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1、半导体的历史 2.1 The life before semiconductor 在没有半导体的存在之前,我们的生活会是如何的呢? 这些非常微小的集成电路芯片虽然在我们日常生活中不易被我们发现,不过他们很明确的隐藏在我们的生活周遭: 几乎所有我们使用的电子相关产品,计算机相关组件里都有这些半导体的存在。所以如果我们生活中缺少了这些小东西，可以说是非常的不方便，经济发展也一定受到影响。 在1950年代贝尔实验室研究发展出最原始的半导体之前当时的电子设备如同：收音机或是一些影像相关的电子仪器都是使用一种叫做真空管的零件在控制系统中的电子.这些使用真空管的电子仪器成为了日后在地二次世界大战中扮演了极
2、重要的角色的雷达、微波以及导航系统的基石，也完全改变了历史的发展。.真空管也被使用在早期的计算机之中，而且就算到了最近半导体高度发展的社会之中，真空管还使有备使用在电视还high power radio frequency transmitters之中。 2.2 Innovation begins 在第二次世界大战刚结束不久的1947年三位贝尔实验室的科学家的研究使得世界上第一个bipolar transistors 问世, 带领了人类迈向电子仪器还有产品的新纪元。 这三位科学家分别是: Jack S.Kilby, William Shockley and Robert Noyce. Jack
3、 S.Kilby 生于1923年于美国Kansas洲,他的父亲是一位amateur radio operator 也因为他父亲的工作性质使得年轻的jack 对于电子相关的领域产生了浓厚的兴趣. 之后随着他的兴趣发展，他就读于University of Illinois并且在1947年毕业,之后在1958年进入了德州仪器工作。当他在德州仪器就义的期间他解决了一个叫做 “tyranny of numbers”的问题， 他利用一小块germanium 并在接上示波器, 按了一个开关,结果示波器上面显示了连续的sin的波, 这证明了他的集成电路是确实在运作的，也同时表示他解决了这个问题。 他的第一项专
4、利是“Solid Circuit made of Germanium”。顺代一题众所皆知的可携带式的电子计算器还有thermal printer都是他60几项的专利之一。. 在1970到1980年代中叶 Jack 在Texas A&M University的电机工程系教书,。不久之后他就离开了德州仪器. 他在2000年的时候荣获了科学界最高的荣耀-诺贝尔对于他所发明的集成电路。五年之后这位伟大的科学家因为癌正而逝世于2005年。 William Shockley 生于1910年的伦敦，他虽然在英国出生可是他的父母都是美国人，之后他大部分的童年都在美国California渡过; 他在1936年在
5、麻省理工学院获得了他的博士学位。 在他获得了博士学位之后他就近入了贝尔实验室工作，可是到了第二次世界大战期间他必续介入Radio相关的研究而离开了贝尔实验室到了 Columbia Universitys Anti-Submarine Warfare Operations Group, 他到了Columbia University 的主要目的是为了改进一些针对潜水挺的相关战略的技术，例如: improved convoying techniques and optimizing depth charge patterns.当第二次世界大战过后Shockley回到了贝尔实验室带领了一个新组成的团队
6、: solid state physics group，这个团队的主要目标是要寻找可以替代易碎的真空管讯号加强器的固态替代品。经过了长久的努力与无数次的实验、尝试与失败， Shockley最后的建议是要放一小滴的 gu 在P-N junction上. 之后在1947年的十二月以之前的建议为基础创造出了同样可以和真空管一样达到讯号放大的效果的point-contact transistor。Shockley发表此一发明之后的一个月，贝尔实验室的专利组开始为这项创新的发现申请专利。 最后Shockley得到了自己经营独立的公司的机会，他说创立的公司为：Shockley Semiconductor
