计服务。

集成电路封装

最早的集成电路采用陶瓷扁平封装，多年来因其可靠性和小尺寸而继续被军方使用。商业电路封装迅速转向双列直插式封装(DIP)，首先采用陶瓷封装，后来采用塑料封装，通常为甲酚-甲醛-酚醛清漆。20 世纪 80 年代，VLSI 电路的引脚数超过了 DIP 封装的实际限制，出现了引脚网格阵列(PGA) 和无引线芯片载体(LCC) 封装。表面贴装封装出现于 20 世纪 80 年代初，并在 20 世纪 80 年代末开始流行，采用更细的引线间距，引线形成为鸥翼形或 J 形引线，小外形集成电路 (SOIC) 封装就是一个例子。所占面积比同等 DIP 约小 30-50%，厚度通常薄 70%。该封装具有从两个长边突出的“鸥翼”引线，引线间距为 0.050 英寸。

在 20 世纪 90 年代末，塑料四方扁平封装(PQFP) 和薄型小外形封装(TSOP) 封装成为高引脚数器件最常见的封装，但 PGA 封装仍用于高端微处理器。

球栅阵列(BGA) 封装自 20 世纪 70 年代以来就已存在。倒装芯片球栅阵列封装于 20 世纪 90 年代开发，其引脚数比其他封装类型高得多。在 FCBGA 封装中，芯片被倒置（翻转）安装，并通过类似于印刷电路板的封装基板而不是通过电线连接到封装球。FCBGA 封装允许输入输出信号阵列（称为区域 I/O）分布在整个芯片上，而不是局限于芯片外围。BGA 设备的优点是不需要专用插座，但在设备发生故障时更难以更换。

英特尔从 2004 年开始从 PGA 过渡到平面网格阵列(LGA) 和 BGA，最后一个用于移动平台的 PGA 插槽于 2014 年发布。截至2018年，AMD在主流桌面处理器上使用PGA封装，在移动处理器上使用BGA封装，而高端桌面和服务器微处理器则使用LGA封装。

离开管芯的电信号必须穿过将管芯电连接至封装的材料、穿过封装中的导电迹线（路径）、穿过将封装连接至印刷电路板上的导电迹线的引线。与传输到同一芯片不同部分的材料和结构相比，这些电信号传输路径中使用的材料和结构必须具有非常不同的电特性。因此，它们需要特殊的设计技术来确保信号不被破坏，并且需要比限制在芯片本身的信号更多的电力。

当多个芯片放入一个封装中时，就会形成封装系统，缩写为SiP。多芯片模块( MCM )是通过在通常由陶瓷制成的小基板上组合多个芯片而创建的。大型 MCM 和小型印刷电路板之间的区别有时是模糊的。

封装的集成电路通常足够大以包含识别信息。四个常见部分是制造商的名称或徽标、零件编号、零件生产批次号和序列号以及用于识别芯片制造时间的四位日期代码。极小的表面贴装技术部件通常仅带有制造商查找表中用于查找集成电路特性的数字。

制造日期通常表示为两位数的年份，后跟两位数的周代码，因此带有代码 8341 的零件是在 1983 年第 41 周或大约 1983 年 10 月制造的。

世代

在简单集成电路的早期，技术的大规模限制了每个芯片只有几个晶体管，集成度低意味着设计过程相对简单。按照今天的标准来看，制造产量也相当低。随着金属氧化物半导体（MOS）技术的进步，数百万甚至数十亿个MOS 晶体管可以放置在一个芯片上，良好的设计需要周密的规划，从而催生了电子设计自动化（EDA）领域。一些 SSI 和 MSI 芯片，如分立晶体管，仍在批量生产，既是为了维护旧设备，也是为了构建只需要几个门的新设备。例如，7400 系列 TTL 芯片已成为事实上的标准并仍在生产中。

缩写词	中文词	年	晶体管数量	逻辑门数
SSI	小规模整合	1964年	1 到 10	1 至 12
MSI	中等规模整合	1968年	10 至 500	13 至 99
LSI	大规模整合	1971年	500 至 20 000	100 至 9999
VLSI	超大规模整合	1980年	20 000 至 1 000 000	10 000 至 99 999
ULSI、WSI、SoC 和 3D-IC	超大规模集成	1984年	1 000 000 及更多	100 000 及更多

小规模集成（SSI）

第一个集成电路仅包含几个晶体管。包含数十个晶体管的早期数字电路提供了一些逻辑门，而早期的线性 IC（例如Plessey SL201 或Philips TAA320）只有两个晶体管。从那时起，集成电路中晶体管的数量急剧增加。“大规模集成”（LSI）一词最早由IBM科学家Rolf Landauer在描述理论概念时使用；该术语产生了“小规模集成”（SSI）、“中规模集成”（MSI）、“超大规模集成”（VLSI）和“超大规模集成”等术语。 “（超大规模集成电路）。早期的集成电路是SSI。

