前言

前言历史上第一个晶体管于60年前-1947年12月16日诞生于美国新泽西州的贝尔实验室(Bell
Laboratories.发明者威廉肖克利(William Shockley、约翰巴丁(ohn
Bardeert和沃尔特布拉顿(Walter Brattain为此获得了1956年的诺贝尔物理学奖
固态半导体(solid-state)的发明使得之后集成电路的发明成为可能。这一杰出成就为世界半导体产业的发展奠定了基础。之后的60年里,半导体技术的发展极大地提升了劳动生产力,促进了世界经济的发展,改善了人们的生活水平。美国半导体协会(SIA)总裁乔治斯卡利思(George
Scalise)曾经说过:
“60年前晶体管的发明为这个不断发展的世界带来了巨大的变革,这一历史性的里程碑式的发明,意义不容小觑。品体管是无数电子产品的关键组成部分,而这些电子产品几乎对人类生活的各个方面都带来了革命性的变化。2007年,全世界的微电子行业为地球上每一个男人、女人和小孩各生产出9亿个品体管一总计达600000,0000000000亿个产业销售额超过2570亿美元”。
回顾晶体管的发明和集成电路产业的发展历程,我们可以看到,
60年前晶体管的发明并非一个偶然事件,它是在世界-流的专业技术人才的努力下,在鼓励大胆创新的环境中,在政府的鼓励投资研发的政策支持下产生的。同时,我们也可以看到集成电路产业从无到有并高速发展是整个业界相互合作和共同创新的结果。

发现和研究半导体效应

1833年,英国物理学家迈克尔·法拉第(Michael
Faraday)在研究硫化银晶体的导电性时,发现了硫化银晶体的电导率随温度升高而增加这一“特别的现象”。这一特征正好与铜和其他金属的情况相反。迈克尔·法拉第(Michael
Faraday)的这一发现使人们对半导体效应开始有了认识。1874年,德国物理学家费迪南·布劳恩(FerdinandBraun)在研究晶体和电解液的导电性质时发现电流仅能单方向通过金属探头和方铅晶体的接触点。费迪南·布劳恩(Ferdinand
Braun)记录和描述了这一半导体二极管的“触点式整流效应”。基于这个发现,印度加尔各答大学总统学院物理学教授博斯爵士(Jagadis
Chandra Bose)提出了把“半导体晶体整流器”用作探测无线电波的应用并申请了专利(1901年)。
波兰出生的美国物理学家朱利叶Julius Lilienfeld)在研究硫化铜半导体特性时,设想了一个三极半导体器件“场效应晶体管",并在1926年提交了一项基于硫化铜半导体特性的三极放大器专利。在以后的几十年中,人们一直尝试着去制作这样的器件。
半导体物理现象的发现,激发了人们对其理论上的研究。1931年,当时在德国做研究的英国剑桥大学物理学家艾伦,威尔逊(Alan Wilson)发表了用量子力学解释半导体基本特性的观点并出版了《半导体电子理论》。七年后,鲍里斯(Boris
Davydoy(苏联),莫特(Nevill Mot) 英国)和沃尔特(Walter Schottky)
(德国)也独立地解释了半导体整流这一特性。在20世纪30年代中期,美国贝尔实验室的电化学家拉塞尔(Russell
Oh)在研究用硅整流器件探测雷达信号时,发现硅整流器探测信号的能力随着硅晶体纯度的提高而增强.并且,在1940年2月的一次实验中,拉塞尔(Russell
Oh)在测试一块硅晶体的时候。惊奇地发现当硅晶体暴露在强光下电流会增大。在此发现的基础上拉塞尔(Russell
Oh)提出了p-n结的概念和硅的光电效应理论,这一发现带来了以后结型晶体管和太阳能电池的发展。

1833-第一次记录了半导体效应
1874-发现半导体点接触整流效应
1901-半导体整流器申请“触须"探测器专利
1926-场效应半导体器件概念申请专利
1931-出版《半导体电子理论》
1940- p-皓的发现

