半導(dǎo)體的發(fā)展與歷史

1、.：.；半導(dǎo)體的歷史 2.1 The life before semiconductor 在沒(méi)有半導(dǎo)體的存在之前,我們的生活會(huì)是如何的呢? 這些非常微小的集成電路芯片雖然在我們?nèi)粘Ｉ钪胁灰妆晃覀儼l(fā)現(xiàn),不過(guò)他們很明確的隱藏在我們的生活周遭: 幾乎一切我們運(yùn)用的電子相關(guān)產(chǎn)品,計(jì)算機(jī)相關(guān)組件里都有這些半導(dǎo)體的存在。所以假設(shè)我們生活中短少了這些小東西，可以說(shuō)是非常的不方便，經(jīng)濟(jì)開(kāi)展也一定遭到影響。 在1950年代貝爾實(shí)驗(yàn)室研討開(kāi)展出最原始的半導(dǎo)體之前當(dāng)時(shí)的電子設(shè)備好像：收音機(jī)或是一些影像相關(guān)的電子儀器都是運(yùn)用一種叫做真空管的零件在控制系統(tǒng)中的電子.這些運(yùn)用真空管的電子儀器成為了日后在地二次世界大戰(zhàn)中

2、扮演了極重要的角色的雷達(dá)、微波以及導(dǎo)航系統(tǒng)的基石，也完全改動(dòng)了歷史的開(kāi)展。.真空管也被運(yùn)用在早期的計(jì)算機(jī)之中，而且就算到了最近半導(dǎo)體高度開(kāi)展的社會(huì)之中，真空管還使有備運(yùn)用在電視還high power radio frequency transmitters之中。 2.2 Innovation begins 在第二次世界大戰(zhàn)剛終了不久的1947年三位貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家的研討使得世界上第一個(gè)bipolar transistors 問(wèn)世, 帶著了人類邁向電子儀器還有產(chǎn)品的新紀(jì)元。 這三位科學(xué)家分別是: Jack S.Kilby, William Shockley and Robert Noyce.

3、Jack S.Kilby 生于1923年于美國(guó)Kansas洲,他的父親是一位amateur radio operator 也由于他父親的任務(wù)性質(zhì)使得年輕的jack 對(duì)于電子相關(guān)的領(lǐng)域產(chǎn)生了濃重的興趣. 之后隨著他的興趣開(kāi)展，他就讀于University of Illinois并且在1947年畢業(yè),之后在1958年進(jìn)入了德州儀器任務(wù)。當(dāng)他在德州儀器就義的期間他處理了一個(gè)叫做 “tyranny of numbers的問(wèn)題， 他利用一小塊germanium 并在接上示波器, 按了一個(gè)開(kāi)關(guān),結(jié)果示波器上面顯示了延續(xù)的sin的波, 這證明了他的集成電路是確真實(shí)運(yùn)作的，也同時(shí)表示他處理了這個(gè)問(wèn)題。 他的第

4、一項(xiàng)專利是“Solid Circuit made of Germanium。順代一題眾所皆知的可攜帶式的電子計(jì)算器還有thermal printer都是他60幾項(xiàng)的專利之一。. 在1970到1980年代中葉 Jack 在Texas A&M University的電機(jī)工程系教書(shū),。不久之后他就分開(kāi)了德州儀器. 他在2000年的時(shí)候榮獲了科學(xué)界最高的光彩-諾貝爾對(duì)于他所發(fā)明的集成電路。五年之后這位偉大的科學(xué)家由于癌正而逝世于2005年。 William Shockley 生于1910年的倫敦，他雖然在英國(guó)出生可是他的父母都是美國(guó)人，之后他大部分的童年都在美國(guó)California渡過(guò); 他在1936

5、年在麻省理工學(xué)院獲得了他的博士學(xué)位。 在他獲得了博士學(xué)位之后他就近入了貝爾實(shí)驗(yàn)室任務(wù)，可是到了第二次世界大戰(zhàn)期間他必續(xù)介入Radio相關(guān)的研討而分開(kāi)了貝爾實(shí)驗(yàn)室到了 Columbia Universitys Anti-Submarine Warfare Operations Group, 他到了Columbia University 的主要目的是為了改良一些針對(duì)潛水挺的相關(guān)戰(zhàn)略的技術(shù)，例如: improved convoying techniques and optimizing depth charge patterns.當(dāng)?shù)诙问澜绱髴?zhàn)過(guò)后Shockley回到了貝爾實(shí)驗(yàn)室?guī)е艘粋€(gè)新組成的