7、laboratory ; 虽然最后因为他的经营管理方式不恰当而宣告失败，但是他对于半导体产业的贡献是无法忽略的。在1959年的时候Shockley与两位他之前的同事Bardeen and Brattain 共同获得了诺贝尔物理奖. Shockley的晚年只要是在Stanford university教书，之后在1989年死于prostate cancer。 Robert Noyce -同时也被称作“the Mayor of Silicon Valley “他出生于1927年的 Burlington之后在麻省理工学院获得了物理的博士学位. 一开始他加入了Shockley的公司Shockley S
8、emiconductor laboratory 的研究团队可是最后与称作“traitorous eight” (including: Julius Blank, Victor Grinich, Jean Hoerni, Eugene Kleiner, Jay Last, Gordon Moore, Robert Noyce, Sheldon Roberts) 的八位科学家离一起离开了Shockley Semiconductor laboratory。这八位科学家想要离开 Shockley因为他们于法认同他的经营管理模式，最主要的是无法同意他对于研究该如何发展的态度，Shockley 会单纯以他
9、心中的期待去引导研究进行的方向而不是让客观时实验结果与实验事实来推动研究的方向。一开始这八位科学家本来想要找人来取代Shockley的位置，可是并没有如他们所期望的成功; 所以他们最后决定与Fairchild Camera and Instrument Corporation 签订研究合约也就创立了Fairchild 的子公司Fairchild Semiconductor. Fairchild semiconductor日后成为了半导体产业中最重要的公司之一，对于半导体产业也造成的极大的冲击; 另外一间影响重大的半导体公司为德州仪器. Noyce在Fairchild的期间，他们发明了集成电路I
10、C(由许多晶体管刻蚀在同一片硅晶圆上)。在1968年Nayce 离开了Fairchild semiconductor并且和同事Gordon E. Moore 共同组成了日后对于计算机产业影响最大的Intel， 当Noyce 在Intel时，他看出了当时Ted Hoffs对于微处理器的发明与发现所具有的潜力。. Noyce亲眼看见Shockley的失败,也学到了要如何使一个企业顺利的运作与发展。他会给予他年轻的杰出职员充分的发展空间与气氛，给予他们自由发展的机会。Noyce的经营管理方式对于当时的硅谷工作方式造成很大的影响。 为了纪念Noyce对于版到体的贡献，Intel总部的大楼以他的荣耀命名
11、：The Robert Noyce Building.。Noyce 因为他对于硅集成电路的贡献在1978年获得了“the IEEE Medal of Honor in 之后他在1990病逝。 上的公功用。之后由他的两位同事Bardeen and Brattain改进;他们发现电子会在晶体表面形成一个障壁，这个障壁很有可能就是Shockley的模型无法运作的主要原因。 他们使用一条一条的金薄片缠在一块三角形的塑料片 再死一三角形的塑料片与germanium接触,这个实验相当成功，这也是最原始的point-contact transistor.之后Shockley利用了他们的实验结果为雏型，努力的
12、研发了两年左右，创造出了比较实用、比较好制造的junction transistor 。虽然Shockley自行研发的举动造成了他们团队的解散，但也同时带领了半导体产业进入一个新的世代。相对于今日高度发展的半导体产业，1950年代所制造的半导体可以达到的效能相当有限。.造成这项限制的主要原因是早期的germanium transistor所能承受的电流相当低。 很讽刺的，那个时代推动半导体产业发展的却是第二次世界大战，美国政府对于半导体产业相当感兴趣， 主要是希望可以寻找到可以帮助战争的科技,之后国家政府全力支持办导体的发展; 有文献纪录的最早为了军事大量生产半导体的计划是1956年的“Pol
