集成电路的发展

集成电路发展历史以及趋势的探讨

前言

历史上第一个晶体管于60年前—1947年12月16日诞生于美国新泽西州的贝尔实验室(Bell Laboratories)。发明者威廉·肖克利(William Shockley)、约翰·巴丁(John Bardeen)和沃尔特·布拉顿(Walter Brattain)为此获得了1956年的诺贝尔物理学奖。

固态半导体(solid-state)的发明使得之后集成电路的发明成为可能。这一杰出成就为世界半导体产业的发展奠定了基础。之后的60年里，半导体技术的发展极大地提升了劳动生产力，促进了世界经济的发展，改善了人们的生活水平。

美国半导体协会(SIA)总裁乔治·斯卡利思(George Scalise)曾经说过：“60年前晶体管的发明为这个不断发展的世界带来了巨大的变革，这一历史性的里程碑式的发明，意义不容小觑。晶体管是无数电子产品的关键组成部分，而这些电子产品几乎对人类生活的各个方面都带来了革命性的变化。2007年，全世界的微电子行业为地球上每一个男人、女人和小孩各生产出9亿个晶体管—总计达6,000,000,000,000,000,000(六百亿亿)个, 产业销售额超过2570亿美元”。

回顾晶体管的发明和集成电路产业的发展历程, 我们可以看到，60年前晶体管的发明并非一个偶然事件，它是在世界一流的专业技术人才的努力下，在鼓励大胆创新的环境中，在政府的鼓励投资研发的政策支持下产生的。同时，我

们也可以看到集成电路产业从无到有并高速发展是整个业界相互合作和共同创新的结果。

1.１发现半导体技术

1833年，英国物理学家迈克尔·法拉第(Michael Faraday)在研究硫化银晶体的导电性时，发现了硫化银晶体的电导率随温度升高而增加这一“特别的现象”。这一特征正好与铜和其他金属的情况相反。迈克尔·法拉第(Michael Faraday)的这一发现使人们对半导体效应开始有了认识。1874年，德国物理学家费迪南·布劳恩(FerdinandBraun)在研究晶体和电解液的导电性质时发现电流仅能单方向通过金属探头和方铅晶体的接触点。费迪南·布劳恩(Ferdinand Braun)记录和描述了这一半导体二极管的“触点式整流效应”。基于这个发现，印度加尔各答大学总统学院物理学教授博斯爵士(Jagadis Chandra Bose)提出了把“半导体晶体整流器”用作探测无线电波的应用并申请了专利(1901年)。波兰出生的美国物理学家朱利叶(Julius Lilienfeld)在研究硫化铜半导体特性时，设想了一个三极半导体器件“场效应晶体管”，并在1926年提交了一项基于硫化铜半导体特性的三极放大器专利。在以后的几十年中，人们一直尝试着去制作这样的器件。半导体物理现象的发现，激发了人们对其理论上的研究。1931年，当时在德国做研究的英国剑桥大学物理学家艾伦·威尔逊(Alan Wilson)发表了用量子力学解释半导体基本特性的观点并出版了《半导体电子理论》。七年后，鲍里斯(Boris Davydov)(苏联)，莫特(Nevill Mott) (英国)和沃尔特(Walter Schottky) (德国)也独立地解释了半导体整流这一特性。

在20世纪30年代中期，美国贝尔实验室的电化学家拉塞尔(Russell Ohl)在研究用硅整流器件探测雷达信号时，发现硅整流器探测信号的能力随着硅晶体纯度的提高而增强. 并且，在1940年2月的一次实验中，拉塞尔(Russell Ohl)

在测试一块硅晶体的时候。惊奇地发现当硅晶体暴露在强光下电流会增大。在此发现的基础上拉塞尔(Russell Ohl)提出了p-n结的概念和硅的光电效应理论，这一发现带来了以后结型晶体管和太阳能电池的发展。

1.2“触点式”晶体管的发明

1945年初，威廉·肖克利(William Shockley)在美国贝尔实验室组织了一个固态物理研

究组。这个研究组除了从事其他研究之外，还开展试图用半导体替换不太坚固的真空管和应用于贝尔电话系统中的机电开关的研究。同年4月，威廉·肖克利(WilliamShockley)基于几年前开发的锗和硅技术构想了一个“场效应”放大器和开关，但实验

并不成功。一年后，理论物理学家约翰·巴丁(John Bardeen)指出半导体表面的电子可能会阻碍电场渗入材料，从而抵消了任何效应。约翰·巴丁(John Bardeen)与实验物理学家沃尔特·布拉顿(Walter Brattain)一起开始研究这些“表面态”的特性。1947年12月16日，他们的研究导致了第一个半导体放大器的成功。约翰·巴丁与沃尔特·布拉顿使用一个塑料楔块将两个距离很近的金接触点固定到了小块高纯锗表面上，一个接触点的电压调制了电流流向另一个点，从而使得输入信号放大至100倍。

1.3晶体管名字的由来

每一项新发明都需要一个名称，贝尔实验室最初设想了好几个，包括“半导体三极真空管”，“固态三极真空管”，“表面状态三极真空管”，“晶体三极真空管”，“Iotatron”等。但最终采用了约翰·皮尔斯(John Pierce)提出的“晶体管”一词。约翰·皮尔斯(JohnPierce)回忆说：“我之所以提出这个名字，着重考虑了该器件是做什么的。那时，它本应该是电子管的复制品。电子管有跨导，晶体管就应该有跨阻。此外，这个器件的名称应当与变阻器，电热调节器等其它器件名称相匹配，于是我建议采用“晶体管”这个名字”。

1.4结型晶体管的诞生

由于“触点式”晶体管脆弱的机械构造，生产和应用都受到限制。美国贝尔实验室的威廉·肖克利(William Shockley)开始设想用p-n结效应研发一种新的晶体管结构。基于对p-n结效应理论的理解，威廉·肖克利(William Shockley)提出带正电荷的“空穴”并不仅在表面运动，它们也应能渗透并穿过锗晶体，称作“少数载流子注入”，这个设想是结型晶体管能实现的关健。基于此概念，结型晶体管可以由三个区域的材料组成：n-型/p-n结/p-型。1948年实验取得了成功，威廉·肖克利(William Shockley)申请了专利并在1949发表了这一结果。

制作结型晶体管需要用大块的单晶锗，美国贝尔实验室的化学家戈登(GordonTeal)用锗的“晶种”从熔化的锗中拉伸单晶并用简陋的设备生长了大块单晶锗。在这个过程中，戈登(Gordon Teal)与摩根·斯帕克斯(Morgan Sparks)发现p-n结可以通过在熔化的锗中“掺杂”的方法得到，他们协同制作了n-p-n 结型型晶体管。这种“生长的p-n结型的晶体管”有着优良的特性。

1.5贝尔实验室授权晶体管技术

二十世纪四十年代末到五十年代，为促进晶体管和其他固态器件的发展，美国贝尔实验室迸行了一项针对半导体技术的“基础性研发”项目。在电气工程师杰克·莫顿(Jack Morton)的带领下，这一项目研发出了“区域提纯”以及生长大块单晶锗和单晶硅的技术。实验室还研发了形成p-n结、半导体表面处理、固定金属连线的制造技术。同时，实验室还研发了使用晶体管的逻辑电路及设备。