半導(dǎo)體的發(fā)展與歷史

半導(dǎo)體的歷史2.1Thelifebeforesemiconductor在沒有半導(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即使在我們?nèi)粘Ｉ钪胁灰妆晃覀儼l(fā)現(xiàn),但是他們很明確的隱藏在我們的生活周遭:幾乎全部我們使用的電子有關(guān)產(chǎn)品,計(jì)算機(jī)有關(guān)組件里都有這些半導(dǎo)體的存在。因此如果我們生活中缺少了這些小東西，能夠說是非常的不方便，經(jīng)濟(jì)發(fā)展也一定受到影響。在1950年代貝爾實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)展出最原始的半導(dǎo)體之前當(dāng)時(shí)的電子設(shè)備猶如：收音機(jī)或是某些影像有關(guān)的電子儀器都是使用一種叫做真空管的零件在控制系統(tǒng)中的電子.這些使用真空管的電子儀器成為了后來在地二次世界大戰(zhàn)中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，也完全變化了歷史的發(fā)展。.真空管也被使用在早期的計(jì)算機(jī)之中，并且就算到了近來半導(dǎo)體高度發(fā)展的社會(huì)之中，真空管還使有備使用在電視還highpowerradiofrequencytransmitters之中。2.2Innovationbegins在第二次世界大戰(zhàn)剛結(jié)束很快的1947年三位貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家的研究使得世界上第一種bipolartransistors問世,帶領(lǐng)了人類邁向電子儀器尚有產(chǎn)品的新紀(jì)元。這三位科學(xué)家分別是:JackS.Kilby,WilliamShockleyandRobertNoyce.JackS.Kilby生于19于美國Kansas洲,他的父親是一位amateurradiooperator也由于他父親的工作性質(zhì)使得年輕的jack對于電子有關(guān)的領(lǐng)域產(chǎn)生了濃厚的愛好.之后隨著他的愛好發(fā)展，他就讀于UniversityofIllinois并且在1947年畢業(yè),之后在1958年進(jìn)入了德州儀器工作。當(dāng)他在德州儀器就義的期間他解決了一種叫做“tyrannyofnumbers”的問題，他運(yùn)用一小塊germanium并在接上示波器,按了一種開關(guān),成果示波器上面顯示了持續(xù)的sin的波,這證明了他的集成電路是確實(shí)在運(yùn)作的，也同時(shí)表達(dá)他解決了這個(gè)問題。他的第一項(xiàng)專利是“SolidCircuitmadeofGermanium”。順代一題眾所皆知的可攜帶式的電子計(jì)算器尚有thermalprinter都是他60幾項(xiàng)的專利之一。.在1970到1980年代中葉Jack在TexasA&MUniversity的電機(jī)工程系教書,。很快之后他就離開了德州儀器.他在的時(shí)候榮獲了科學(xué)界最高的榮耀---諾貝爾對于他所發(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。WilliamShockley生于19的倫敦，他即使在英國出生可是他的父母都是美國人，之后他大部分的童年都在美國California渡過;他在1936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)室工作，可是到了第二次世界大戰(zhàn)期間他必續(xù)介入Radio有關(guān)的研究而離開了貝爾實(shí)驗(yàn)室到了ColumbiaUniversity'sAnti-SubmarineWarfareOperationsGroup,他到了ColumbiaUniversity的重要目的是為了改善某些針對潛水挺的有關(guān)戰(zhàn)略的技術(shù)，例如:improvedconvoyingtechniquesandoptimizingdepthchargepatterns.當(dāng)?shù)诙问澜绱髴?zhàn)過后Shockley回到了貝爾實(shí)驗(yàn)室?guī)ьI(lǐng)了一種新構(gòu)成的團(tuán)體:solidstatephysicsgroup，這個(gè)團(tuán)體的重要目的是要尋找能夠替代易碎的真空管訊號加強(qiáng)器的固態(tài)替代品。通過了長久的努力與無多次的實(shí)驗(yàn)、嘗試與失敗，Shockley最后的建議是要放一小滴的gu在P-Njunction上.之后在1947年的十二月以之前的建議為基礎(chǔ)發(fā)明出了同樣能夠和真空管同樣達(dá)成訊號放大的效果的point-contacttransistor。Shockley發(fā)表此一發(fā)明之后的一種月，貝爾實(shí)驗(yàn)室的專利組開始為這項(xiàng)創(chuàng)新的發(fā)現(xiàn)申請專利。