半导体器件发展历程

1960年 Kahng,Atalla
1962年
Hall, Nathan,Quist 半导体激光器
1967年 Kahng, Sze
增强型MOSFET非挥发存储 器来自19601970
1962年 Wanlass、C. T. Sah CMOS技术
1963年Gunn
渡越电子二极管
1966年Mead MESFET
1968年Dennard 单晶体管DRAM
1980年 1970年 Boyle, Smith
调制掺杂场 效应晶体管 1971年
Intel公司微处理器 MODFET
CCD器件
1970
1980
分水岭：
1974年 Chang, Esaki, Tsu 共振隧道二极管
1968年Dennard 单晶体管DRAM
• 肖特基（Schottky）和莫特（Mott）于 1939年第一次提出了空间电荷区理论 • B.Davidor提出了不同半导体之间也可以 有整流效应，并提到了半导体中的一个 关键概念——少数载流子的重要性。 • 获得了完整性比较好、纯度比较高的锗、 硅材料，排除了诸如硒、氧化亚铜等材 料中的一些复杂因素
晶体管的发明
• 1947年12月16日诞生了具有放大和功率增益性能的点接触晶 体管。点接触晶体管并不稳定，由于是三维问题，在物理分 析上有困难。 肖克莱在对p-n结基本物理图像进行长期研究的基础上，提 出用n型半导体与薄的p型材料面接触代替探针的点接触，这 样就可以用一维模型来进行分析。 • 肖克莱完成了晶体管的基本概念， 巴丁提出了表面态理论， • 布莱顿设计了实验。1948年1月23日宣布了面结型晶体管的 发明， 该结果于1949年以论文形式发表。 • 1950年用生长结制成了锗n-p-n结型晶体管 • 1951年用合金法制成了锗p-n-p晶体管 • 1954年用气相扩散制成了大功率硅整流器 • 1956年就制成了扩散型基区台式晶体管 • 1956年Bardeen、Brattain和Shockley一起获得了物理学的 诺贝尔奖。
1970年前发明
的器件全部实 现商业化
1984年 电荷注入晶体管 CHINT
1985年
共振隧穿热 电子晶体管 纳米电子 学器件
1980
1990
19 8 0 年后出 现了大量的 异质结构器 件和量子效 应器件
1984年
共振隧穿双极晶体管 RTBT
1990年 单电子存储器SEM
半导体器件的发展
• CMOS器件成为主流技术－通过不断地缩小实现性能 的优化。 –摩尔定律Moore’s Law： 集成电路的特征尺寸每隔18个月缩小 2 倍 集成度每隔18个月增加一倍 • BJT主要用于高频领域 • 新型器件层出不穷
半导体器件的发展
半导体器件的发展历程
1874年F.Braun半导体器件的第1项研究金属－半 导体接触。 1907年H.J.Round发光二极管LED。 1930年量子力学的发展以及半导体材料制备技术 的成熟；半导体的光电导、光生伏特效应、整流 效应。 1939年Schottky 肖特基势垒。 1947年Shockley ，Bardeen, Brattain晶体管 （transistor)；1956年获诺贝尔奖。 1949年Shockley p-n结双极晶体管（BJT）
MOS器件缩小的极限？ MOS之后是什么器件？
“摩尔定律”：处理器(CPU)的功 能和复杂性每年(其后期减慢为18 个月)会增加一倍，而成本却成比 例地递减。
微电子小型化的极限
固体的最小尺寸 功耗限制 电压或电流感应击穿的限制 噪声限制
解决途径
• 新材料：非晶硅，多晶硅，SiGe，Ⅲ-Ⅴ族复合 半导体，有机材料，宽禁带半导体（SiC、 GaN） • 新结构器件 • 新互连方法：铜连线、低K，光连接等。 • 深亚微米尺度下器件和电路设计CAD工具 • 新电路 • 新电源：板上太阳能，生物电，空间微波等 • 纳米技术 • 3D电路
晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿
NPN Ge 晶体管
成为现代电子 工业的基础
晶体管的基础准备
1924年衍射实验证实电子的波动性概念 1928年提出电子的费米—狄拉克统计理论 1931年，威尔逊（A.H.Wilson）提出了固态 半导体的量子力学理论，与固体X射线实验相 结合，奠定了今天固体能带论的基础 霍尔效应用于半导体材料研究，半导体与金 属区别开来，并发现了半导体中有两种载流 子
异质结双极晶体管
HBT 2000年诺贝尔奖
场效应晶体管的发展
1935年海尔在一份英国专利中宣布过他的场效应放大器发明。 但无法实现，主要限制是无法制备满足器件需要的薄的高强 度栅绝缘层。 肖克莱在研究垂直表面的电场对半导体内部载流子浓度和各种 性质所产生的影响时，发现了垂直表面电场可以引起表面电 导变化的场效应现象，并在1948年提出了场效应晶体管的理 论。 1959年，Atalla提出用硅片上热生长二氧化硅层作为栅绝缘 层、贝尔实验室的Kahng和Atalla在1960年用高压水气生长二 氧化硅层获得成功，制备出了第一支MOS场效应晶体管，但性 能还是不稳定。 1967年，A.S.Grove，C.T.Sah，E.H.Snow，B.E.Deal等基本 搞清了Si-SiO2系统的四种电荷的性质，并成为界面物理研究 的基础。在工艺上，找到了控制Na离子玷污的方法，并结合 净化措施和采用高纯级的基础材料，使MOS集成电路得到稳定 生产。
1952年Schockley 结型场效应晶体 管JFET 第1个半导体场效 应器件 进 入 成 长 期
1958年 1954年 Chapin, Fuller, Pearson，硅太阳 能电池，6％ Esaki
隧道二极管
1973年诺贝 尔奖
1950
1960
1952年Ebers
闸流管模型 thyristor 1957年Kroemer