我们知道，星体、大自然里的声音、色彩、光线等都在连续地变化。感知这些“连续”信号其实就是一种“模拟”。例如，耳膜随着声波而振动，带动听小骨和内耳的淋巴液一起振动，从而在身体内重新“模拟”和构建出外部声音的变化。而这些信号会进一步转化为神经脉冲送入大脑。

有一种芯片也能“模拟”和构建出外部信号的变化，它能检测到走廊里的脚步声，感应到自动门上射出的红外线，并对其处理，这就是所谓的“模拟芯片”。

模拟芯片能将感测到的外部声光信号放大，并用电信号复现出这些外部信号的幅度变化，相当于在芯片内部重新模拟出了这些外部信号，因而被称为模拟芯片。除了放大信号，模拟芯片还能对连续变化的信号进行各种处理，包括滤波、采样保持、比较大小等。模拟芯片是CPU感知外界的窗口，也是CPU对外控制的必经渠道。

这些“模拟芯片”就像整个电子系统的眼、耳、鼻、舌、皮肤。一旦缺少了这些，电子系统就无法感知冷暖和明暗，也无法感受轻重和快慢。

“模拟芯片”不仅需要“感知”，还需要“行动”。行动代表着执行、驱动，意味着“模拟芯片”应能够输出功率和输出连续变化的信号。没有这些“模拟芯片”，我们就不能驱动高铁和电动汽车风驰电掣。

想变富的维德勒开创模拟芯片

1963年的一天，26岁的维德勒经仙童半导体公司的销售经理桑德斯介绍，来到了加州仙童半导体公司的研发部面试。但研发部不打算要这个“冒失鬼”，于是将他打发到应用工程部，应用工程部的约翰·休姆(John Hulme)不顾反对，毅然收留了维德勒。

维德勒

进入仙童半导体公司后，维德勒开始设计模拟芯片。

模拟芯片小而精，与数字芯片截然不同，它不是靠晶体管数量取胜，因而也无须遵循摩尔定律。正如一个人的大脑神经元个数会随着年龄发生变化，但这个人始终只有两只眼、两只耳朵、一张嘴。模拟芯片的器件数量有限，少则几个，多则几百个，基本不发生变化。它要靠巧妙的设计来实现更高的性能。

在所有的模拟芯片中，运算放大器是当之无愧的“无冕之王”，简称运放或OPAMP。

它的功能多得两只手都数不过来：它能放大信号、滤波、输出恒定电压，进行数模转换、电压比较、采样保持、电压跟随、阻抗变换等，甚至能做加减乘除和微积分运算，这也是它的名字的由来。如果拿掉了运算放大器，那就无异于抽掉了整个模拟芯片大厦的地基。

维德勒的目标是设计一款运算放大器芯片“μA702”，以求击败当时最流行的一款真空管运算放大器“K2-W”。后者采用了两级放大，就像是运载火箭的多级推进，每一级都能将信号放得更大一些，使得它的放大倍数达到了10000，而且价格低廉，仅为22美元。

集成电路问世后，工程师们希望用它来击败“K2-W”，但集成电路设计没有任何方法可以借鉴，这容易导致集成电路输出误差较大，而且性能随温度变化而产生较大波动。

第一个提出模拟芯片设计方法的是华裔工程师凌宏璋(Hung-Chang Lin)。1962年，他提出了用一个晶体管去匹配另一个晶体管，以减小误差与波动，这标志着模拟芯片第一次有了专门的设计方法。

维德勒吸收了凌宏璋的思想，并参考了“K2-W”两级放大简单稳定的优点，在“μA702”中同样采用了两级放大，并使“μA702”总共只包含9个晶体管。

维德勒发现“K2-W”有个缺点——差分输入转为单端输出时会损失一半的放大倍数。他巧妙地在放大器输入级上加入了一个高增益放大器，即“放大器中的放大器”，从而解决了这个问题。

在“μA702”的研发过程中，维德勒自己设计电路、绘制版图，并参与了制造和测试。“μA702”研制出来后得到了一些潜在用户的好评。1964年10月，仙童半导体公司发布了“μA702”，标价50美元，然而客户实际上要付出300美元才能拿到货，一时引起了极大关注。