13、aris missile program”由美国海军赞助。这项计划的主要目的是研发可以安装在飞弹朱的自动导航系统，自动导航计算机是在MIT Instrumentation Laboratory进行研发当时用量最高的半导体是由德州仪器所提供的R212型号半导体 之后在1950年代中叶硅的单晶体被制造出来，使得Ge的使用慢慢地被硅取代。Ge的氧化物会容于水，使得要保护Ge半导体的表面更为困难，同时也有可能造成系统漏电。.另外一方面硅的氧化物 S 相对来说稳定了许多，它不溶于水而且也是绝缘体。在1959年德州仪器开始商业化的生产。硅晶体管的制造方式为：将熔融状态（含有杂质）的硅长成硅晶体再切割成为长
14、方形的。 随着集成电路的发明, planar technology不久之后也因为瑞士的物理学家 Jean Hoerni 发展出由硅组成的n和p junction 的结构.在junction之间有一层薄薄的 S 当作绝缘体。在S 层上面有可以连接junction的洞。接下来使金属挥发覆盖到硅junction上，可以调整不同的规律并且利用S 上的洞和相连接形成复杂的电路。planer technology 是今日许多复杂电路的基础。 1960年代开始有硅芯片(wafers)的出现。1970 Intel开始将微处理器的观念慢慢的实现. Intel 发展出一种称为 “silicon gate proc
15、ess” 使得他们可以生产更为复杂的电路。 1980到1990年代个人计算机的观念开始风行。 主要的原因是因为Intel 所研发的 Pentium 处理器. 到了1990年代中叶发光二极管成功的研发出来。.直到最近2000年代，我们生活在以硅晶体为基础的世界，同时看着硅晶体科技持续的快速发展。半导体的发现实际上可以追溯到很久以前， 1833年，英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。不久， 1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下
16、会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特征。 在1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第三种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。 半导体的这四个效应，(jianxia霍尔效应的余绩四个伴生效应的发现)虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用
17、。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。很多人会疑问，为什么半导体被认可需要这么多年呢？主要原因是当时的材料不纯。没有好的材料，很多与材料相关的问题就难以说清楚。半导体于室温时电导率约在101010000/cm之间，纯净的半导体温度升高时电导率按指数上升。半导体材料有很多种，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。除上述晶态半导体外，还有非晶态的有机物半导体等和本征半导体。1947年12月23日第一块晶体管在贝尔实验室诞生，从此人类步入了飞速发展的电子时代。在晶体管技术日新月异的60年里，有太多的技术发明与突破，也有太多为之作出重要贡献的人，更有半导体产业
18、分分合合、聚聚散散的恩怨情仇，当然其中还记载了众多半导体公司的浮浮沉沉。John Bardeen(左)，William Shockley(坐)和Walter Brattain共同发明了晶体管1959年首次将集成电路技术推向商用化的飞兆半导体公司，也是曾经孵化出包括英特尔、AMD、美国国家半导体、LSI Logic、VLSI Technology、Intersil、Altera和Xilinx等等业界众多巨擘的飞兆半导体，现在已成为专注于功率和能效的公司；曾经在上世纪80年代中连续多年位居半导体产业榜首的NEC，在90年代中跌出前10后，再也没有东山再起；更有与发明第一块晶体管的贝尔实验室有着直系
