世界集成电路发展简史

1、semi世界集成电路发展历史World IC In dustrial History Review学奖。SEMICONDUCTORASSUSTAYion前言历史上第一个晶体管于60年前一1947年12月16日诞生于美国新泽西州的贝尔实验室(Bell Laboratories )。发明者威廉克利(William Shockley )、约翰巴丁(John Bardeen )和沃尔特布拉顿(Walter Brattain )为此获得了 1956年的诺贝尔物理固态半导体(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

2、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(GeorgeScalis©曾经说过：“6(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。晶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 9亿个晶体管 一总计达6,000,000,000,000,000,000 (六百亿亿)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

3、可以看到，60年前晶体管的发明并非一个偶然事件，它是在世界一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资料来源：美国半导体生产商协会(SIA)semisemiSEMICOKChina2008世界集成电路发展历史World IC In dustrial History Review资料来源：美国半导体生产商协会(SIA)美国物理学家朱利叶申请的三 极”场效应晶体管”专利(1926)U. S. Patent Ofce物理教授费迪南布劳恩在法国Strasbourg 大

4、学Credit: 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

5、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

6、导体电子理论。七年后，鲍里斯(Boris Davydov)(苏联),莫特(Nevill Mott )(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 Ohl)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

7、以后结型晶体管和太阳能电池的发展。1833 -1874 -1901 -1926 -1931 -第一次记录了半导体效应发现半导体点接触整流效应半导体整流器申请“触须”探测器专利法拉第在公开演讲自然科学。Credit: Contemporary engraving of Faraday lecturing.场效应半导体器件概念申请专利出版半导体电子理论1940 - p-n结的发现美国贝尔实验室的电化学家拉塞尔申请的光伏器件专利(1941)U. S. Patent Ofce.semisemiSEMICON"China2008晶体管发明者约翰巴丁(John Bardeen),威廉肖克利 拉顿

8、(Walter Brattain)Courtesy of: LSI Corporations世界集成电路发展历史World IC In dustrial History Review100 倍。(William Shockley)和沃尔特 布:J资料来源：美国半导体生产商协会(kA)学家沃尔特布拉顿(Walter Brattain) 一起开始研究这些 16日，他们的研究导致了第一个半导体放大器的成功。约翰 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锗表面上，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3名贝尔实验室科学家发明的第一 个触点式”晶体管(1947)C

9、ourtesy of: LSI Corporations约翰巴丁 (John Bardeen)和沃尔 特布拉顿 (Walter Brattain)申请 的晶体管发明专利 (1948)U. S. Patent Ofce.触点式”晶体管的发明 一一1947年12月16日1945年初，威廉 肖克利(WilliamShockley)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Shockley)基于几年前开发的错和硅技术构想了一个 并不成功。一年后，理论物理学家约翰巴丁 (John能会阻碍电

10、场渗入材料，从而抵消了任何效应。约翰4月，威廉肖克利(William 场效应"放大器和开关，但实验 Bardeen)指出半导体表面的电子可 巴丁 (John Bardeen)与实验物理 表面态"的特性。1947年12月 巴丁与沃尔特布拉顿使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”，“Iotatron 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

11、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，于是我建议采用这个名字”。半导体三极真”“X 4.”晶体管威廉肖克利(William Shockley )、约翰 巴丁 (John Bardeen)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 ofIIIinois)的教授；沃尔特 布拉顿(Brattain)在华盛顿沃拉沃拉市的惠特曼学院(WhitmanCollege)、

12、哈佛大学(Harvard University)、明尼苏达大学(University of Minnesota)和华盛顿大学 (Universityof Washington )担任讲师；而威廉 肖克利(Shockley )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。semi最早的微瓦结型晶体管(1951)Courtesy of: LS

13、I Corporations资料来源：美国半导体生产商协会(美国西电公司 (属AT&T)与日本Tokyo Tsushin Kogyo(SONY索尼的前身)所签的晶体管技术授权协议书(1954)Courtesy of: LSI Corporations肖克利的笔记描绘了关於 p-n结的想法Courtesy of: Alcatel-Lucent.SEMICOKChina2008世界集成电路发展历史World IC In dustrial History ReviewSIA)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

14、利(William 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锗晶体，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。(Gord on制作结型晶体管需要用大块的单晶锗，美国贝尔实验室的化学家戈登Teal )用锗的 晶种&q