6、團(tuán)隊(duì): solid state physics group，這個(gè)團(tuán)隊(duì)的主要目的是要尋覓可以替代易碎的真空管訊號(hào)加強(qiáng)器的固態(tài)替代品。經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)久的努力與無(wú)數(shù)次的實(shí)驗(yàn)、嘗試與失敗， Shockley最后的建議是要放一小滴的 gu 在P-N junction上. 之后在1947年的十二月以之前的建議為根底發(fā)明出了同樣可以和真空管一樣到達(dá)訊號(hào)放大的效果的point-contact transistor。Shockley發(fā)表此一發(fā)明之后的一個(gè)月，貝爾實(shí)驗(yàn)室的專利組開(kāi)場(chǎng)為這項(xiàng)創(chuàng)新的發(fā)現(xiàn)懇求專利。 最后Shockley得到了本人運(yùn)營(yíng)獨(dú)立的公司的時(shí)機(jī)，他說(shuō)創(chuàng)建的公司為：Shockley Semiconducto

7、r laboratory ; 雖然最后由于他的運(yùn)營(yíng)管理方式不恰當(dāng)而宣告失敗，但是他對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的奉獻(xiàn)是無(wú)法忽略的。在1959年的時(shí)候Shockley與兩位他之前的同事Bardeen and Brattain 共同獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng). Shockley的晚年只需是在Stanford university教書(shū)，之后在1989年死于prostate cancer。 Robert Noyce -同時(shí)也被稱作“the Mayor of Silicon Valley “他出生于1927年的 Burlington之后在麻省理工學(xué)院獲得了物理的博士學(xué)位. 一開(kāi)場(chǎng)他參與了Shockley的公司Shockley

8、 Semiconductor laboratory 的研討團(tuán)隊(duì)可是最后與稱作“traitorous eight (including: Julius Blank, Victor Grinich, Jean Hoerni, Eugene Kleiner, Jay Last, Gordon Moore, Robert Noyce, Sheldon Roberts) 的八位科學(xué)家離一同分開(kāi)了Shockley Semiconductor laboratory。這八位科學(xué)家想要分開(kāi) Shockley由于他們于法認(rèn)同他的運(yùn)營(yíng)管理方式，最主要的是無(wú)法贊同他對(duì)于研討該如何開(kāi)展的態(tài)度，Shockley 會(huì)單純以

9、他心中的等待去引導(dǎo)研討進(jìn)展的方向而不是讓客觀時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)實(shí)來(lái)推進(jìn)研討的方向。一開(kāi)場(chǎng)這八位科學(xué)家本來(lái)想要找人來(lái)取代Shockley的位置，可是并沒(méi)有如他們所期望的勝利; 所以他們最后決議與Fairchild Camera and Instrument Corporation 簽署研討合約也就創(chuàng)建了Fairchild 的子公司Fairchild Semiconductor. Fairchild semiconductor日后成為了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中最重要的公司之一，對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也呵斥的極大的沖擊; 另外一間影響艱苦的半導(dǎo)體公司為德州儀器. Noyce在Fairchild的期間，他們發(fā)明了集成電路

10、IC(由許多晶體管刻蝕在同一片硅晶圓上)。在1968年Nayce 分開(kāi)了Fairchild semiconductor并且和同事Gordon E. Moore 共同組成了日后對(duì)于計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)影響最大的Intel， 當(dāng)Noyce 在Intel時(shí)，他看出了當(dāng)時(shí)Ted Hoffs對(duì)于微處置器的發(fā)明與發(fā)現(xiàn)所具有的潛力。. Noyce親眼看見(jiàn)Shockley的失敗,也學(xué)到了要如何使一個(gè)企業(yè)順利的運(yùn)作與開(kāi)展。他會(huì)給予他年輕的出色職員充分的開(kāi)展空間與氣氛，給予他們自在開(kāi)展的時(shí)機(jī)。Noyce的運(yùn)營(yíng)管理方式對(duì)于當(dāng)時(shí)的硅谷任務(wù)方式呵斥很大的影響。 為了留念Noyce對(duì)于版到體的奉獻(xiàn)，Intel總部的大樓以他的光彩命