负责将“μA702”产品化的模拟芯片组拥有一支阵容豪华的团队，包括后来参与苹果公司创立的迈克·马克库拉(Mike Markkula)以及苹果公司首任CEO迈克·斯科特(Mike Scott)，以及组建这支团队的杰克·吉福德(Jack Gifford)。

不过，“μA702”的放大倍数只有3000，比“K2-W”的10000小了很多。它的输出驱动能力较小，几乎没有共模抑制功能，而且价格较高，最终没能获得市场认可。

对于“μA702”的失败，维德勒的回应是，开发下一代的“μA709”放大器。

为了提高运算放大器的放大倍数，维德勒在“μA709”上增加了一级放大，变为三级放大，使整体放大倍数增加了20倍，达到了60000，是“K2-W”的6倍。

1965年10月，28岁的维德勒在国家电子会议上宣布了“μA709”的诞生，并使其于11月正式上市。12月，仙童半导体公司就从一家客户那儿收到了10000颗芯片的订单，这是公司此前收到的模拟芯片订单的10倍。

“μA709”刚上市时的价格为70美元，随后急速下降，并一路降至10美元以内，到1967年降至5美元，1969年只要2美元。在“μA709”的实力和价格碾压下，“K2-W”无力还击，退出了市场。真空管运算放大器的时代就此结束。

随着价格下跌，“μA709”的出货量猛增，它在市场上几乎没有什么竞争对手。随后德州仪器公司、摩托罗拉公司等纷纷推出了各种以“709”为后缀的运算放大器。

正是维德勒提出的一系列新想法，让模拟芯片变成了一个标准产品，成就了一个蓬勃发展的产业。

凭借“μA709”的成功，维德勒开始意识到自己为公司创造了多么大的一笔财富，觉得自己理应从公司拿到合理的回报。

1965年末的一天，维德勒去找仙童半导体公司的三号人物查理·斯波克，要求大幅提高工资，并暗示他的目标是在30岁时挣到100万美元。这可不是一笔小数目，斯波克毫不含糊地拒绝了维德勒的要求。碰了壁的维德勒直接提出辞职。

维德勒去了一家小公司Molectro，这家公司是仙童半导体公司的前员工、光刻专家吉姆·纳尔与人合伙创建的。

然而，维德勒加入新公司后不久，Molectro就被美国国家半导体公司(National Semiconductor)收购了。在美国国家半导体公司，维德勒开始着手研发一款新的运算放大器“LM101”，以超越“μA709”。

在“LM101”电路中，维德勒首次提出并实现了有源负载，简单说就是用晶体管实现数值极大的电阻，同时缩小芯片面积，如今这也成了模拟工程师的标准做法。

这个举措不仅大幅缩小了芯片面积，而且增大了放大倍数，使得“LM101”的放大倍数增大到了“μA709”的8.3倍——惊人的500000倍。

在美国国家半导体公司，维德勒也开始设计一种模拟电压源电路。每颗芯片都离不开一个稳定的基准电压源，但电源电压可能会随着环境温度和工艺的变化而波动，严重时还可能造成芯片不能正常运行。要使电压源保持恒定，就像在大海中让船只保持不摇晃那样困难。

维德勒的思路是，找到一个恒定的、跟环境温度没有任何关系的物理常数，然后设法将电压锚定在这个常数上。维德勒发现，将PN结电压一直延伸到绝对零度，所有斜线都会终结于同一个点。这个点的电压是1.2伏，刚好是硅的禁带宽度。这个数值仅仅取决于材料本身的性质，正是维德勒想要找的不变的物理常数。

就这样，维德勒找到了用半导体禁带宽度来使电压源保持恒定的方法，它被称为带隙基准电压源，如今已经写进了每一本模拟芯片教科书。

模拟芯片中除了运算放大器，还包括将模拟信号转换为数字信号的模拟数字转换器（简称ADC）、将数字信号转换为模拟信号的数字模拟转换器（简称DAC）。

乔治·威尔逊(George Wilson)于1968年发明了威尔逊电流镜电路。

西格尼蒂克公司的汉斯·卡门青德(Hans Camenzind)于1971年发明了“555”定时器电路，仅仅通过一个触发器、两个比较器和几个电阻器就实现了定势、延迟、产生脉冲和振荡器等功能，成为历史上应用最多的模拟芯片之一。

