半导体发展简史

篇名

半導體產業

作者

李鎮宇。市立三民高中。二年六班張傑浩。市立三民高中。二年六班張碩文。市立三民高中。二年六班

壹●前言

自從有人類以來，已經過了上百萬年的歲月。社會的進步可以用當時人類使用的器物來代表，從遠古的石器時代、到銅器，再進步到鐵器時代。現今，以矽為原料的電子元件產值，則超過了以鋼為原料的產值，人類的歷史因而正式進入了一個新的時代，也就是矽的時代。矽所代表的正是半導體元件，包括記憶元件、微處理機、邏輯元件、光電元件與偵測器等等在內，舉凡電視、電話、電腦、電冰箱、汽車，這些半導體元件無時無刻都在為我們服務。

矽是地殼中最常見的元素，許多石頭的主要成分都是二氧化矽，然而，經過數百道製程做出的積體電路，其價值可達上萬美金；把石頭變成矽晶片的過程是一項點石成金的成就，也是近代科學的奇蹟！

在日本，有人把半導體比喻為工業社會的稻米，是近代社會一日不可或缺的。在國防上，惟有紮實的電子工業基礎，才有強大的國防能力，1991年的波斯灣戰爭中，美國已經把新一代電子武器發揮得淋漓盡致。從1970年代以來，美國與日本間發生多次貿易摩擦，但最後在許多項目美國都妥協了，但是為了半導體，雙方均不肯輕易讓步，最後兩國政府慎重其事地簽訂了協議，足證對此事的重視程度，這是因為半導體工業發展的成敗，關係著國家的命脈，不可不慎。在台灣，半導體工業是新竹科學園區的主要支柱，半導體公司也是最賺錢的企業，台灣如果要成為明日的科技矽島，半導體工業是我們必經的途徑。

貳●正文

半導體的定義與製造流程

所謂的半導體，是指在某些情況下，能夠導通電流，而在某些條件下，又具有絕緣體效用的物質；而至於所謂的IC，則是指在一半導體基板上，利用氧化、蝕刻、擴散等方法，將眾多電子電路組成各式二極體、電晶體等電子元件，作在一微小面積上，以完成某一特定邏輯功能（例如：AND、OR、NAND等），進而達成預先設定好的電路功能。隨著技術的進步，在一單一晶片聚集佰萬顆以上電晶體的IC，已非難事。

一般而言，一顆IC的完成，通常先後需經過電路設計、光罩製作、晶片製造、晶片封裝和測試檢查等步驟。

IC的上市，挾其輕、薄、短、小、省電、多功能、低成本等特長，席捲大半的半導體市場，成為半導體的主流產品。若按其製程技術來區分，可大略分為Bipolar 和MOS ( Metal Oxide Silicon )二大類。其中Bipolar製程技術發展較早，但集積度

較低且較耗電，除少數特定用途需較快工作速度和耐較高電壓的場合外；MOS製程的產品已攻佔了絕大多數的應用市場。

二、半導體的起源與電晶體的發明

在二十世紀的近代科學，特別是量子力學發展知道金屬材料擁有良好的導電與導熱特性，而陶瓷材料則否，性質出來之前，人們對於四周物體的認識仍然屬於較為巨觀的瞭解，那時已經介於這兩者之間的，就是半導體材料。

英國科學家法拉第(Michael Faraday，1791~1867)，在電磁學方面擁有許多貢獻，但較不為人所知的，則是他在1833年發現的其中一種半導體材料：硫化銀，因為它的電阻隨著溫度上升而降低，當時只覺得這件事有些奇特，並沒有激起太大的火花；然而，今天我們已經知道，隨著溫度的提升，晶格震動越厲害，使得電阻增加，但對半導體而言，溫度上升使自由載子的濃度增加，反而有助於導電，這也是半導體一個非常重要的物理性質。

1874年，德國的布勞恩(Ferdinand Braun，1850~1918)，注意到硫化物的電導率與所加電壓的方向有關，這就是半導體的整流作用。但直到1906年，美國電機發明家匹卡(G. W. Pickard，1877~1956)，才發明了第一個固態電子元件：無線電波偵測器(cat’s whisker)，它使用金屬與矽或硫化鉛相接觸所產生的整流功能，來偵測無線電波。在整流理論方面，德國的蕭特基(Walter Schottky，1886~1976)在1939年，於「德國物理學報」發表了一篇有關整流理論的重要論文，做了許多推論，他認為金屬與半導體間有能障(potential barrier)的存在，其主要貢獻就在於精確計算出這個能障的形狀與寬度。至於現在為大家所接受的整流理論，則是1942年，由索末菲(Arnold Sommerfeld，1868~1951)的學生貝特(Hans Bethe，1906~ )所發展出來，他提出的就是熱電子發射理論(thermionic emission)，這些具有較高能量的電子，可越過能障到達另一邊，其理論也與實驗結果較為符合。