11、名：The Robert Noyce Building.。Noyce 由于他對(duì)于硅集成電路的奉獻(xiàn)在1978年獲得了“the IEEE Medal of Honor in 之后他在1990病逝。 上的公功用。之后由他的兩位同事Bardeen and Brattain改良;他們發(fā)現(xiàn)電子會(huì)在晶體外表構(gòu)成一個(gè)障壁，這個(gè)障壁很有能夠就是Shockley的模型無(wú)法運(yùn)作的主要緣由。 他們運(yùn)用一條一條的金薄片纏在一塊三角形的塑料片 再死一三角形的塑料片與germanium接觸,這個(gè)實(shí)驗(yàn)相當(dāng)勝利，這也是最原始的point-contact transistor.之后Shockley利用了他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為雛型，努力

12、的研發(fā)了兩年左右，發(fā)明出了比較適用、比較好制造的junction transistor 。雖然Shockley自行研發(fā)的舉動(dòng)呵斥了他們團(tuán)隊(duì)的解散，但也同時(shí)帶著了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)入一個(gè)新的世代。相對(duì)于今日高度開(kāi)展的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，1950年代所制造的半導(dǎo)體可以到達(dá)的效能相當(dāng)有限。.呵斥這項(xiàng)限制的主要緣由是早期的germanium transistor所能接受的電流相當(dāng)?shù)汀?很挖苦的，那個(gè)時(shí)代推進(jìn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)開(kāi)展的卻是第二次世界大戰(zhàn)，美國(guó)政府對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)相當(dāng)感興趣， 主要是希望可以尋覓到可以協(xié)助 戰(zhàn)爭(zhēng)的科技,之后國(guó)家政府全力支持辦導(dǎo)體的開(kāi)展; 有文獻(xiàn)紀(jì)錄的最早為了軍事大量消費(fèi)半導(dǎo)體的方案是1956年的“P

13、olaris missile program由美國(guó)海軍資助。這項(xiàng)方案的主要目的是研發(fā)可以安裝在飛彈朱的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，自動(dòng)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)是在MIT Instrumentation Laboratory進(jìn)展研發(fā)當(dāng)時(shí)用量最高的半導(dǎo)體是由德州儀器所提供的R212型號(hào)半導(dǎo)體 之后在1950年代中葉硅的單晶體被制造出來(lái)，使得Ge的運(yùn)用漸漸地被硅取代。Ge的氧化物會(huì)容于水，使得要維護(hù)Ge半導(dǎo)體的外表更為困難，同時(shí)也有能夠呵斥系統(tǒng)漏電。.另外一方面硅的氧化物 S 相對(duì)來(lái)說(shuō)穩(wěn)定了許多，它不溶于水而且也是絕緣體。在1959年德州儀器開(kāi)場(chǎng)商業(yè)化的消費(fèi)。硅晶體管的制造方式為：將熔融形狀含有雜質(zhì)的硅長(zhǎng)成硅晶體再切割成為長(zhǎng)方

14、形的。 隨著集成電路的發(fā)明, planar technology不久之后也由于瑞士的物理學(xué)家 Jean Hoerni 開(kāi)展出由硅組成的n和p junction 的構(gòu)造.在junction之間有一層薄薄的 S 當(dāng)作絕緣體。在S 層上面有可以銜接junction的洞。接下來(lái)使金屬揮發(fā)覆蓋到硅junction上，可以調(diào)整不同的規(guī)律并且利用S 上的洞和相銜接構(gòu)成復(fù)雜的電路。planer technology 是今日許多復(fù)雜電路的根底。 1960年代開(kāi)場(chǎng)有硅芯片(wafers)的出現(xiàn)。1970 Intel開(kāi)場(chǎng)將微處置器的觀念漸漸的實(shí)現(xiàn). Intel 開(kāi)展出一種稱為 “silicon gate proce