在此之后，模拟芯片设计向着更高频率的方向继续前进。

摩托罗拉发明无线通信芯片

1973年4月3日上午9点多，纽约曼哈顿第六大道上，摩托罗拉公司的工程师马丁·库珀（Martin Cooper），拿着世界上第一部蜂窝移动电话，名为“大哥大”(DynaTAC)，是今天所有手机的“始祖”，将世界上第一个公开演示的手机通话打给了尤尔·恩格尔(Joel Engel)博士。

尤尔·恩格尔(Joel Engel)博士是在美国电话电报公司旗下的贝尔实验室负责移动通信研发的工程师，摩托罗拉移动电话的直接竞争者。

马丁·库珀

恩格尔领导了一个超过200人的工程师团队，主攻研发车载蜂窝电话，这种电话机的外观像是普通座机电话，大约有13.6千克重，装在汽车上使用。

那时，美国电话电报公司是通信行业里当仁不让的领导者，垄断了长途电话通信业务。在移动通信领域，他们也是几种关键技术的引领者。

1947年贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克利发明了晶体管。

同年，美国电话电报公司旗下贝尔实验室的杨(Rae Young)和道格拉斯·瑞因(Douglas Ring)创造性地提出了蜂窝移动通信的构想，一举解决了移动基站功率大、频谱占用效率低下等问题，蜂窝移动通信也成为后来的1G、2G乃至5G通信都在使用的基本通信模式。

1948年香农发表了《通信的数学理论》(A Mathematical Theory of Communication)，由此奠定了现代信息论的基石。

有了香农信息论、蜂窝移动通信机制和构成通信设备的晶体管，美国电话电报公司掌握了通往信息时代的最强大的三件利器。

香农信息论告诉人们，信息的传输效率跟带宽有关。因此，想要提升信息传输效率，就需要尽可能快的开关。但早期晶体管的开关频率只有10MHz。只有不断地缩小晶体管尺寸，才能让开关速度不断变快。直到1994年尺寸缩小至500纳米时，晶体管最大开关频率升高到10GHz；到了2009年尺寸缩小至40纳米时，晶体管最大频率升高到了400GHz。

蜂窝移动通信机制能让基站高效地接入不同用户。但是，蜂窝移动通信并没有立刻发展起来，因为20世纪五六十年代晶体管和集成电路的发展还处于“婴儿期”，无法达到蜂窝移动通信所需的高频率、低成本和高计算水平。

美国电话电报公司选择发展车载移动通信，因为那时芯片集成度低，电路体积庞大，整个装置重达几十千克。

1972年冬天，美国联邦通信委员会准备于1973年春天召开听证会，向美国电话电报公司颁发唯一的移动通信许可证——如果没有人反对的话。

与此同时，摩托罗拉公司也在准备出手。作为无线通信领域的后起之秀，摩托罗拉公司想要打破美国电话电报公司在移动通信方面的垄断地位，于是决定向美国联邦通信委员会展示移动通信领域的新可能——手持移动通信设备。

通信系统部的总监马丁·库珀用“摩托罗拉公司要做出世界上第一部移动电话”这个诱人目标的激励，让摩托罗拉在没有样机的情况下，用了3个月的时间，做出了一部鞋盒大小的“砖头”电话，它长10英寸、宽3英寸，只能支撑30分钟的通话。整个电话重达1.15千克，但仍比美国电话电报公司13.61千克的车载电话轻得多。

工程设计部按照库珀：“这款移动电话，要能在任何时候、任何地方打电话给任何人”的要求，提交了十多种造型，最终一款像立起来的鞋盒的简洁设计脱颖而出，这就是后来的第一代“大哥大”手机的外形。

工程师们则是开始尝试用芯片实现无线通信中的大部分模拟电路和射频电路，他们要同时面对空间逼仄、功耗庞大、噪声巨大和成本高企的挑战，寻找出一种满足各方面要求的方案。

摩托罗拉公司也得益于这一时期业界在模拟和频率更高的射频电路上取得的新突破。1968年，巴里·吉尔伯特(Barrie Gilbert)发明了吉尔伯特混频器。1969年，格里本＆卡门青德(Grebene & Camenzind)做出了锁相环芯片。

然而，新技术在摩托罗拉公司内部引发了严重的分歧。反对者认为，手机的成本高昂、电池续航时间短、蜂窝网络基站复杂；与此同时，固定电话在美国无处不在，通话费用只需10美分，这使得很多人对手机没多大兴趣。

