半导体技术的发展历史

半导体业发展史

[日期:2006-04-01]来源:集成电路网新闻部

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。