【技巧分享】元器件大一点好，还是小一点好？

也许在电子领域中能够排在 欧姆定律^[2] 之后，处于老二地位的就得 摩尔定律^[3] 了：芯片中可以集成的晶体管每经过两年左右就会增加一倍。

既然芯片的物理尺寸大体保持不变，那么就意味着单个晶体管随着时间就要变得更小。

我们习惯于看到新一代芯片中的特征尺寸稳定持续变得更小，但这种小究竟意味着什么呢？是否小就等同于好呢？

在过去的一个世纪中，电子技术得到了飞速发展。在1920年，当时最好的中波收音机内包含有多个中真空管、很多体积硕大的电感、电容以及电阻，几十米长的电线作为接收天线，用于供电的电池组的体积占据了很大的空间。

如今，可以收听十几个电台的收音机可以轻松装在你的口袋里，辅助的功能也极其丰富。但尺寸的减小并不仅仅为了便于携带：而是实现我们期望高性能的关键因素。

元器件尺寸的减小的最为明显的好处就是可以在同样体积内实现更多的功能，这对于数字电路尤其关键：更多的元器件，使得你可以在相同的时间内做更多的事情。

比如一个64位的处理器，理论上可以在同样的时钟频率下完成8位处理器的八倍的信息处理，为实现这一点，它也同样需要八倍的电子元件：包括寄存器、累加器、总线宽度以及其他部件都会有八倍数量的提升。所以你需要有一个八倍尺寸的芯片，或者组成电路的元器件的尺寸小八倍。

对于存储器也是相同的：更小的电子元器件可以在相同的体积存储更多的信息。现在的显示器的像素是由薄膜三极管制作，所以减少器件的尺寸可以提高显示器的分辨率。

然而除此之外还有更加关键优势来自于更小的晶体管，那就是它们的性能也随着体积的减小而的更显著的提高。这是为啥呢？

你制作一个三极管的同时还免费得到一些附加的器件。在每个三极管引脚都会有电阻。然后流过电流的通路都会有寄生电感。任何两个相对的导体之间也会有寄生电容。

这些寄生元器件会消耗更多的电能，减缓晶体管运行速度。寄生电容对速度的影响最为重要：在晶体管开关状态过程中，都会引起寄生电容的充放电，这都需要时间和消耗电源电流。

两个导体之间的寄生电容与它们的体积相关：小的尺寸意味着寄生电容更小。更小的寄生电容则意味着更快的运行速度和更低的电能消耗，所以更小的晶体管可以运行在更高的时钟频率，同时所消耗的电能也越小。

降低晶体管的尺寸不仅仅减少了寄生电容，一些怪异的量子现象也会涌现，这在大尺寸晶体管中并不明显。通常小的晶体管可以运行更快，但除了三极管之外，还有其他器件影响电路的运行，当其他器件体积减小时，情况会变的怎样？

一般情况下，一些无源器件，比如电阻、电容、电感等，它们并不会因为体积减小而变得更好，反而在某些方面情况变得更糟。减少它们的体积很大原因是为了在更小的空间内放进更多的器件，节省PCB空间。

电阻的尺寸减小往往不会到来麻烦。一块物质的电阻是由决定，其中是长度，是横截面积，是材料的电阻率。你可以将电阻的长度和横截面积等比例减小，材料不变，就可以获得相同阻值的电阻。

唯一的坏处就是小尺寸的电阻消耗同样的功率，比起大尺寸的电阻所引起的温度的升高更大。下面表格给出了表面封装电阻的最大功耗随着它们的尺寸降低而减小。

现在最小封装的表贴电阻是03015（0.3mm×0.15mm），允许最大功耗仅有20mW，它们只能应用在功耗非常低以及尺寸要求非常苛刻的场合。更小封装的电阻0201（0.2mm×0.1mm）也已上市，但并没有量产，虽然已经出现在供应商产品手册中，但别指望它们派上实际用场。

一些自动贴片机器人甚至都无法准确摆动这些微小的电阻，所以现在它们仍属于井中月亮。

电容的尺寸减少，电容容量也减小，两块平行电极之间的电容容量为：，其中是电容极板面积，是极板间距离，是绝缘材料的介电常数。你减小了电容尺寸，对应的面积也减小了，所以造成了电容容量降低。