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如果摩托罗拉公司想要全力推进蜂窝移动电话研发，那就要研发全套的基站、交换和接入设备等，为此要在盈利前投入上亿美元。而到了那，美国联邦通信委员会如果还没打算颁发无线通信许可证的话，摩托罗拉公司就要独自面对极大的风险。

此后十年间，摩托罗拉公司改进了4个版本的手机，每个版本的手机都比前一版本的更可靠、更便宜。与此同时，芯片集成度越来越高，1974年，摩托罗拉公司推出了8位的MC6800处理器；1980年，他们又推出了32位的MC68000处理器，后者比阿波罗11号登月使用的导航计算机还要复杂和精密得多。

直到1983年，美国联邦通信委员会才开始颁发蜂窝移动电话业务执照，开启了后来被人们称为1G的第一代无线通信时代。摩托罗拉公司的第一部模拟手机上市，售价高达4000美元。凭借1G通信技术，摩托罗拉公司成了通信界的霸主。

此后，数字技术继续发展，2G通信技术兴起，手机变得小巧，价格直线下降。这时，固守着固定电话的美国电话电报公司开始走下坡路，而发明了晶体管的贝尔实验室在经历了60多年的辉煌之后也逐渐走向没落。美国电话电报公司被分拆后，贝尔实验室独立出来后改名为朗讯，后来它被阿尔卡特收购，后者在2016年又被诺基亚收购。

早期的射频芯片多采用昂贵的III/V族半导体工艺制成。进入21世纪后，低成本的CMOS电路技术应用到了射频芯片里，但CMOS的噪声特性很差。在一代代工程师的努力下，CMOS电路的噪声不断降低，加上CMOS功耗极低，使得手机价格下降到普通民众也能买得起，待机时间也延长到了一个星期。

到了20世纪90年代，业界能将接收和发射部分全部集成在一颗单一的芯片上。在2G通信制式领域，欧洲的诺基亚、爱立信和美国高通公司兴起，但他们提出的全球移动通信系统（简称GSM）和码分多址（简称CDMA）互不兼容。

到了2008年的3G时代，移动通信被分配了更多的频谱，拥有更大的带宽，使得手机能够上网浏览、收发邮件。这时半导体技术前进到了45纳米时代，可以实现更快的数据传输。但WCDMA、CDMA2000以及TD-SCDMA这几种通信制式仍不兼容，这使得通信厂商需要同时研制支持不同制式的基站和手机设备。

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摩托罗拉公司在2G出现以后仍迷恋于1G通信，进入3G时代后更是被时代所抛弃，分拆后的摩托罗拉移动公司于2012年被谷歌收购。从3G通信开始，中国的华为、中兴公司在无线通信领域开始与世界同步。

到了4G时代，带宽达到了100Mbps，对无线射频芯片提出了更高要求。各种不同制式终于在长期演进方案（简称LTE）下得到了统一。这也对芯片设计提出了更高的要求，因为需要在芯片里集成多种通信模式和多个无线频率。幸好这时半导体已经进入22纳米时代，华为、高通等公司在一颗射频芯片上集成了“五模十频”，甚至“五模十七频”的功能。在4G时代，世界移动通信的舞台上只剩下了5家公司：华为、中兴、爱立信、诺基亚-西门子和阿尔卡特-朗讯(Alcatel-Lucent)。

到了2019年，5G时代中的通信下行带宽达到了1Gbps，时延只有1毫秒。要想拥有更大的带宽，就要分配更高的频率。5G的频率最高达到了数十GHz的毫米波频段，对芯片的功耗和噪声提出了更高要求，而7纳米芯片能很好地支持5G通信。在5G领域，华为贡献了最多的技术专利，成为最大的领导者。

2019年9月，华为发布了全球首款5G SoC芯片麒麟990，用台积电公司的7纳米工艺制成。后来，华为遭到美国数轮制裁，2020年被排除在台积电的客户之外。在美国禁令生效的日期2020年9月15日前，台积电公司为华为加工的最后一批5G芯片启程运往了深圳。

彼得森与MEMES传感器

从1998年开始，美国政府要求汽车上必须配备安全气囊，在汽车遇到剧烈的冲击时，安全气囊内置的加速度传感器会瞬间检测到，并迅速地弹出气囊。这种加速度传感器用一种特殊的硅加工工艺制造而成，体积非常小巧，能嵌到安全气囊中，非常牢固可靠。

