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1883年，托马斯·爱迪生（Thomas Edison）在一次电灯泡实验中发现，在加热的灯丝及其附近的防污染金属片间接上电流计，电流计中有电流通过，这就是“爱迪生效应”。这一发现为后来的电子工业，尤其是无线电和电视的发展奠定了基础。
基于爱迪生效应的启发，1904年，约翰·弗莱明（John Fleming）发明了世界上第一支真空电子二极管，又叫作“弗莱明阀”、真空管（vacuum tube）、电子管或胆管。
1906年，美国发明家李·德福雷斯特（Lee De Forest）通过在真空二极电子管里加入一个栅板（“栅极”）而发明了真空三极电子管。三极管的发明促成了世界上第一座无线电广播电台的建立，使无线电通信迅速传播到世界各地。
1926年，英国物理学家亨利·朗德（Henry Round）发明了四极管，这个发明是基于瓦尔特·肖特基（Walter Schottky）提出的“在栅极和正极间加一个帘栅极”的想法。后来，希勒斯·霍尔斯特（Gilles Holst）和伯纳德·特勒根（Bernard Tellegen）又发明了五极管。
20世纪40年代，计算机技术的研究蓬勃发展。电子管被引入计算机领域，主要由于其单向导通特性可以用于设计一些逻辑门电路（例如与门电路、或门电路）。那时候，几乎所有的电子计算机都是基于电子管制造的，其中包括著名的埃尼阿克（ENIAC，使用了18 000多只电子管），如图1-1所示。
图1-1 第一台电子计算机埃尼阿克 ［1］
逻辑门电路就是实现基本的逻辑运算（例如与、或、非、异或、同或、与非、或非等）的电路。单向导电的电子管（真空管），可以组成各种逻辑门电路，如表1-4所示。
表1-4 逻辑运算及规则
20世纪30年代，电子二极管被贝尔实验室的科学家罗素·奥尔（RussellOhl）使用提纯晶体材料制作的检波器完全取代。不久后，他发明了世界上第一个半导体PN结。
1945年，贝尔实验室的威廉·肖克利（William Shockley）与奥尔基于能带理论，绘制了P型与N型半导体的能带图，并在此基础上提出“场效应设想”。
1947年12月23日，贝尔实验室的约翰·巴丁（John Bardeen）和沃尔特·布喇顿（Walter Brattain）制作出世界上第一只半导体三极管放大器，如图1-2所示。
图1-2 第一只半导体三极管放大器 ［1］
1948年1月23日，肖克利为了改进实用性而提出了名为结型晶体管（junction transistor）的模型，它是一种具有3层结构的新型晶体管模型，使用空穴与电子两种载流子参与导电，因此被称为双极性结型晶体管（bipolar junction transistor，BJT）。BJT有NPN和PNP两种结构，每种结构均由3个不同的掺杂半导体区域组成，分别是发射极、基极和集电极，这三者在NPN型晶体管中分别是N型、P型和N型半导体，在PNP型晶体管中则分别是P型、N型和P型半导体。每一个半导体区域都由一个引脚端接出，通常用字母E、B和C来分别表示发射极（emitter）、基极（base）和集电极（collector），如图1-3所示。
图1-3 BJT晶体管
（a）NPN型；（b）PNP型。
图1-4 GFET晶体管的工作原理示意图
1953年，贝尔实验室的伊恩·罗斯（Ian Ross）和乔治·达西（George Dacey）合作，制作了世界上第一个结型场效应晶体管（junction field effect transistor，JFET）原型，工作原理如图1-4所示。
1959年，埃及裔科学家穆罕默德·埃塔拉（Mohamed Atala）与美籍韩裔科学家姜大元（Dawon Kahng）共同发明了金属氧化物半导体场效应晶体管（metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET），也称为绝缘栅场效应晶体管（in-sulated gate field effect transistor，IGFET），是一种可以广泛应用在模拟电路与数字电路中的场效应管。金属氧化物半导体场效应晶体管依照其沟道极性的不同，可分为电子占多数的N沟道型与空穴占多数的P沟道型，通常被分别称为N型金属氧化物半导体（NMOS）场效应晶体管与P型金属氧化物半导体（PMOS）场效应晶体管。
1963年，美国仙童半导体（Fairchild）公司的弗兰克·万拉斯（FrankWanlass）和美籍华裔科学家萨支唐（Chih-Tang Sah）首次提出互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）场效应晶体管。CMOS晶体管是将PMOS与NMOS晶体管组合在一起，连接成互补结构，几乎没有静态电流。