“触点式"晶体管的发明-1947年12月16日

1945年初,威廉肖克利(William
Shockley)在美国贝尔实验室组织了一个固态物理研究组。这个研究组除了从事其他研究之外,还开展试图用半导体替换不太坚固的真空管和应用于贝尔电话系统中的机电开关的研究。同年4月,威廉肖克利(WilliamShockley)基于几年前开发的错和硅技术构想了一个“场效应”放大器和开关,但实验并不成功。一年后,理论物理学家约翰·巴丁John
Bardeen)指出半导体表面的电子可能会阻碍电场渗入材料,从而抵消了任何效应。约翰巴丁(ohn
Bardeen)与实验物理学家沃尔特·布拉顿(Walter
Brattain)一起开始研究这些"表面态"的特性。1947年12月16日,他们的研究导致了第一个半导体放大器的成功。约翰·巴丁与沃尔特·布拉顿使用一个塑料楔块将两个距离很近的金接触点固定到了小块高纯错表面上,一个接触点的电压调制了电流流向另一个点,从而使得输入信号放大至100倍。

晶体管名字的由来

每一项新发明都需要一个名称,贝尔实验室最初设想了好几个,包括"半导体三极真空管", “固态三极真空管", “表面状态三极真空管",
“晶体三极真空管”, "lotatron"等。但最终采用了约翰·皮尔斯John
Pierce)提出的"晶体管"一词。约翰皮尔斯(JohnPierce)回忆说:
"我之所以提出这个名字,着重考虑了该器件是做什么的。那时,它本应该是电子管的复制品。电子管有跨导,晶体管就应该有跨阻。此外,这个器件的名称应当与变阻器,电热调节器等其它器件名称相匹配,于是我建议采用"晶体管“这个名字”。
威廉肖克利(William Shockey、约翰巴丁John Bardeer和沃尔特布拉顿(Walter
Brattain为晶体管"的发明共同获得了1956年的诺贝尔物理学奖,后来,约翰·巴丁(Bardeen)被聘请为伊利诺斯大学(University
of
llinois)的教授;沃尔特·布拉额(Brattain)在华盛顿沃拉沃拉市的惠特曼学院(WhitmanCollege)、哈佛大学(Harvard
University)、明尼苏达大学(University of Minnesoa)和华盛顿大学(Universityof
Washington)担任讲师;而威廉肖克利(hockley)在担任斯坦福大学(Stanford
University)电气工程学院的教授的同时,还成立了肖克利(Shockley)半导体实验室(贝克曼仪器有限公司的一部分),为硅谷及电子产业的诞生做出了杰出的贡献,集成电路的发明者,英特尔公司的创始人等后起之秀都曾在肖克利(Shockley)半导体实验室工作过.

结型晶体管的诞生-1948

由于“触点式”晶体管脆弱的机械构造,生产和应用都受到限制。美国贝尔实验室的威廉·肖克利(Willim
Shockley)开始设想用p-n结效应研发一种新的晶体管结构。基于对p-n结效应理论的理解,威廉·肖克利(William
Shockley)提出带正电荷的"空穴”并不仅在表面运动,它们也应能渗透并穿过错晶体,称作“少数载流子注入”,这个设想是结型晶体管能实现的关健。基于此概念,结型晶体管可·以由三个区域的材料组成:
n-型/p-n结/p-型。1948年实验取得了成功,威廉肖克利(William Shockley)申请了专利并在1949发表了这一结果。

制作结型晶体管需要用大块的单晶错,美国贝尔实验室的化学家戈登(GordonTeal)用错的“晶种”从熔化的错中拉伸单晶并用简陋的设备生长了大块单晶错。在这个过程中,戈登(Gordon
Teal)与摩根·斯帕克斯(Morgan
Sparks)发现p-n结可以通过在熔化的错中“掺杂”的方法得到,他们协同制作了n-p-n结型型晶体管。这种“生长的p-n结型的晶体管"有着优良的特性。

贝尔实验室授权晶体管技术-1952

二十世纪四十年代末到五十年代,为促进晶体管和其他固态器件的发展,美国贝尔实验室进行了一项针对半导体技术的“基础性研发”项目。在电气工程师杰克·莫顿(Jack
Morton)的带领下,这一项目研发出了“区域提纯”以及生长大块单晶绪和单晶硅的技术。实验室还研发了形成P-n结、半导体表面处理、固定金属连线的制造技术。同时,实验室还研发了使用晶体管的逻辑电路及设备。
杰克·莫顿(ack
Morton唱议贝尔实验室应与其他研究者和公司共享这项晶体管技术,因为贝尔实验室和其总公司AT&T能够从它人的技术进步中获益。因此,在20世纪50年代他们主办了三次研讨会,让其他科学家和工程师参观了贝尔实验室,了解这项新的半导体技术的第一手资料。其中1951年举办的第一次会议专门面向国防的应用