不同于普通的平面结构的硅芯片，加速度传感器是一种立体的硅器件，制作时，人们需要在硅晶圆里“雕刻”出极薄的悬臂梁，悬臂梁在外力作用下会发生轻微的震颤，从而把冲击力转换成电信号。这个信号经由模拟芯片放大后送入车载CPU中，从而触发气囊弹出指令。

一辆普通轿车中往往装有几十到几百个各类传感器，这些传感器负责监测车速、胎压、冷却液温度、轮子打滑状况等，是行车安全的忠实守护者。

大部分传感器是基于硅制造的，同时集成了机械传动和处理电路，被称为“微机电系统”。这里的“微”指的是传感器的尺寸只有微米级别，即一毫米的千分之一，因而特别小巧，可以大规模、低成本地制造出来。

1975年，IBM光学研究中心的27岁年轻小伙库尔特·彼得森（Kurt Petersen）找到了自己未来40多年的研究道路。这一年，他刚刚从麻省理工学院拿到了电气工程学博士学位。

库尔特·彼得森

那时还没有“微机电系统”这个名词，而只有“微机械”这个叫法。

微型机械装置的提法来自物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)。1959年，费曼在一次物理学大会上做了一个演讲，他预计人类在未来有可能制造出一种比灰尘还要小的机械装置。为此他打了一次赌，赌金是1000美金。

同年，科莱特半导体产品有限公司(Kulite Semiconductor Products, Inc.)的C. S.史密斯(C. S. Smith)发现，半导体也会出现压阻效应，而且比金属的压阻效应强好几个数量级，这意味着硅可以作为灵敏的传感器材料，随后他们做出了第一个商用的硅压力计。

1964年，美国西屋电气公司的哈维·内桑森(Harvey Nathanson)团队制造出了第一个微机电系统器件，他们把MOS场效晶体管栅极改成了一个悬臂梁，从而能感受到外力振动。

但随后的十多年，用半导体制作传感器的研究一直在很缓慢地进行。到了20世纪70年代中后期，小巧的微处理器变得无处不在，但是普通传感器电路依旧体积庞大。

彼得森想，传感器电路能否搭上硅技术发展的快车呢？这样不仅可以使电路体积变得更小，还能使其与硅芯片融合在一起，充分地利用大批量硅制造的低成本优势，让传感器也变得更便宜。

他有了一个大胆的想法：利用硅的高精度加工能力来制造具备高精度、高可靠性特征的机电装置，尤其是在那些需要和微处理器、模拟芯片集成在一起的传感器上，用同样的硅材料来制造微机电元件，将其平面拓展到三维立体结构，然后跟芯片集成在一起，从而组成小巧的微机电处理系统。

1982年，彼得森写了一篇关于微机械技术的内部技术报告，介绍了可能会引起IBM公司兴趣的微机械结构。他认为，一旦能将硅加工成特定的形状，就能充分发挥出硅加工的极大优势，即采取大批量、低成本的制造模式，以及实现极高的加工精度。但IBM因其不是公司核心业务，并不感兴趣。

彼得森很失望，他修改了报告，将其改为一篇50页的综述性文章，发表在美国电气与电子工程师协会的期刊上。那时，研究芯片和研究微机械的人彼此之间互不了解，而这篇文章使这两个不同领域的研究者联系了起来，许多人都是看了这篇文章后决定去研究微机电系统的。