19、血缘的杰尔(Agere)，通过多次变卖，被“四分五裂”找不到踪迹。世上没有常胜的将军。曾经的呼风唤雨，并不代表能成为永久的霸主。当我们用历史的眼观来看今天的半导体产业，我们有什么启示呢？全球半导体产业正在东移，以台积电为首的晶圆代工将成为全球半导体工艺与产能双双领先的公司；传统的IDM厂商都向轻资厂转变，65nm已鲜有IDM跟踪，至45nm时除了memory厂商外，仅剩英特尔一家了；AMD在2008年将芯片制造部分剥离出来也说明了这一点。私募基金正在加速半导体业的整合，未来每个产业仅有前五名是可以生存的；PC在主导半导体产业10多年后，正让位于消费电子，英特尔还能守住霸主地位多久？以台湾联发科
20、为代表的新一代IC公司的崛起，使得众多欧美大厂不再轻易放弃低利润行业，未来的半导体产业会逐渐成为一个成熟的产业，一个微利的产业。回忆过去60年，哪些人是我们必须记住的？哪些重大事件对业界影响最大？1947年，美国贝尔实验室发明了半导体点接触式晶体管，从而开创了人类的硅文明时代。 1956年，我国提出“向科学进军”，根据国外发展电子器件的进程，提出了中国也要研究半导体科学，把半导体技术列为国家四大紧急措施之一。中国科学院应用物理所首先举办了半导体器件短期培训班。请回国的半导体专家黄昆、吴锡九、黄敞、林兰英、王守武、成众志等讲授半导体理论、晶体管制造技术和半导体线路。在五所大学北京大学、复旦大学、
21、吉林大学、厦门大学和南京大学联合在北京大学开办了半导体物理专业，共同培养第一批半导体人才。培养出了第一批著名的教授：北京大学的黄昆、复旦大学的谢希德、吉林大学的高鼎三。1957年毕业的第一批研究生中有中国科学院院士王阳元（北京大学微电子所所长）、工程院院士许居衍（华晶集团中央研究院院长）和电子工业部总工程师俞忠钰（北方华虹设计公司董事长）。 1957年，北京电子管厂通过还原氧化锗，拉出了锗单晶。中国科学院应用物理研究所和二机部十局第十一所开发锗晶体管。当年，中国相继研制出锗点接触二极管和三极管（即晶体管）。 1958年，美国德州仪器公司和仙童公司各自研制发明了半导体集成电路（IC）之后，发展极
22、为迅猛，从SSI（小规模集成电路）起步，经过MSI（中规模集成电路），发展到LSI（大规模集成电路），然后发展到现在的VLSI（超大规模集成电路）及最近的ULSI（特大规模集成电路），甚至发展到将来的GSI（甚大规模集成电路），届时单片集成电路集成度将超过10亿个元件。 1959年，天津拉制出硅（Si）单晶。 1960年，中科院在北京建立半导体研究所，同年在河北建立工业性专业化研究所第十三所（河北半导体研究所）。 1962年，天津拉制出砷化镓单晶（GaAs），为研究制备其他化合物半导体打下了基础。 1962年，我国研究制成硅外延工艺，并开始研究采用照相制版，光刻工艺。 1963年，河北省半导体
23、研究所制成硅平面型晶体管。 1964年，河北省半导体研究所研制出硅外延平面型晶体管。 1965年12月，河北半导体研究所召开鉴定会，鉴定了第一批半导体管，并在国内首先鉴定了DTL型（二极管晶体管逻辑）数字逻辑电路。1966年底，在工厂范围内上海元件五厂鉴定了TTL电路产品。这些小规模双极型数字集成电路主要以与非门为主，还有与非驱动器、与门、或非门、或门、以及与或非电路等。标志着中国已经制成了自己的小规模集成电路。 1968年，组建国营东光电工厂（878厂）、上海无线电十九厂，至1970年建成投产，形成中国IC产业中的“两霸”。 1968年，上海无线电十四厂首家制成PMOS（P型金属氧化物半导体
24、）电路（MOSIC）。拉开了我国发展MOS电路的序幕，并在七十年代初，永川半导体研究所（现电子第24所）、上无十四厂和北京878厂相继研制成功NMOS电路。之后，又研制成CMOS电路。 七十年代初，IC价高利厚，需求巨大，引起了全国建设IC生产企业的热潮，共有四十多家集成电路工厂建成，四机部所属厂有749厂（永红器材厂）、871（天光集成电路厂）、878（东光电工厂）、4433厂（风光电工厂）和4435厂（韶光电工厂）等。各省市所建厂主要有：上海元件五厂、上无七厂、上无十四厂、上无十九厂、苏州半导体厂、常州半导体厂、北京半导体器件二厂、三厂、五厂、六厂、天津半导体（一）厂、航天部西安691厂等等。 1972年，中国第一块PMOS型LSI电路在四川永川半导体研究所研制成功。
