半导体论文

一、半导体物理发展史简介

半导体物理学是研究半导体原子状态和电子状态以及各种半导体器件内部电子过程的学科。是固体物理学的一个分支。

研究半导体中的原子状态是以晶体结构学和点阵动力学为基础，主要研究半导体的晶体结构、晶体生长，以及晶体中的杂质和各种类型的缺陷。

研究半导体中的电子状态是以固体电子论和能带理论为基础，主要研究半导体的电子状态，半导体的光电和热电效应、半导体的表面结构和性质、半导体与金属或不同类型半导体接触时界面的性质和所发生的过程、各种半导体器件的作用机理和制造工艺等。

半导体物理学的发展不仅使人们对半导体有了深入的了解，而且由此而产生的各种半导体器件、集成电路和半导体激光器等已得到广泛的应用。

能带理论的建立为半导体物理的研究提供了理论基础，晶体管的发明激发起人们对半导体物理研究的兴趣，使得半导体物理的研究蓬勃展开，并对半导体的能带结构、各种工艺引起的半导体能带的变化、半导体载流子的平衡及输运、半导体的光电特性等作出理论解释，继而发展成为一个完整的理论体系——半导体物理学。

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。

1、半导体的起源

法拉第在1833年发现硫化银，它的电阻随着温度上升而降低。对半导体而言，温度上升使自由载子的浓度增加，反而有助于导电，这也是半导体一个非常重要的物理性质。

1874年，德国的布劳恩注意到硫化物的电导率与所加电压的方向有关，这就是半导体的整流作用。

1906年，美国发明家匹卡发明了第一个固态电子元件：无线电波侦测器，它使用金属与硅或硫化铅相接触所产生的整流功能，来侦测无线电波。

整流理论

能带理论

2、电晶体的发明

3、积体电路：积体电路就是把许多分立元件制作在同一个半导体晶片上所形成的电路

4、超大型积体电路

二、半导体和集成电路的现状及发展趋势

半导体材料的发展，现状和趋势

第一代的半导体材料：以硅（包括锗）材料为主元素半导体

第二代半导体材料：以砷化镓（GaAs）为代表的第二代化合物半导体材料

第三代半导体材料：氮化物（包括SiC、ZnO等宽禁带半导体）第三代半导体器件由于它们的独特的优点，在国防建设和国民经济上有很重要的应用，前景无限。

下一代半导体材料：2010年10月4日，诺贝尔物理学奖揭晓，获奖者是英国曼彻斯特大学物理和天文学院的Andre Geim和Konstantin Novoselov，获奖理由为“二维空间材料石墨烯（graphene）方面的开创性实验”。

单层石墨烯强度大，耐高温，电阻小，有希望成为代替硅锗材料的下一代半导体材料。

半导体加工已深深进入纳米时代，不仅正转向65nm，而且已在着手开发45、32nm技术。使用碳纳米管材料的新器件和使用纳米加工技术的光元件正在开发之中。

A V设备、PC和通信/网络正在融合，诸多数字设备进入了可以相互连接的时代。移动电话的多功能化及和PC融合，可望出现手持设备。这为半导体开拓了新的应用。

一句话，半导体业已进入成熟期，经营困难，发展趋缓都是必然的。综观世界电子工业的发展，大致是15年一大变。

1970~85年是计算机时代，以IBM为代表从大型机、小型机到PC，获利丰厚，发展迅速，但近年发展趋缓

1985~2000年是半导体时代，以Intel、三星、东芝等为代表，活力四射，盈余耀眼，期间半导体产业增长近20倍，达到2000亿美元，到2000年以前的50年间，世界半导体业的年平均增长速度为13%，而2000年以后已降到个位数，公司利润下降；2000~2015年将是电子材料的时代，电子材料成为各种数字化器材的核心，目前公司经营利润都在10%~20%之间，前景看好。

集成电路产业的发展是市场牵引和技术推动的结果。集成电路根本的生命力在于它可以大批量、低成本和高可靠地生产。这就决定了集成电路产业的建设必须首先考虑整机和系统应用的发展，即市场的需求。