同一年，彼得森辞职，与其他人联合创立了一家公司，他们做出了许多不同的微机电系统的元器件。

1985年，彼得森又一次创业，成立了安费诺公司(Nova Sensor)，做出了高温压力传感器和用于测量血压的传感器芯片。

随后，微机电系统技术的触角开始四处延伸。

1988年，加州大学伯克利分校用微机电系统技术做出了微型电机。

1992年，德州仪器公司发明了数字光处理技术（简称DLP），用许多微机电系统控制微小镜片，通过改变镜片角度来实现每个像素的开和关，这项技术成了数字投影仪的基础。

1993年，亚德诺半导体技术有限公司（简称ADI）量产了第一个商用加速度计，每个加速度计的生产成本只有5美元，被大规模应用到了汽车的安全气囊中。

1996年，彼得森的目光转到了生物与医疗领域，他采用微机电系统技术来加速聚合酶链式反应（简称PCR）的速度，这种反应是基因测序的重要一步。

聚合酶链式反应技术是1986年生物化学家凯利·穆利斯(Kary Mullis)发明的一种能快速获得大量特定DNA片段的方法。它需要对DNA样品反复地进行加温和冷却：首先，把一个DNA片段加热到96℃，使其两条链彼此分开；接着，使DNA片段降温到55℃～65℃，这样每条链都会与一段特定的DNA引物相结合；最后，使温度再次升高到72℃，使得聚合酶发挥作用，促使DNA子链合成，从而完成从一条DNA链到两条DNA链的复制。如此反复30次后，就可以得到约10亿(230)个目的DNA片段。

如果在试管中进行聚合酶链式反应，需要大量原料，而且速度慢，需要数个小时才能完成加温和降温过程。诺思拉普(Northrup)向彼得森建议，如果用微机电系统技术将加热器和反应室做得很小，将样本放进由MEMS工艺制成的、比头发丝还细的微流管中，就可以迅速地加热和冷却样品。

微流控芯片

1996年，彼得森与人联合创立了赛沛公司(Cepheid)，生产DNA检测设备。

2001年9月，一封封含有微量炭疽孢子的信件被恐怖分子寄往美国国会和新闻机构，导致数十人感染、五人死亡。彼得森的公司开发了相应的检测设备，用于快速检测炭疽杆菌，很快部署到了全美的邮政系统中。

2020年，全球暴发了新型冠状病毒肺炎疫情，急需大规模的快速筛查设备，以摸清病毒的传播路径和规律，进而制定相应的防御措施。2020年3月21日，美国食品药品监督管理局紧急批准了赛沛公司生产的新冠病毒核酸快速检测设备。

此外，由于擦拭子得到的病毒量较小，不易检测，可能会导致较多的假阴性结果。而基于微机电系统微流控技术的聚合酶链式反应扩增法能将通过处理擦拭子获得的DNA样本分成若干份，然后装进不同的狭小通道里，并行处理后聚合，这样会提高阳性样本中病毒核酸的含量，从而减少假阴性结果。

近年来，随着芯片制造工艺进入纳米时代，微机电系统器件越来越小，出现了纳机电系统（简称NEMS）。

IGBT功率器件的发明之争

人的心脏右心房上部的一小块窦房结，会产生微弱而有规律的电流来刺激心脏跳动泵血。如果窦房结的律动变得紊乱，就会导致心脏不规则地搏动甚至颤动，从而危及生命。根据2018年的《中国心血管病报告》，中国每年约有54.4万人死于这种突发疾病。病发后的4分钟是黄金抢救时间，此后每过1分钟，死亡概率就增加7%～10%。

自动体外除颤器会发出上千伏特的瞬时高压电脉冲电击心脏，使心肌的重要部分去极化，终止心律失常，然后再配合心肺复苏或借助窦房结的功能重新建立正常心律，就有可能让患者的心脏恢复正常。

当施救者为患者贴好电极后，机器会自动分析患者的心律，确认患者需要除颤之后开始放电。自动体外除颤器电击消耗的能量通常只相当于100瓦灯泡点亮几秒钟所需的能量，电击持续的时间非常短，但需要发出上千伏特的高压电脉冲。

自动体外除颤器

自动体外除颤器的电池电压是直流电压且只有12～16伏特，所以需要一个逆变电路将其变为脉冲电压，继而升高到上千伏特，这要靠4支小巧的IGBT功率元件实现。

IGBT器件是自动体外除颤器输出高压电脉冲的关键部件。实际上，IGBT的用途还远不止这一项。如果有一天全世界的IGBT瞬间消失了，那么我们将面临高铁、地铁和电动汽车停驶，燃油车无法打火启动，太阳能和风能发电机组无法并网，空调和冰箱停止制冷，工厂的机械臂停工，银行的不间断电源失效……

IGBT属于半导体功率器件，这一“家族”还包括功率BJT、功率MOS场效晶体管和晶闸管等，它们都是电子技术这棵大树上的不同分支。其中，功率BJT和功率MOS场效晶体管都是在传统BJT和MOS场效晶体管器件上经过改进而来的，而IGBT则是一个新生事物。