SSI 电路对于早期的航空航天项目至关重要，而航空航天项目有助于激发该技术的发展。民兵导弹和阿波罗计划的惯性制导系统都需要轻型数字计算机。尽管阿波罗制导计算机引领并推动了集成电路技术，但迫使其大规模生产的是民兵导弹。1962 年，民兵导弹计划和其他各种美国海军计划占集成电路市场总额 400 万美元，到 1968 年，美国政府在太空和国防方面的支出仍占 3.12 亿美元总产量的 37%。

美国政府的需求支撑了新兴的集成电路市场，直到成本下降到足以让集成电路公司渗透到工业市场并最终进入消费市场。每个集成电路的平均价格从 1962 年的 50.00 美元下降到 1968 年的 2.33 美元。到 20 世纪 70 年代之交，集成电路开始出现在消费产品中。一个典型的应用是电视接收机中的FM载波间声音处理。

最先应用的MOS芯片是小规模集成（SSI）芯片。继Mohamed M. Atalla于1960年提出MOS集成电路芯片之后，最早制造的实验性MOS芯片是1962年由Fred Heiman和Steven Hofstein在RCA制造的16晶体管芯片。 29] MOS SSI 芯片的首次实际应用是用于NASA 卫星。

中等规模集成 (MSI)

集成电路发展的下一步引入了每个芯片上包含数百个晶体管的器件，称为“中等规模集成”（MSI）。

MOSFET 微缩技术使得构建高密度芯片成为可能。到 1964 年，MOS 芯片已经达到了比双极芯片更高的晶体管密度和更低的制造成本。

1964年，Frank Wanlass展示了他设计的单芯片16位移位寄存器，单芯片上有当时令人难以置信的120个MOS晶体管。同年，通用微电子公司推出了第一款商用MOS集成电路芯片，由120个p沟道MOS晶体管组成。它是一个 20 位移位寄存器，由 Robert Norman 和 Frank Wanlass 开发。MOS 芯片的复杂性以摩尔定律预测的速度进一步增加，到20 世纪 60 年代末，芯片上出现了数百个MOSFET 。

大规模集成（LSI）

在相同的 MOSFET 缩放技术和经济因素的推动下，进一步的发展导致了 20 世纪 70 年代中期的“大规模集成”(LSI)，每个芯片有数万个晶体管。

用于处理和制造 SSI、MSI 以及早期 LSI 和 VLSI 设备（例如 20 世纪 70 年代初的微处理器）的掩模大多是手工制作的，通常使用Rubylith胶带或类似材料。对于大型或复杂的 IC（例如存储器或处理器），这通常是由专门聘请的负责电路布局的专业人员来完成，并置于工程师团队的监督下，工程师团队还将与电路设计人员一起，检查并验证每个掩模的正确性和完整性。

1K 位 RAM、计算器芯片和第一批微处理器等集成电路于 20 世纪 70 年代初开始批量生产，晶体管数量不足 4,000 个。真正的 LSI 电路（接近 10,000 个晶体管）于 1974 年左右开始生产，用于计算机主存储器和第二代微处理器。

超大规模集成（VLSI）

“超大规模集成”( VLSI ) 是 20 世纪 80 年代初从数十万个晶体管开始的发展，截至 2016 年，晶体管数量持续增长，超过每芯片 100 亿个晶体管。

需要进行多项开发才能实现这种增加的密度。制造商转向更小的MOSFET设计规则和更清洁的制造设施。国际半导体技术路线图(ITRS)总结了工艺改进的路径，此后又被国际设备和系统路线图(IRDS)所继承。电子设计工具得到改进，可以在合理的时间内完成设计。更加节能的CMOS取代了NMOS和PMOS ，避免了功耗的急剧增加。现代 VLSI 设备的复杂性和密度使得检查掩模或手工进行原始设计不再可行。相反，工程师使用EDA工具来执行大多数功能验证工作。

1986 年，推出了1 兆位随机存取存储器(RAM) 芯片，其中包含超过 100 万个晶体管。微处理器芯片在 1989 年突破了百万晶体管大关，并在 2005 年突破了十亿晶体管大关。这一趋势基本上没有减弱，2007 年推出的芯片包含数百亿个存储晶体管。

ULSI、WSI、SoC 和 3D-IC

为了反映复杂性的进一步增长，针对超过 100 万个晶体管的芯片提出了代表“超大规模集成”的术语ULSI 。

晶圆级集成（WSI）是一种构建超大型集成电路的方法，它使用整个硅晶圆来生产单个“超级芯片”。通过大尺寸和减少封装的结合，WSI 可以显着降低某些系统的成本，特别是大规模并行超级计算机。该名称取自术语“超大规模集成”（Very-Large-Scale Integration），这是 WSI 开发时的最新技术水平。