“集成电路”的发明

杰克·基尔比Jack Kilby展示了"固态电路”-1958

当电子设备变得复杂时,人们开始寻找相对简单的方法把成千上万的晶体管、电阻、电容等连接起来。1952到1957年期间,英国、日本和美国的科学家们都在做不同的尝试。这些早期的“集成"并没有提供一个可以被广泛应用的"联接"方法。
1958年12月,德州仪器的杰克·基尔比(ack
Kilby)用蚀刻的方法在一块错台面型p-n-p晶体管晶片上来形成晶体管、电容器和电阻器区域,并用细的金线将这些区连接起来以展示一个振荡点器的功能。-周之后,他又用同样方法制作了一个放大器。德州仪器于1959年3月宣布了"固态电路"的概念并于1960年3月介绍了其第一批商用器件,包括二进制触发器等。然而,
“细的金连线”并非是一个实用的主产方法,也无法解决辨认“线头”的问题。这个方法被后来罗伯特,诺伊思(Robert
Noyce)所发明的"金属蒸镀连线"方法所取代。

平面工艺的发明导致了单片集成电路的发明-1959

在1959年,飞兆半导体的物理学家吉恩·霍尔尼lean
Hoerni)为了解决台面晶体管的可靠性问题而发明了平面工艺,这个工艺的关键是用氧化层去保护p-n结的表面而不受污染。这一发明使半导体生产发生了革命性的变化。平面工艺制造的器件不仅显示了更佳的电性能-使用氧化保护层使漏电流显著降低,这对于计算机的逻辑设计极为关键。它还使得只从晶园的一面来制造一块集成电路的所有组件成为可能。
为了进一步开发平面工艺的其他用途,飞兆半导体的合作创立者罗伯特·诺伊思(Robert
Noyce)构思了制作单片集成电路的想法。通过在保护性氧化层上蒸镀铝金属线将分散在硅面上的电极、晶体管、电阻器和电容器互相连接起来。这样,人们便可在单硅片上制造完整的电路。用"蒸镀铝金属线来取代“细的金连线”为杰克·基尔比Jack
Kiby)的固态电路提供了一个实用的方法。罗伯特.诺伊思(Robert
Noyce)在1959年申请了可以大规模生产的单片集成电路结构的专利。随后,飞兆半导体的创立者之一杰伊(lay
Last)根据霍尔尼平面工艺和诺伊思单片集成电路结构的方法,在1960年成功研发了第一块商用集成电路-双稳态逻辑电路由4个晶体管和5个电阻组成。

制成首个金属氧化半导体(MOS)绝缘栅场效应晶体管-1960

1959年,美国贝尔实验室的约翰艾特拉(ohn
Atalla)和道旺卡恩(DawonKahng)研发了首个绝缘栅场效应晶体管(FET),他们的成功要素是通过控制“表面态”的影响使得电场能渗入半导体材料。

在研究热生长硅氧化层的过程中,他们发现在金属层(M-栅),氧化层(0-绝缘)和硅层(S-半导体)的结构中,这些“表面态"会在硅和其氧化物的交接处大大降低。这样,加在栅上的电场能通过氧化层影响硅层,这就是MOS名称的由来。由于原始的MOS器件速度偏慢,且未能解决电话设备中所面临的问题,这项研究被停了下来。
但飞兆半导体(Fairchild)和美国无线电公司(RCA)的研究者们认识到了MOS器件的优点。在20世纪60年代,卡尔(Karl
Zaininger)和查尔斯(CharlesMeuller)在美国无线电(RCA)制造出了金属氧化物半导体晶体管。飞兆半导体的C. T.
Sa制造了一个带控制极的MOS四极管。随后, MOS晶体管开始用于集成电路器件开发。1962年,佛瑞德海曼(Fred
Heimar)和史蒂文霍夫斯坦(Steven
Hofstein)在美国无线电(RCA)制造了一个实验性的由16个晶体管组成的单芯片集成电路器件。发明互补型MOS电路结构-1963
在1963年一篇作者为飞兆研发实验室C. T.
Sah和弗兰克·哈里森(FrankWanlass)的论文中显示,当处于以互补性对称电路配置连接P-通道和通道MOS晶体管形成逻辑电路时(今日称为CMOS),这个电路的功耗几乎接近为零。弗兰克·哈里森将这一发明申请了专利。CMOS技术为低功耗集成电路打下了基础并成为今日的主流数字集成电路的生产技术。