巴利加、贝克和惠特利对于IGBT器件的研究始于20世纪70年代一场世界范围内的严重的能源危机之后。受到石油危机的刺激，通用公司于1974年重新组建了半导体功率器件研发团队。也是在这一年，来自印度的巴利加博士毕业，加入了通用电气公司。

贾扬特·巴利加

半导体功率器件需要处理的功率极大，因此其技术发展总是比通用半导体技术慢一拍甚至几拍。例如，1947年锗晶体管出现，5年后通用电气公司的罗伯特·霍尔(Robert Hall)发明了第一个半导体锗功率器件，他的同事何伦亚克发明了可控硅（简称SCR），它是晶闸管的一种。1954年，贝尔实验室发明了基于硅的BJT，三年后出现了对应的BJT功率器件。1959年，贝尔实验室发明了平面结构的硅MOS场效晶体管，直到十年后日立公司才推出了垂直结构的大功率MOS场效晶体管器件。

20世纪70年代后半期，美国无线电公司也进入了功率电子器件领域。领导这个项目的是资深工程师惠特利。

当通用电气公司和美国无线电公司开始关注功率器件时，他们发现已有的BJT和MOS场效晶体管器件都有各自的优点，但也存在着一些严重的缺陷。

一方面，BJT和晶闸管很耐高压，主要应用于工作电压在1500伏特以上的高压设备，例如电力机车，所用电压高达6000伏特，电流有数百安培到1000安培。但是BJT和晶闸管的增益小，工作频率低，噪声大。

另一方面，功率MOS场效晶体管主要用于工作电压低于100伏特的低电压领域，如音响功放和小型充电。功率MOS场效晶体管是从普通MOS场效晶体管演变而来的，从水平结构变成了垂直结构。它增益大，开关快（可达1MHz），但是输出功率很低。

但是，电气设备工作电压在100伏特到1500伏特之间时，BJT和MOS场效晶体管都不适用，这个领域是一片空白，没有一个器件既能输出较大功率，又能快速切换开关。需要这种器件的设备很多，包括电动汽车的逆变器、冰箱和空调的压缩机、工业机器人、不间断电源、自动体外除颤器等。

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通用电气公司和美国无线电公司等企业在这一空白领域展开了竞争，一方是初出茅庐的26岁的巴利加，另一方是年龄几乎是巴利加两倍的资深工程师惠特利。

巴利加和惠特利的参考对象是相同的，那就是MOS场效晶体管，它成本低廉，控制方式简单，如果能增大输出电流，或许它能逐渐渗入大功率领域。那么，什么器件能输出大功率呢？答案是BJT。

巴利加和惠特利几乎同时想到，把MOS场效晶体管的高频优点跟BJT输出电流大的优点结合在一起。1979—1980年，巴利加和惠特利分别独立提出了融合BJT和MOS场效晶体管的器件结构。

他们认为，既然BJT能输出大电流，不妨用它作为输出级。BJT驱动起来比较费力，而这正是MOS场效晶体管所擅长的，只需一点微弱的电荷就能驱动，所以可以用MOS场效晶体管来作为输入端。

简而言之，就是将两者结合起来，用MOS场效晶体管作为输入级，利用它的电流驱动BJT并输出大电流，这就是IGBT设计想法的萌芽。IGBT名字中的“绝缘栅”来自输入级的MOS场效晶体管，而“双极型”则来自输出级的BJT。

IGBT结构

注：它显示了IGBT内部的BJT和MOS场效晶体管连接。

巴利加于1979年9月提出了V型槽的器件结构，而惠特利于1980年3月提交了一份关于“功率MOS场效晶体管”的专利申请，结构同巴克利的V型槽相似。

如果说巴利加有一点独特的优势，那就是他所在的通用电气公司对这种新功率器件有着具体而迫切的需求，他们的产品部门会向巴利加提出现实的问题。

1980年9月，通用电气公司产品部副总监汤姆·布罗克(Tom Brock)向功率器件研究小组提出了一个挑战，问他们能否做出一种更好的功率器件。受到实际需求的激励，巴利加在一个月内想出了一种更优的IGBT。

一个月后，巴利加对布罗克说，他设计的IGBT能大大地提高能效、降低成本。布罗克直接去找了通用电气公司副总裁杰克·韦尔奇(Jack Welch)，请他来听巴利加汇报IGBT研究进展。