目前，芯片制造技术上采用更大尺寸的硅晶片(300 mm)；采用铜线互连技术替代铝线技术；进一步缩小芯片内部特征尺寸(采用90 nm甚至65 nm的制造技术)。

今日半导体产业的驱动力有：一方面是LED液晶电视、LED照明和iPad平板电脑等便携产品的加速发展和上市;另一方面是新兴市场对数字电子产品的殷切需求;再是工业先进国家对“环保/节电”、“安全”、“健康”等的热心追求。这些都是今后世界半导体业的前进引擎。

集成电路的发展趋势

集成电路已进人超深亚微米时代，体硅CMOS的批量生产已采用90 nm工艺、300 mm晶圆；65nm工艺也即将量产化；集成电路的发展仍以继续追求高频、高速、高集成度、多功能、低功耗为目标。

1、器件的特征尺寸继续缩小

2、集成电路与其它学科结合诞生新的技术和产业增长点

3、材料、新结构、新器件不断涌现

不断提高性价比是集成电路产品迅速发展的动力。

世界半导体市场回归平淡，更需要技术创新来迎接新的发展。现如今作为半导体技术创新的关键之一是“材料”，材料能从根本上改变器件的性能和功效，要想和竞争对手具有差异化，也必须从改变材料着手。

随着半导体微细化的深入，业界提出了后硅时代，由硅转向化合物半导体包括GaAs、SiC、GaN，以及有机化合物等新材料。市场正在扩大，生产正在改进，由此可望提高器件性能，开发新的应用，再度推动半导体业走上加速发展的道路。因此，最近业界专业人士曾信心满满地说：我们已进入了“得材料者得天下”的时代! (未完待续)

三、什么是摩尔定律？它有终结之日吗？

摩尔定律：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，当价格不变时；或者说，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。

过去的50 年基本上验证了Moore 定律的有效性。1965

年，每个芯片(chip)上只有65 个三极管，现在有1.5 亿个，2010

年前后将会达到10 亿个。2000 年CPU 芯片上的线宽做到

了0.18 微米。2006 年已经做到0.06 微米(或60nm 纳米)。

如此发展下去有无尽头、有无极限? 答案是肯定的。计算机

技术的发展将受到以下几个方面的制约：①物理极限：隧道效

应、延迟和串音、散热。②工艺极限：目前工业界采用的普通

光刻系统只能用于0.13 微米以上的工艺。进一步发展，需要

使用深超紫外线(其波长为240 nm )；可是工艺进一步达到<

100 nm, DUV 也不行了。③经济可行性的极限：90 年代,建造

一个生产0.25 微米工艺芯片的车间大约需要20 到25 亿美元;

使用0.1 8 微米工艺时，这一费用则跳跃到30 至40 亿美元。

现在已经进入< 0.10 微米的阶段，一个车间的费用将达到100

-200 亿美元。

由此我认为，摩尔定律必定会有终结的一天。虽然它所阐述的趋势一直延续至今，且非常精确地说明了处理机能力和磁盘驱动器存储容量的发展，但是从各个方面来讲，我认为，它最终还是会失效的。理由如下：

首先，如IBM研究员Carl Anderson所说，各行各业呈爆炸式成长的时代终将告一段落，先是铁路，后是航空业，如今轮到半导体产业了。从哲学角度来讲，任何事物都是一分为二的，为了提高一方面的性能，必定要牺牲另一方面，目前的晶体管之间的距离在不断地缩小，130nm，90nm，65nm，45nm，32nm，22nm……相对的，出现的问题也就越来越多，所使用的解决方案也越来越复杂；任何事物都不是绝对的，所以摩尔定律也只是对自然规律的一种近似，不能在任何范围内精确地反应事物的规律性。

其次，从技术方面讲，在接近极限尺度时，材料会有出现与宏观状态下不同的问题。失效理由是材料与技术的极限，而不在于工艺本身。同时，用作绝缘材料的二氧化硅，已逼近极限，如继续缩小，将导致漏电、散热等物理瓶颈，数量集成趋势终有终结的一天。

基于以上原因，专家们提出了“未来计算机技术

的发展，商业上是否可行？出路何在？”

尽管受到物理极限的约束采用硅芯片的电子计算机

技术将继续向超高速超小型平行处理智能化的方向发

展

2.1 生物计算机

2.2 光计算机

2.3 量子计算机

2.4 纳米计算机