在半導體領域中，與整流理論同等重要的，就是能帶理論。布洛赫(Felix Bloch，1905~1983)在這方面做出了重要的貢獻，其定理是將電子波函數加上了週期性的項，首開能帶理論的先河。另一方面，德國人佩爾斯(Rudolf Peierls，1907~ ) 於1929年，則指出一個幾乎完全填滿的能帶，其電特性可以用一些帶正電的電荷來解釋，這就是電洞概念的濫觴；他後來提出的微擾理論，解釋了能隙(Energy gap)存在。

早在1930與1940年代，使用半導體製作固態放大器的想法就持續不絕；第一個有實驗結果的放大器是1938年，由波歐(Robert Pohl，1884~1976)與赫希(Rudolf Hilsch)所做的，使用的是溴化鉀晶體與鎢絲做成的閘極，儘管其操作頻率只有一赫茲，並無實際用途，卻證明了類似真空管的固態三端子元件的實用性。

二次大戰後，美國的貝爾實驗室(Bell Lab)，決定要進行一個半導體方面的計畫，目標自然是想做出固態放大器，它們在1945年7月，成立了固態物理的研究部門，經理正是蕭克萊(William Shockley，1910~1989)與摩根(Stanley Morgan)。由於使用場效應(field effect)來改變電導的許多實驗都失敗了，巴丁(John Bardeen，

1908~1991)推定是因為半導體具有表面態(surface state)的關係，為了避開表面態的問題，1947年11月17日，巴丁與布萊登(Walter Brattain 1902~1987)在矽表面滴上水滴，用塗了蠟的鎢絲與矽接觸，再加上一伏特的電壓，發現流經接點的電流增加了！但若想得到足夠的功率放大，相鄰兩接觸點的距離要接近到千分之二英吋以下。12月16日，布萊登用一塊三角形塑膠，在塑膠角上貼上金箔，然後用刀片切開一條細縫，形成了兩個距離很近的電極，其中，加正電壓的稱為射極(emitter)，負電壓的稱為集極(collector)，塑膠下方接觸的鍺晶體就是基極(base)，構成第一個點接觸電晶體(point contact transistor)，1947年12月23日，他們更進一步使用點接觸電晶體製作出一個語音放大器，該日因而成為電晶體正式發明的重大日子。

另一方面，就在點接觸電晶體發明整整一個月後，蕭克萊想到使用p-n接面來製作接面電晶體(junction transistor) 的方法，在蕭克萊的構想中，使用半導體兩邊的n型層來取代點接觸電晶體的金屬針，藉由調節中間p型層的電壓，就能調控電子或電洞的流動，這是一種進步很多的電晶體，也稱為雙極型電晶體(bipolar transistor)，但以當時的技術，還無法實際製作出來。

電晶體的確是由於科學發明而創造出來的一個新元件，但是工業界在1950年代為了生產電晶體，卻碰到許多困難。1951年，西方電器公司（Western Electric）開始生產商用的鍺接點電晶體，1952年4月，西方電器、雷神(Raytheon)、美國無線電(RCA) 與奇異(GE)等公司，則生產出商用的雙極型電晶體。但直到1954年5月，第一顆以矽做成的電晶體才由美國德州儀器公司(Texas Instruments)開發成功；約在同時，利用氣體擴散來把雜質摻入半導體的技術也由貝爾實驗室與奇異公司研發出來；在1957年底，各界已製造出六百種以上不同形式的電晶體，使用於包括無線電、收音機、電子計算機甚至助聽器等等電子產品。

早期製造出來的電晶體均屬於高台式的結構。1958年，快捷半導體公司(Fairchild Semiconductor)發展出平面工藝技術(planar technology)，藉著氧化、黃光微影、蝕刻、金屬蒸鍍等技巧，可以很容易地在矽晶片的同一面製作半導體元件。1960年，磊晶(epitaxy)技術也由貝爾實驗室發展出來了。至此，半導體工業獲得了可以批次(batch)生產的能力，終於站穩腳步，開始快速成長。

三、半導體產業在整體經濟上的重要性

早期半導體產業多集中在日本、美國、西歐等地區發展，而亞洲地區一開始大多