半导体物理的发展

半导体的发现与起源（~1900）

在二十世纪的近代科学，特别是量子力学发展知道金属材料拥有良好的导电与导热特性，而陶瓷材料则否，性质出来之前，人们对于四周物体的认识仍然属于较为巨观的瞭解，那时已经介于这两者之间的，就是半导体材料。

英国科学家法拉第(MIChael Faraday，1791~1867)，在电磁学方面拥有许多贡献，为人所知的，则是他在1833年发现的其中一种半导体材料：硫化银，因为它的电阻随着温

度上升而降低，当时只觉得这件事有些奇特，并没有激起太大的火花。

1874年，德国的布劳恩(Ferdinand Braun，1850~1918)，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。

固态物理、半导体元件物理的发展（1900~1940）

1906年，美国电机发明家匹卡(G. W. PICkard，1877~1956)，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。

在能带理论方面，布洛赫(Felix BLOCh，1905~1983)做出了重要的贡献，其定理是将电子波函数加上了週期性的项，首开能带理论的先河。另一方面，德国人佩尔斯(Rudolf Peierls， 1907~ ) 于1929年，则指出一个完全填满的能带，其电特性可以用一些带正电的电荷来解释，这就是电洞概念的滥觞；他后来提出的微扰理论，解释了能隙(Energy gap)存在。

在整流理论方面，德国的萧特基(Walter Schottky，1886~1976)在1939年，于「德国报」发表了一篇有关整流理论的重要论文，做了许多推论，他认为金属与半导体间有能障(potential barrier)的存在，其主要贡献就在于精确计算出这个能障的形状与宽度。

早在1930与1940年代，使用半导体制作固态放大器的想法就持续不绝；第一个有实验结的放大器是1938年，由波欧(Robert Pohl， 1884~1976)与赫希(Rudolf Hilsch)所做的使用的是溴化钾晶体与钨丝做成的闸极，尽管其操作频率只有一赫兹，并无实际用途，却证明了类似真空管的固态三端子元件的实用性。

电晶体的时代（1940~1960）

1947年11月17日，贝尔实验室(Bell Lab)的巴丁与布莱登(Walter Brattain 1902~1987)构成第一个点接触电晶体 (point contact transistor)，1947年12月23日他们更进一步使用点接触电晶体制作出一个语音放大器，该日因而成为电晶体正式发明的重大日子。

另一方面，就在点接触电晶体发明整整一个月后，当时贝尔实验室固态物理的研究部门经理萧克莱(William Shockley， 1910~1989)想到使用p-n接面来制作接面电晶体(junction transistor) 的方法，在萧克莱的构想中，使用半导体两边的n型层来取代点接触电晶体的金属针，藉由调节中间p型层的电压，就能调控电子或电洞的流动，这是一种进步很多的电晶体，也称为双极型电晶体(bipolar transistor)，但以当时的技

术，还无法实际制作出来。

电晶体的确是由于科学发明而创造出来的一个新元件，但是工业界在1950年代为了生产电晶体，却碰到许多困难。

直到1954年5月，第一颗以硅做成的电晶体才由美国德州仪器公司(Texas Instruments) 开发成功；约在同时，利用气体扩散来把杂质掺入半导体的技术也由贝尔实验室与奇异公司研发出来；在1957年底，各界已制造出六百种以上不同形式的电晶体，使用于包括无线电、收音机、电子计算机甚至助听器等等电子产品。

早期制造出来的电晶体均属于高台式的结构。1958年，快捷半导体公司 (Fairchild SemIConductor)发展出平面工艺技术(planar technology)，藉着氧化、黄光微影、蚀刻、金属蒸镀等技巧，可以很容易地在硅晶片的同一面制作半导体元件。

1960年，磊晶(epitaxy)技术也由贝尔实验室发展出来了。至此，半导体工业获得了可以批次生产的能力，终于站稳脚步，开始快速成长。

积体电路（1960~1970）

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。

1958年9月12日，德州仪器公司(Texas Instruments)的基尔比 (Jack Kilby， 1923~ ) ，细心地切了一块锗作为电阻，再用一块pn接面做为电容，制造出一个震荡器的电并在1964年获得专利，首度证明了可以在同一块半导体晶片上能包含不同的元件

1970年，通用微电子General MICroelectronics)与通用仪器公司(General Instruments)，解决了硅与二氧化硅界面间大量表面态的问题，开发出金氧半电晶体(metal-oxide-semiconductor，MOS)；因为金氧半电晶体比起双极型电晶体，功率较低、集积度高，制程也比较简单，因而成为后来大型积体电路的基本元件。

60年代发展出来的平面工艺，可以把越来越多的金氧半元件放在一块硅晶片上，从1960年的不到十个元件，倍数成长到1980年的十万个，以及1990年约一千万个，这个每年加倍的现象称为莫尔定律 (Moore’s law)，是莫尔(Gordon Moore)在1964年的一次演讲中提出的，后来竟成了事实。

超大型积体电路深次微米元件（1970~2000）

在1970年代，决定半导体工业发展方向的，有两个最重要的因素，那就是半导体记忆体 (semIConductor memory) 与微处理机(micro processor)。

记忆体发展过程中最重要的一步，就是1969年，IBM的迪纳 (R. H. Dennard) 发明了只需一个电晶体和一个电容器，就可以储存一个位元的记忆单元；由于结构简单，密度又高，现今半导体制程的发展常以动态随机存取记忆体的容量为指标。