随着集成电路的晶体管数量不断增加，对功耗的要求也不断增加。如今，95％以上的集成电路芯片，都是基于CMOS晶体管工艺制造的，主要原因是CMOS晶体管的功耗远低于其他类型的晶体管，基于其低功耗的特点，CMOS晶体管开始成为主流。
1967年，姜大元与美籍华裔科学家施敏合作，共同发明了浮栅金属氧化物半导体（floating gate metal oxide semiconductor，FGMOS）场效应晶体管结构。后来所有的内存、闪存（flash memory）、电擦除可编程只读存储器（electricallyerasable programmable read only memory，EEPROM）等，都是基于这个结构，FGMOS晶体管奠定了半导体存储技术的基础，器件设计原理如图1-5所示。
图1-5 MOSFETF与GMOS晶体管的器件设计原理图
（a）MOSFET结构；（b）FGMOS结构。
平面型场效应晶体管（planarFET）是早期晶体管的代表，如图1-6（a）所示。它的主要缺点是，随着晶体管体积变小，栅极的长度越来越短，源极和漏极的距离逐渐靠近。
当制程（一般指栅极的宽度）小于20 nm时，MOSFET的栅极已经难以关闭电流通道，出现漏电现象，同时伴随着高功耗。鳍式场效应晶体管（fin field effect transistor，FinFET）的发明解决了上述问题。FinFET从PlanarFET的平面设计变成了3D设计，如图1-6（b）所示。它的电流通道像鱼鳍一样，三面都被栅极包夹。这样就有了比较强大的电场，提升了控制通道的效率，可以更好地控制电子通过。但是到了7 nm节点，即使是FinFET也无法在保证性能的同时抑制漏电。至于FinFET在更先进制程的使用是因为有极紫外光刻机以及铟镓砷（InGaAs）的加持。
到5 nm时，FinFET再次失效，因鳍片距离太近、漏电重新出现，再加上鳍片增加的高度越来越高，难以保持直立结构，以及物理材料的极限都让3D FinFET难以为继。此时，延续“摩尔定律”的新技术全环绕栅极场效应晶体管（gate-all-around field effect transistor，GAAFET）出现了。如图1-6（c）所示，GAAFET把栅极和漏极从鳍片又变成了一根根“小棒子”，垂直穿过栅极，“三接触面”变成了被拆分成好几个的“四接触面”，进一步提高了栅极对电流的控制力。
另一种GAAFET形式的多桥通道场效应晶体管（multi-bridge-channel field effect transistor，MBCFET），如图1-6（d）所示，由韩国三星首次提出。采用多层纳米片替代GAAFET中的纳米线来构造晶体管，增加了接触面，在性能、功耗控制上会更加出色，在制造上也更易实现。三星声称其研发的MBCFET可以提供更低的工作电压、更高的电流效率（即驱动电流能力）和高度的设计灵活性。不过，虽然MBCFET能承载更大电流，但栅控能力不如纳米线强。2017年三星表示，其新的3 nm MBCFET可减少面积35％，同等功耗下性能提升30％，同等性能下功耗降低50％。
图1-6 不同类型的晶体管
（a）PlanarFET；（b）FinFET；（c）GAAFET；（d）MBCFET。
1958年9月12日，世界上第一块集成电路诞生于德州仪器（Texas Instruments）公司，它是一块长7/16英寸（in，1 in＝0.025 4 m）、宽1/16 in的锗片电路，发明人是杰克·基尔比（Jack Kilby）。
几乎在同一时期（1959年7月30日），世界上第一块Si衬底的集成电路由仙童的罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）发明，如图1-7所示。该项发明是基于其同事让·霍尼（Jean Hoerni）的平面工艺（planner process）而提出的，诺伊斯还申请了一项专利（“半导体器件和引线结构”）。
图1-7 诺伊斯的发明 ［2］
关于谁才是集成电路的发明者，有过很长一段时间的争论。最终，在1966年，法庭裁定集成电路想法（混合型集成电路）的发明权属于基尔比，他被誉为“第一块集成电路的发明家”。同时，真正意义上的集成电路及制造工艺的发明权属于诺伊斯，他是“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人。