15、ss 使得他們可以消費(fèi)更為復(fù)雜的電路。 1980到1990年代個(gè)人計(jì)算機(jī)的觀念開(kāi)場(chǎng)風(fēng)行。 主要的緣由是由于Intel 所研發(fā)的 Pentium 處置器. 到了1990年代中葉發(fā)光二極管勝利的研發(fā)出來(lái)。.直到最近2000年代，我們生活在以硅晶體為根底的世界，同時(shí)看著硅晶體科技繼續(xù)的快速開(kāi)展。 HYPERLINK elecfans/article/102/103/2021/2021030627512.html elecfans/article/102/103/2021/2021030627512.html半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)實(shí)踐上可以追溯到很久以前， 1833年，英國(guó)巴拉迪最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的變

16、化情況不同于普通金屬，普通情況下，金屬的電阻隨溫度升高而添加，但巴拉迪發(fā)現(xiàn)硫化銀資料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導(dǎo)表達(dá)象的初次發(fā)現(xiàn)。不久， 1839年法國(guó)的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸構(gòu)成的結(jié)，在光照下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，這就是后來(lái)人們熟知的光生伏特效應(yīng)，這是被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個(gè)特征。 在1874年，德國(guó)的布勞恩察看到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場(chǎng)的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性，在它兩端加一個(gè)正向電壓，它是導(dǎo)通的；假設(shè)把電壓極性反過(guò)來(lái)，它就不導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)，也是半導(dǎo)體所特有的第三種特性。同年，舒斯特又發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應(yīng)。1873年，英國(guó)的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體資料在光照下電

17、導(dǎo)添加的光電導(dǎo)效應(yīng)，這是半導(dǎo)體又一個(gè)特有的性質(zhì)。 半導(dǎo)體的這四個(gè)效應(yīng)，(jianxia霍爾效應(yīng)的余績(jī)四個(gè)伴生效應(yīng)的發(fā)現(xiàn))雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，但半導(dǎo)體這個(gè)名詞大約到1911年才被考尼白格和維斯初次運(yùn)用。而總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個(gè)特性不斷到1947年12月才由貝爾實(shí)驗(yàn)室完成。很多人會(huì)疑問(wèn)，為什么半導(dǎo)體被認(rèn)可需求這么多年呢？主要緣由是當(dāng)時(shí)的資料不純。沒(méi)有好的資料，很多與資料相關(guān)的問(wèn)題就難以說(shuō)清楚。半導(dǎo)體于室溫時(shí)電導(dǎo)率約在101010000/cm之間，純真的半導(dǎo)體溫度升高時(shí)電導(dǎo)率按指數(shù)上升。半導(dǎo)體資料有很多種，按化學(xué)成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類。除上述晶態(tài)半導(dǎo)體外，還有非晶態(tài)的有

18、機(jī)物半導(dǎo)體等和本征半導(dǎo)體。semi.ac/kxcb/kpwz/202106/t20210619_2286784.html1947年12月23日第一塊晶體管在貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生，從此人類步入了飛速開(kāi)展的電子時(shí)代。在晶體管技術(shù)日新月異的60年里，有太多的技術(shù)發(fā)明與突破，也有太多為之作出重要奉獻(xiàn)的人，更有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)分分合合、聚聚散散的恩怨情仇，當(dāng)然其中還記載了眾多半導(dǎo)體公司的浮浮沉沉。John Bardeen(左)，William Shockley(坐)和Walter Brattain共同發(fā)明了晶體管1959年初次將集成電路技術(shù)推向商用化的飛兆半導(dǎo)體公司，也是曾經(jīng)孵化出包括英特爾、AMD、美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體

19、、LSI Logic、VLSI Technology、Intersil、Altera和Xilinx等等業(yè)界眾多巨擘的飛兆半導(dǎo)體，如今已成為專注于功率和能效的公司；曾經(jīng)在上世紀(jì)80年代中延續(xù)多年位居半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)榜首的NEC，在90年代中跌出前10后，再也沒(méi)有東山再起；更有與發(fā)明第一塊晶體管的貝爾實(shí)驗(yàn)室有著直系血緣的杰爾(Agere)，經(jīng)過(guò)多次變賣，被“四分五裂找不到蹤跡。世上沒(méi)有常勝的將軍。曾經(jīng)的呼風(fēng)喚雨，并不代表能成為永久的霸主。當(dāng)我們用歷史的眼觀來(lái)看今天的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，我們有什么啟示呢？全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在東移，以臺(tái)積電為首的晶圓代工將成為全球半導(dǎo)體工藝與產(chǎn)能雙雙領(lǐng)先的公司；傳統(tǒng)的IDM廠商都向輕