最后Shockley得到了自己經(jīng)營獨(dú)立的公司的機(jī)會(huì)，他說創(chuàng)立的公司為：ShockleySemiconductorlaboratory;即使最后由于他的經(jīng)營管理方式不恰當(dāng)而宣布失敗，但是他對于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的奉獻(xiàn)是無法無視的。在1959年的時(shí)候Shockley與兩位他之前的同事BardeenandBrattain共同獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng).Shockley的晚年只要是在Stanforduniversity教書，之后在1989年死于prostatecancer。RobertNoyce---同時(shí)也被稱作“theMayorofSiliconValley“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.一開始他加入了Shockley的公司ShockleySemiconductorlaboratory的研究團(tuán)體可是最后與稱作“traitorouseight”(including:JuliusBlank,VictorGrinich,JeanHoerni,EugeneKleiner,JayLast,GordonMoore,RobertNoyce,SheldonRoberts)的八位科學(xué)家離一起離開了ShockleySemiconductorlaboratory。這八位科學(xué)家想要離開Shockley由于他們于法認(rèn)同他的經(jīng)營管理模式，最重要的是無法同意他對于研究該如何發(fā)展的態(tài)度，Shockley會(huì)單純以他心中的期待去引導(dǎo)研究進(jìn)行的方向而不是讓客觀時(shí)實(shí)驗(yàn)成果與實(shí)驗(yàn)事實(shí)來推動(dòng)研究的方向。一開始這八位科學(xué)家原來想要找人來取代Shockley的位置，可是并沒有如他們所盼望的成功;因此他們最后決定與FairchildCameraandInstrumentCorporation訂立研究合約也就創(chuàng)立了Fairchild的子公司FairchildSemiconductor.Fairchildsemiconductor后來成為了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中最重要的公司之一，對于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也造成的極大的沖擊;另外一間影響重大的半導(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IC(由許多晶體管刻蝕在同一片硅晶圓上)。在1968年Nayce離開了Fairchildsemiconductor并且和同事GordonE.Moore共同構(gòu)成了后來對于計(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)TedHoff's對于微解決器的發(fā)明與發(fā)現(xiàn)所含有的潛力。.Noyce親眼看見Shockley的失敗,也學(xué)到了要如何使一種公司順利的運(yùn)作與發(fā)展。他會(huì)予以他年輕的杰出職工充足的發(fā)展空間與氛圍，予以他們自由發(fā)展的機(jī)會(huì)。Noyce的經(jīng)營管理方式對于當(dāng)時(shí)的硅谷工作方式造成很大的影響。為了紀(jì)念Noyce對于版到體的奉獻(xiàn)，Intel總部的大樓以他的榮耀命名：TheRobertNoyceBuilding.。Noyce由于他對于硅集成電路的奉獻(xiàn)在1978年獲得了“theIEEEMedalofHonorin"之后他在1990病逝。上的公功用。之后由他的兩位同事BardeenandBrattain改善;他們發(fā)現(xiàn)電子會(huì)在晶體表面形成一種障壁，這個(gè)障壁很有可能就是Shockley的模型無法運(yùn)作的重要因素。他們使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)相稱成功，這也是最原始的point-contacttransistor.之后Shockley運(yùn)用了他們的實(shí)驗(yàn)成果為雛型，努力的研發(fā)了兩年左右，發(fā)明出了比較實(shí)用、比較好制造的junctiontransistor。即使Shockley自行研發(fā)的舉動(dòng)造成了他們團(tuán)體的解散，但也同時(shí)帶領(lǐng)了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)入一種新的世代。相對于今天高度發(fā)展的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，1950年代所制造的半導(dǎo)體能夠達(dá)成的效能相稱有限。.