半导体发展史

前言

自从有人类以来，已经过了上百万年的岁月。社会的进步可以用当时人类使用的器物来代表，从远古的石器时代、到铜器，再进步到铁器时代。现今，以硅为原料的

电子元件产值，则超过了以钢为原料的产值，人类的历史因而正式进入了一个新的时代，

也就是硅的时代。硅所代表的正是半导体元件，包括记忆元件、微处理机、逻辑元件、光

电元件与侦测器等等在内，举凡电视、电话、电脑、电冰箱、汽车，这些半导体元件无时

无刻都在为我们服务。

硅是地壳中最常见的元素，许多石头的主要成分都是二氧化硅，然而，经过数百道制程做出的积体电路，其价值可达上万美金；把石头变成硅晶片的过程是一项点石

成金的成就，也是近代科学的奇蹟！

在日本，有人把半导体比喻为工业社会的稻米，是近代社会一日不可或缺的。在国防上，

惟有扎实的电子工业基础，才有强大的国防能力，1991年的波斯湾战争中，美国已经把新

一代电子武器发挥得淋漓尽致。从1970年代以来，美国与日本间发生多次贸易摩擦，但最后在许多项目美国都妥协了，但是为了半导体，双方均不肯轻易让步，最后两国政府慎重

其事地签订了协议，足证对此事的重视程度，这是因为半导体工业发展的成败，关系着国

家的命脉，不可不慎。在台湾，半导体工业是新竹科学园区的主要支柱，半导体公司也是

最赚钱的企业，台湾如果要成为明日的科技硅岛，半导体工业是我们必经的途径。

半导体的起源

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，但较不

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；然而，今天我们已

经知道，随着温度的提升，晶格震动越厉害，使得电阻增加，但对半导体而言，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(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。但直到1906年，美国电机发明家匹卡(G. W. PICkard，1877~1956)，才发明了第一个固态电子元件：无线电波侦测器(cat’s whisker)，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。在整流理论方面，德国的萧特基(Walter Schottky，1886~1976)在1939年，于「德国物理学报」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。至于现在为大家所接受的整流理论，则是1942年，由索末菲(Arnold Sommerfeld，

1868~1951)的学生贝特(Hans Bethe，1906~ )所发展出来，他提出的就是热电子发射理论(thermionic emission)，这些具有较高能量的电子，可越过能障到达另一边，其理论也与实验结果较为符合。在半导体领域中，与整流理论同等重要的，就是能带理论。布洛赫(Felix

BLOCh，1905~1983)在这方面做出了重要的贡献，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，则指出一个几乎完全填满的能带，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。

电晶体的发明

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；第一个有实验结果的放大器是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。

二次大战后，美国的贝尔实验室(Bell Lab)，决定要进行一个半导体方面的计画，目标自

然是想做出固态放大器，它们在1945年7月，成立了固态物理的研究部门，经理正是萧克莱(William Shockley， 1910~1989)与摩根(Stanley Morgan)。由于使用场效应(field effect)来改变电导的许多实验都失败了，巴丁(John Bardeen，1908~1991)推定是因为半

导体具有表面态(surface state)的关系，为了避开表面态的问题，1947年11月17日，

巴丁与布莱登(Walter Brattain 1902~1987)在硅表面滴上水滴，用涂了蜡的钨丝与硅接触，再加上一伏特的电压，发现流经接点的电流增加了！但若想得到足够的功率放大，相邻两

接触点的距离要接近到千分之二英吋以下。12月16日，布莱登用一块三角形塑胶，在塑

胶角上贴上金箔，然后用刀片切开一条细缝，形成了两个距离很近的电极，其中，加正电

压的称为射极

(emitter)，负电压的称为集极 (collector)，塑胶下方接触的锗晶体就是基极 (base)，

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，萧克莱想到使用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。1951年，西方电器公司（Western ElectrIC）开始生产商用的锗接点电晶体，1952年4月，西方电器、雷神(Raytheon)、美

国无线电(RCA与奇异(GE)等公司，则生产出商用的双极型电晶体。但直到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，