片上系统（SoC 或 SOC）是一种集成电路，其中计算机或其他系统所需的所有组件都包含在单个芯片上。这种设备的设计可能很复杂且成本高昂，虽然可以通过将所有需要的组件集成在一个芯片上来获得性能优势，但许可和开发单芯片机器的成本仍然超过拥有单独的设备。通过适当的许可，这些缺点可以通过降低制造和组装成本以及大大降低的功率预算来抵消：因为组件之间的信号保留在芯片上，所以所需的功率要少得多（请参阅封装）。此外，信号源和目的地在芯片上物理上更接近，从而减少了布线长度，从而减少了延迟、传输功率成本以及同一芯片上模块之间通信产生的废热。这引发了对所谓片上网络（NoC）设备的探索，该设备将片上系统设计方法应用于数字通信网络，而不是传统的总线架构。

三维集成电路（3D-IC）具有两层或多层有源电子元件，这些元件垂直和水平集成到单个电路中。层之间的通信使用片上信号传输，因此功耗比等效的独立电路低得多。明智地使用短垂直电线可以大大减少总电线长度，从而加快操作速度。

IC 系列

555定时器IC
运算放大器
7400系列集成电路
4000 系列集成电路，7400 系列的 CMOS 对应产品（另请参见：74HC00 系列）
Intel 4004，通常被认为是第一个商用的微处理器，它导致了著名的8080 CPU，然后是IBM PC的8088、80286、486等。
MOS Technology 6502和Zilog Z80微处理器，用于20 世纪 80 年代早期的许多家用计算机
Motorola 6800系列计算机相关芯片，导致68000和88000系列（用于某些Apple 计算机和 20 世纪 80 年代的 Commodore Amiga系列）
LM系列模拟集成电路

电子元器件
半导体器件
	MOS晶体管	晶体管，NMOS，PMOS，BiCMOS，生物场效应管，化学场效应晶体管(ChemFET)，互补MOS (CMOS)，耗尽型负载 NMOS，鳍式场效应晶体管(FinFET)，浮栅 MOSFET (FGMOS)，绝缘栅双极晶体管(IGBT)，场效应管，LDMOS，MOS场效应晶体管（MOSFET），多栅极场效应晶体管(MuGFET)，功率MOSFET，薄膜晶体管（TFT），VMOS，乌莫斯
	其他晶体管	双极结型晶体管(BJT)，达林顿晶体管，扩散结晶体管，场效应晶体管(FET)（结型栅极 FET (JFET)，有机场效应晶体管(OFET)，发光晶体管（LET）（有机LET (OLET)，五极管，点接触晶体管，可编程单结晶体管(PUT)，静电感应晶体管（SIT），四极晶体管，单结晶体管(UJT)
	二极管	雪崩二极管，恒流二极管（CLD、CRD），耿氏二极管，激光二极管(LD)，发光二极管（LED），有机发光二极管（OLED），光电二极管，PIN二极管，肖特基二极管，阶跃恢复二极管，齐纳二极管
	其他设备	印刷电子产品，印刷电路板，迪亚克，异质结势垒变容二极管，集成电路（IC），混合集成电路，发光电容器（LEC），忆阻器，、记忆晶体管，记忆细胞，金属氧化物压敏电阻（MOV），混合信号集成电路，MOS集成电路（MOS IC），有机半导体，光电探测器，量子电路，射频CMOS，可控硅（SCR），索拉斯托，静态感应晶闸管(SITh)，三维集成电路（3D IC），晶闸管，传输器，双向可控硅，变容二极管
电压调节器		线性调节器，低压差稳压器，开关调节器，巴克，促进，降压-升压，分裂圆周率，库克，SEPIC，电荷泵，开关电容
真空管		橡子管，三极管，光束四极管，巴雷特，紧凑型计算机，二极管，弗莱明阀，中子管，节点，努维斯托，五栅格（六极、七极、八极），五极管，光电倍增管，光电管，四极管，三极管
真空管（射频）		后向波振荡器(BWO)，腔体磁控管，交叉场放大器(CFA)，回旋管，电感输出管（IOT），速调管，脉瑟，萨顿管，行波管(TWT)，X射线管
阴极射线管		光束偏转管，查拉克特隆，视像镜，魔眼管，单镜，选择管，储存管，旋回线，摄像机管，威廉姆斯管
充气管		冷阴极，十字星，十卡创，点火管，氪星，汞弧阀，氖灯，数码管，闸流管，三角龙，稳压管
可调节的		电位器（数字的），可变电容器，变容二极管
被动的		连接器（音频和视频，电力，射频）电解检测器，铁氧体，反熔丝，保险丝（可复位，电子保险丝），电阻器，转变，热敏电阻，变压器，压敏电阻，金属丝（沃拉斯顿线）
反应性		电容器（类型），陶瓷谐振器，晶体振荡器，电感器，参数，继电器（干簧继电器，水银继电器）