造成這項(xiàng)限制的重要因素是早期的germaniumtransistor所能承受的電流相稱低。很挖苦的，那個(gè)時(shí)代推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的卻是第二次世界大戰(zhàn)，美國政府對于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)相稱感愛好，重要是但愿能夠?qū)ふ业侥軌騾f(xié)助戰(zhàn)爭的科技,之后國家政府全力支持辦導(dǎo)體的發(fā)展;有文獻(xiàn)紀(jì)錄的最早為了軍事大量生產(chǎn)半導(dǎo)體的計(jì)劃是1956年的“Polarismissileprogram”由美國海軍贊助。這項(xiàng)計(jì)劃的重要目的是研發(fā)能夠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MITInstrumentationLaboratory進(jìn)行研發(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型號半導(dǎo)體之后在1950年代中葉硅的單晶體被制造出來，使得Ge的使用慢慢地被硅取代。Ge的氧化物會(huì)容于水，使得要保護(hù)Ge半導(dǎo)體的表面更為困難，同時(shí)也有可能造成系統(tǒng)漏電。.另外首先硅的氧化物S相對來說穩(wěn)定了許多，它不溶于水并且也是絕緣體。在1959年德州儀器開始商業(yè)化的生產(chǎn)。硅晶體管的制造方式為：將熔融狀態(tài)（含有雜質(zhì)）的硅長成硅晶體再切割成為長方形的。隨著集成電路的發(fā)明,planartechnology很快之后也由于瑞士的物理學(xué)家JeanHoerni發(fā)展出由硅構(gòu)成的n和pjunction的構(gòu)造.在junction之間有一層薄薄的S當(dāng)作絕緣體。在S層上面有能夠連接junction的洞。接下來使金屬揮發(fā)覆蓋到硅junction上，能夠調(diào)節(jié)不同的規(guī)律并且運(yùn)用S上的洞和相連接形成復(fù)雜的電路。planertechnology是今天許多復(fù)雜電路的基礎(chǔ)。1960年代開始有硅芯片(wafers)的出現(xiàn)。1970Intel開始將微解決器的觀念慢慢的實(shí)現(xiàn).Intel發(fā)展出一種稱為“silicongateprocess”使得他們能夠生產(chǎn)更為復(fù)雜的電路。1980到1990年代個(gè)人計(jì)算機(jī)的觀念開始風(fēng)靡。重要的因素是由于Intel所研發(fā)的Pentium解決器.到了1990年代中葉發(fā)光二極管成功的研發(fā)出來。.直到近來代，我們生活在以硅晶體為基礎(chǔ)的世界，同時(shí)看著硅晶體科技持續(xù)的快速發(fā)展。——HYPERLINK半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)事實(shí)上能夠追溯到很久以前，1833年，英國巴拉迪最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的變化狀況不同于普通金屬，普通狀況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但巴拉迪發(fā)現(xiàn)硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而減少。這是半導(dǎo)體現(xiàn)象的初次發(fā)現(xiàn)。很快，1839年法國的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照下會(huì)產(chǎn)生一種電壓，這就是后來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)特性。在1874年，德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性，在它兩端加一種正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過來，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，英國的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導(dǎo)增加的光電導(dǎo)效應(yīng)，這是半導(dǎo)體又一種特有的性質(zhì)。半導(dǎo)體的這四個(gè)效應(yīng)，(jianxia霍爾效應(yīng)的余績──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)名詞大概到19才被考尼白格和維斯初次使用。