1980年11月，韦尔奇听了巴利加的汇报。结束时韦尔奇说：“我们要使IGBT快速地转变为产品，用于通用电气公司在电机驱动、照明、医疗等各个领域的产品制造。”

半年后，第一片IGBT的晶圆出厂。1982年12月，在向韦尔奇汇报两年后，巴利加在半导体器件的权威会议——国际电子器件会议上发表了关于IGBT的研究文章。同时，通用电气公司举行了IGBT发布会。

同年12月，美国无线电公司的拉塞尔·奥尔等人在《电子器件快报》(IEEE Electron Device Letters)上发表了一篇文章《电导调制场效晶体管》(COMFET)，描述了一种垂直结构的IGBT器件。

1983年6月，通用电气公司正式推出了第一款IGBT产品，成为业界领导者。然而，通用电气公司很快就被竞争者赶超了。东芝公司于1985年成功地量产了IGBT，富士公司和三菱公司也分别于1986年和1987年推出了IGBT产品，而且价格低得多。再后来，通用电气公司的产品中使用的IGBT居然要从日本进口！

1987年，只愿做行业第一的韦尔奇决定裁撤所有的半导体业务，包括功率半导体部门。巴利加离开了通用电气公司，去了北卡罗来纳州立大学继续研究功率器件。

现在，改进的IGBT进入了更大功率设备的应用领域，包括高铁机车的电力驱动装置，可以让高铁开得更快。而且，它输出的平滑变化的高频信号还可以让列车行驶得更加顺畅平稳。“IGBT的效率改善，在1990到2010年的20年中为全世界累计节约了15万亿美元，同时减少了约35万亿千克二氧化碳的排放。”巴利加2013年接受采访时说。

硅基IGBT并不是研究的终点。如今，业界正积极地研究更有潜力的砷化镓(GaAs)和碳化硅(SiC)等宽禁带半导体材料，它们的禁带宽度更大，砷化镓功率器件的优值比硅高13倍，而碳化硅功率器件的优值竟然比硅功率器中高100多倍！

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微机电系统的应用

每部智能手机中都有一个微机电系统陀螺仪，后者具有防止镜头抖动、计步、辅助导航或者游戏等功能。每年全世界要生产将近55亿个微机电系统麦克风，产值为13亿美元。

喷墨打印机也是大规模应用微机电系统的设备之一，每年全世界会为此生产15亿个悬臂梁。基于微机电系统的数字投影技术被用在投影仪中，如今占据了超过50%的前向投影仪份额和85%的数字影院投影份额。

在健康领域，微机电系统的应用领域包括连续血糖监测、人工视网膜、皮下植入式血糖检测等。在生物化学检测领域，微机电系统的应用包括片上实验室(Lab on a chip)、微流控技术、神经电极阵列、HIV检测、犯罪嫌疑人DNA检测和血压传感器等。

汽车中也有大量的微机电系统传感器，如安全气囊中的加速度计、胎压检测、电子稳定性控制（简称ESP）等。

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模拟芯片起着放大信号、滤波和驱动等作用，是整个系统的眼、耳、鼻、舌、皮肤。

最基础的模拟芯片是运算放大器。1964—1965年，仙童半导体公司的维德勒设计了集成运算放大器μA702和μA709。1968年，他又设计了集成运算放大器LM101，并发明了带隙基准电压源。除运算放大器之外，模拟芯片还包括ADC、DAC等。

无线通信（从1G到5G、WiFi、蓝牙、射频识别技术等）的发展促进了射频芯片（锁相环、功率放大器等）的发展，使得我们今天的上网速率越来越快，帮助我们摆脱了传输线的束缚。

模拟电路的前端，还需要能感知信号的传感器电路。1982年，IBM公司的彼得森发表了关于微机电系统的综述文章，使芯片领域和微机械领域的研究者汇集起来。如今，微机电系统芯片在汽车安全气囊、烟雾警报、DNA测序、病毒核酸检测等方面有着广泛的应用。

与感知相对应的是驱动。1979—1980年，通用电气公司的巴利加和美国无线电公司的惠特利分别发明了IGBT器件，现已广泛用于电动汽车、高铁、自动体外除颤器、冰箱、空调等领域。

注：本文节选自汪波老师的《芯片简史》