集成电路工业进入发展期

1963–开发标准逻辑集成电路系列
速度、成本和密集度优势确立了晶体管-晶体管逻辑(TTL)集成电路成为19世纪六七十年代最流行的标准逻辑构造模块

1964-混合微型电路达产量高峰
为IBM系统/360计算机系列发展的多芯片SLT封装技术进入大批量生产。

1964–第一块商用MOS集成电路诞生
通用微电子公司用金属氧化物半导体(MOS)工艺取得了比双极型集成电路高的集成度并且用这项技术制造了第一个计算器芯片组。

1964–第一个广泛应用的模拟集成电路诞生
飞兆半导体的大卫艾伯特(David Talber)和罗伯特(Robert Widlar)研发成功的商用模拟集成电路,开启了一个重要的应用领域。

1965–适合於系统集成的封装设计
双列直插式外壳(DIP)格式在很大程度上使印刷电路板布线变得容易了,降低了计算机的装配成本。

1965—-只读型存储是第一个专用存储IC存储
可编程只读存储器(ROMs)产生了第一块随机读取存储集成电路。

1966-为高速存储开发的半导体RAMs
十六位双极型晶体管器件是第一块专用集成电路用于高速读写存储应用。

1968–集成了数据转换功能的电流源集成电路
用高精度的制造工艺把模拟和数字电路集成在单个芯片。

1968–为集成电路开发的硅栅技术
费德里克·法格(Federico Faggin)和汤姆·克莱(Tom Klein)利用硅栅结构(取代了金属栅)改进了MOS集成电路的可靠性,速度和封装集成度。法格设计了第一个商用硅栅集成电路(飞兆3708)

1969-肖特基势垒二极管让TTL存储器的速度加倍
设计方法的创新改进了标准的64位TTL随机存储器速度和低功耗。它很快被应用到新的双极型逻辑和存储器设计中。

1970 - MOS动态随机存取存储器(DRAM)与磁芯存储器价格相近
英特尔的动态随机存取存储器i103开启了半导体对用于计算机存储的磁芯存储器的挑战。

1971–微处理器将CPU功能浓缩进单个芯片
为了减少运算器设计需要的芯片数,英特尔工程师创造了第一个单片微处理器(CPU), i4004

1974-数字显示式手表是第一块片上系统(SoC)集成电路
用于液晶显示数字手表的集成电路是第一块集成整个电子系统到单个硅片上的产品(SoC)

1978-(可程序化行列逻辑)用户可编程逻辑器件诞生
单片存储器公司的约翰·比克纳(John Birkner)和H. T. Chua为能让客户快速定义逻辑功能,他们研发了易用的可编程行列逻辑(PAL)器件和软件工具。

1979–单片数字信号处理器诞生
贝尔实验室的单片DSP-1数字信号处理器器件结构使电子开关系统更加完善。德州仪器研发了可编程的DSP

“摩尔定律”预言未来集成电路的发展-1965

1965年飞兆半导体研发总监戈登摩尔(Gordon
Moore曾写过一份内部文件,他整理了1959年到1964年间开发的5组产品并把以芯片的集成度和单个器件的最低成本做成图表,
然后划一条连线穿过这些点。从这个图上戈登摩尔(GordonMoore)发现每个新芯片大体上包含其前任两的容量,而且每个新芯片的产生都是在前一个芯片产生后的18-24个月内。如果按这个趋势继续的话,计算能力相对于时间周期将呈指数式的上升。戈登
摩尔(Moore)的观察结果,就是现在所谓的Moore定律。他当时预测,在今后的十年中芯片上的器件数将每年翻一倍,并会在1975年达到65,000个。

“对集成电路而言,降低成本具有相当的吸引力。随着技术的发展使其能在单芯片上集成愈来愈多的电路功能,成本的优势会继续增长。”电子学、第38册、No.8,1965年4月19日
1975年,己加入Intel的戈登摩尔(Gordon
Moore)对他自己提出的“摩尔定律”做了一次修改并指出芯片上集成的晶体管数量将每两年翻一番。

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