20、資廠轉(zhuǎn)變，65nm已鮮有IDM跟蹤，至45nm時(shí)除了memory廠商外，僅剩英特爾一家了；AMD在2021年將芯片制造部分剝離出來(lái)也闡明了這一點(diǎn)。私募基金正在加速半導(dǎo)體業(yè)的整合，未來(lái)每個(gè)產(chǎn)業(yè)僅有前五名是可以生存的；PC在主導(dǎo)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)10多年后，正讓位于消費(fèi)電子，英特爾還能守住霸主位置多久？以臺(tái)灣聯(lián)發(fā)科為代表的新一代IC公司的崛起，使得眾多歐美大廠不再隨便放棄低利潤(rùn)行業(yè)，未來(lái)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)會(huì)逐漸成為一個(gè)成熟的產(chǎn)業(yè)，一個(gè)微利的產(chǎn)業(yè)。回想過(guò)去60年，哪些人是我們必需記住的？哪些艱苦事件對(duì)業(yè)界影響最大？john27.spaces.eaw/articles/article/item/17501947年，

21、美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了半導(dǎo)體點(diǎn)接觸式晶體管，從而開(kāi)創(chuàng)了人類的硅文明時(shí)代。 1956年，我國(guó)提出“向科學(xué)進(jìn)軍，根據(jù)國(guó)外開(kāi)展電子器件的進(jìn)程，提出了中國(guó)也要研討半導(dǎo)體科學(xué)，把半導(dǎo)體技術(shù)列為國(guó)家四大緊急措施之一。中國(guó)科學(xué)院運(yùn)用物理所首先舉行了半導(dǎo)體器件短期培訓(xùn)班。請(qǐng)回國(guó)的半導(dǎo)體專家黃昆、吳錫九、黃敞、林蘭英、王守武、成眾志等講授半導(dǎo)體實(shí)際、晶體控制造技術(shù)和半導(dǎo)體線路。在五所大學(xué)北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、吉林大學(xué)、廈門大學(xué)和南京大學(xué)結(jié)合在北京大學(xué)興辦了半導(dǎo)體物理專業(yè)，共同培育第一批半導(dǎo)體人才。培育出了第一批著名的教授：北京大學(xué)的黃昆、復(fù)旦大學(xué)的謝希德、吉林大學(xué)的高鼎三。1957年畢業(yè)的第一批研討生中有中國(guó)科學(xué)院

22、院士王陽(yáng)元北京大學(xué)微電子所所長(zhǎng)、工程院院士許居衍華晶集團(tuán)中央研討院院長(zhǎng)和電子工業(yè)部總工程師俞忠鈺北方華虹設(shè)計(jì)公司董事長(zhǎng)。 1957年，北京電子管廠經(jīng)過(guò)復(fù)原氧化鍺，拉出了鍺單晶。中國(guó)科學(xué)院運(yùn)用物理研討所和二機(jī)部十局第十一所開(kāi)發(fā)鍺晶體管。當(dāng)年，中國(guó)相繼研制出鍺點(diǎn)接觸二極管和三極管即晶體管。 1958年，美國(guó)德州儀器公司和仙童公司各自研制發(fā)明了半導(dǎo)體集成電路IC之后，開(kāi)展極為迅猛，從SSI小規(guī)模集成電路起步，經(jīng)過(guò)MSI中規(guī)模集成電路，開(kāi)展到LSI大規(guī)模集成電路，然后開(kāi)展到如今的VLSI超大規(guī)模集成電路及最近的ULSI特大規(guī)模集成電路，甚至開(kāi)展到未來(lái)的GSI甚大規(guī)模集成電路，屆時(shí)單片集成電路集成度將超越10億個(gè)元件。 1959年，天津拉制出硅Si單晶。 1960年，中科院在北京建立半導(dǎo)體研討所，同年在河北建立工業(yè)性專業(yè)化研討所第十三所河北半導(dǎo)體研討所。