而總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個(gè)特性始終到1947年12月才由貝爾實(shí)驗(yàn)室完畢。諸多人會(huì)疑問，為什么半導(dǎo)體被承認(rèn)需要這樣數(shù)年呢？重要因素是當(dāng)時(shí)的材料不純。沒有好的材料，諸多與材料有關(guān)的問題就難以說清晰。半導(dǎo)體于室溫時(shí)電導(dǎo)率約在10ˉ10～10000/Ω·cm之間，純凈的半導(dǎo)體溫度升高時(shí)電導(dǎo)率按指數(shù)上升。半導(dǎo)體材料有諸多個(gè)，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，尚有非晶態(tài)的有機(jī)物半導(dǎo)體等和本征半導(dǎo)體?！?947年12月JohnBardeen(左)，WilliamShockley(坐)和WalterBrattain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)孵化出涉及英特爾、AMD、美國國家半導(dǎo)體、LSILogic、VLSITechnology、Intersil、Altera和Xilinx等等業(yè)界眾多巨擘的飛兆半導(dǎo)體，現(xiàn)在已成為專注于功率和能效的公司；曾經(jīng)在上世紀(jì)80年代中持續(xù)數(shù)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)，通過多次變賣，被“四分五裂”找不到蹤跡。世上沒有常勝的將軍。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在將芯片制造部分剝離出來也闡明了這一點(diǎn)。私募基金正在加速半導(dǎo)體業(yè)的整合，將來每個(gè)產(chǎn)業(yè)僅有前五名是能夠生存的；PC在主導(dǎo)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)10數(shù)年后，正讓位于消費(fèi)電子，英特爾還能守住霸主地位多久？以臺灣聯(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容易放棄低利潤行業(yè)，將來的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)會(huì)逐步成為一種成熟的產(chǎn)業(yè)，一種微利的產(chǎn)業(yè)?；叵脒^去60年，哪些人是我們必須記住的？哪些重大事件對業(yè)界影響最大？——1947年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了半導(dǎo)體點(diǎn)接觸式晶體管，從而開創(chuàng)了人類的硅文明時(shí)代。1956年，我國提出“向科學(xué)進(jìn)軍”，根據(jù)國外發(fā)展電子器件的進(jìn)程，提出了中國也要研究半導(dǎo)體科學(xué)，把半導(dǎo)體技術(shù)列為國家四大緊急方法之一。中國科學(xué)院應(yīng)用物理所首先舉辦了半導(dǎo)體器件短期培訓(xùn)班。請回國的半導(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)體理論、晶體管制造技術(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)聯(lián)合在北京大學(xué)開辦了半導(dǎo)體物理專業(yè)，共同培養(yǎng)第一批半導(dǎo)體人才。培養(yǎng)出了第一批著名的專家：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)的第一批碩士中有中國科學(xué)院院士王陽元（北京大學(xué)微電子所所長）、工程院院士許居衍（華晶集團(tuán)中央研究院院長）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）。1957年，北京電子管廠通過還原氧化鍺，拉出了鍺單晶。中國科學(xué)院應(yīng)用物理研究所和二機(jī)部十局第十一所開發(fā)鍺晶體管。當(dāng)年，中國相繼研制出鍺點(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，發(fā)展極為迅猛，從SSI（小規(guī)模集成電路）起步，通過MSI（中規(guī)模集成電路），發(fā)展到LSI（大規(guī)模集成電路），然后發(fā)展到現(xiàn)在的VLSI（超大規(guī)模集成電路）及近來的ULSI（特大規(guī)模集成電路），甚至發(fā)展到將來的GSI（甚大規(guī)模集成電路），屆時(shí)單片集成電路集成度將超出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)體研究所，同年在河北建立工業(yè)性專業(yè)化研究所――第十三所（河北半導(dǎo)體研究所）。1962年，天津拉制出砷化鎵單晶（GaAs），為