德州仪器于1960年3月正式推出了全球第一款商用化的集成电路产品——502型硅双稳态多谐振二进制触发器（售价450美元）。集成电路诞生之初，由于美苏冷战的原因，可以看到接下来主要的发展集中在军事领域。比如：1961年，美国空军推出了第一台由集成电路驱动的计算机；1962年，美国又将集成电路用于民兵弹道导弹的制导系统。
直到1964年，集成电路在民用领域首次落地：仙童将集成电路运用到助听器上。此后，1970年，英特尔推出世界上第一款动态随机存储器（dynamic random access memory，DRAM）集成电路1103。1971年，英特尔又推出世界上第一款包括运算器、控制器在内的可编程序运算芯片——Intel 4004，实物如图1-8所示。
图1-8 Intel 4004实物
（来源：维基百科，作者：Thomas Nguyen）
此后，集成电路进入爆炸式发展的阶段，集成电路发展史上里程碑事件如表1-5所示。
表1-5 集成电路发展史上里程碑事件
伴随着技术的不断进步，集成电路的发展逐渐呈现这样的趋势：①特征尺寸越来越小。②集成度越来越高：芯片上的晶体管数量在30年中呈指数增长。③速度越来越快。④成本越来越低。⑤功耗越来越大。⑥晶圆尺寸越来越大（但由于硬件等原因，目前国际主流晶圆厂仍采用12 in晶圆）。⑦新材料越来越多（如图1-9所示）。
图1-9 集成电路发展中应用的新材料种类
戈登·摩尔是仙童研发部的经理，1965年他发表了《在集成电路里融入更多组件》（Cramming More Components Onto Integrated Circuits）的文章，提出芯片的器件数量每年会翻一番。以1959年的一个晶体管尺寸作为起始，到1965年，同样的尺寸范围内有64个晶体管。他预测每年翻一番的状态会一直持续至少10年。
1975年，摩尔修改了他的预言，他在电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）举办的大会上提出单个芯片上晶体管的数量每两年会翻一番。此后，摩尔的同事卡弗·米德（Carver Mead）将这个预测正式命名为“摩尔定律”。
摩尔定律常见的版本有“芯片性能每18～24个月会翻一番”“计算机速度每18～24个月翻一番”“计算机功耗每18～24个月翻一番”“晶体管的集成度每18～24个月翻一番”。
2008年，美国国家科学基金会启动了一项名为“超越摩尔定律的科学与工程”（Science and Engineering Beyond Moore's Law）的研究项目，此后更多使用More Than Moore来代指“超越摩尔”，至此集成电路进入后摩尔时代。超越摩尔不再只追求晶体管密度的提升，而是更多地改变加工工艺和晶体管结构，在单个芯片上集成多个不同的功能模块以提高集成电路的兼容性，实现芯片的成本降级及性能提升。
集成电路的发展
中国集成电路的发展，起步并不算晚，但是因为种种原因，前中期发展得并不顺利。下面简单罗列一下关于中国集成电路发展的重大事件。
1956年，周恩来总理主持制定了“十二年科学技术发展远景规划”。他有远见地提出和确定了四项“紧急措施”，即大力发展计算机、无线电电子学、半导体、自动化，并将新技术应用于工业和国防。
1958年，黄昆和谢希德合著的《半导体物理学》出版，这是中国第一部半导体领域的系统性著作。
1959年，中国成功拉出高纯度硅单晶，仅比美国晚了一年。
1960年，中国科学院半导体研究所和河北半导体研究所正式成立。
1963年（一说1962年），中国成功研制出硅平面型晶体管，仅比仙童晚4年。
1965年，中国第一块硅基数字集成电路成功研制。
1968年，上海无线电十四厂首先完成了PMOS的生产。
1982年，江苏无锡江南无线电器材厂（742厂）从日本东芝公司引进完整的3 in芯片生产线，这是中国第一次从国外全面引进集成电路技术。
1986年，中国半导体产业第一个重大战略——“531”战略提出。
1988年，中国集成电路行业首家上市企业上海贝岭在上海证券交易所上市。
1996年，国家对建设“大规模集成电路芯片生产线”项目正式批复立项，即“909工程”。同年，上海华虹（集团）有限公司成立。
2001年，中芯国际正式建成投产（于2015年实现28 nm产品量产，2019年实现14 nm工艺量产）。
2003年，台积电（上海）有限公司［现名台积电（中国）有限公司］落户上海。
2004年，中国第一条12 in晶圆生产线在北京投入生产。
2013年，中国集成电路进口额达2 313亿美元，超过石油，成为中国第一大进口商品。
2020年，华润微电子在科创板挂牌上市。