15、uot;从熔化的锗中拉伸单晶并用简陋的设备生长了大块单晶锗。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锗中 掺杂”勺方法得到，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一一1952二十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，美国贝尔实验室迸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"以及生长大块单晶锗和单晶硅的技术。实验室

16、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(Jack Morton)倡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。sem r世界集成电路发展历史World IC In dustrial History Review“集成电路”的发明1958年12月，德州仪器的杰克基尔比(J

17、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。一周之后，他又用同样方法制作了一个放大器。德州仪器于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，生产方法，也无法解决辨认线头"的问题。这个方法被后来罗伯特金属蒸镀连线"方法所取代。杰克基尔比和他的描绘 着固体电路的实验笔记本(1958)Courtesy of:Texas Instruments, Inc.“ F型的触发器集成电路芯片 该芯片可以封装在园形的TO-18管壳中Credit:Fairchi

18、ld Semiconductor.罗伯特诺伊思申请的集成 电路专利(1959)U. S. Patent Ofce.平面电晶体管 2N1613的 显微照片(1959)Credit:Fairchild Semiconductor.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。杰克基尔比被授於诺贝尔奖(Dec. 2000)Co

19、urtesy of: Texas Instruments, Inc.(Copyright 2000 The Nobel Foundation, Photo: Hans Mehlin.)1959年 3月宣布了 固态电路"的概念并于 细的金连线"并非是一个实用的诺伊思(Robert Noyce)所发明的“资料来源：美国半导体生产商协会(SIA)平面工艺的发明导致了单片集成电路的发明一一1959在1959年，飞兆半导体的物理学家吉恩霍尔尼(JeanHoerni)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

20、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。它还使得只从晶圆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 Kilby)的固态电路提供了一个实用的方法。罗伯特诺伊思(Rober

21、t 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(Jay 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。sem rsem rSEMICON"China2008世界集成电路发展历史World IC In dustrial History Review金属氧化物半导体 (MOS)和互补型金属氧化物半导体制成首个金属氧化半导体(MOS )绝缘栅场效应晶体管一一19601959年，美国贝尔实验室的约翰艾特拉(John Atalla )和

22、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(O-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 Zainingei

23、)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. Sah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 Heiman )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 n通道MOS晶体

24、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。资料来源：美国半导体生产商协会(CMOS )的发明1960 - Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated 贝尔实验室的道旺卡恩所申请的MOS晶体管专利U. S. Patent Ofce.1963 - Complementary MOS Circuit Conguration is Invented 飞兆研发实验室的弗兰克 森所申请的CMOS器件

25、结构专利U. S. Patent Ofce.哈里SIA)sem rsem r'EM嚨也世界集成电路发展历史World IC In dustrial History Review-晶体管逻辑（TTL）集成电路成为SLT封装技术进入大批量生产。SIA)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 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咼峰为IBM系统/360计算机系列发展的多芯片集成电路工业进入发展期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

26、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 Talbert ）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

27、的制造工艺把模拟和数字电路集成在单个芯片。资料来源：美国半导体生产商协会（.在1957年，八位年轻人 （飞兆半导体）。之后1956年，威廉肖克利在北加卅（今日的硅谷”成立了肖克利半导体实验室并雇用了许多优秀的年轻科学家 离开了该实验室并创办了仙童半导体公司硅谷”衍生出很多半导体公司.Courtesy of: Fairchild SemiconductorCourtesy of: Fairchild Semiconductor1999年老飞兆半导体（也称仙 童）的四名创办人：（左起）JayLast、C. Sheldon Roberts、 JuliusBlank 禾口 EugeneK lein e

28、r于1999年接过由美 国政府推出的集成电路纪念 邮票，它以飞兆半导体 1964 的设计为蓝本,是世界半导 体行业的首个静态触发器。sem rsemiSEM嚨也美国国家半导体的罗伯特(Robert Widlar) 所研发的模拟 集成电路 LM10Credit: National Semiconductor.Intel研发的第一款微处理器芯 片 i4004Courtesy of: Intel Corporation.Cragon 所画的数学.德州仪器通过改良贝尔实验室设计的单片数字 信号处理器DSP-1Courtesy of: Alcatel-Lucent.这是德州仪器的Hawey信号处理芯片的

29、原理图此芯片构造后制成了第一个可编程的数字信号处理器单芯片集成电路(1982)Courtesy of: Taxes Instrument.SH1605Credit: Fairchild Semiconductor.世界集成电路发展历史World IC In dustrial History Review飞兆半导体生产的汽车用 高功率混合微型电路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 )。196

30、9 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i1103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

31、程序化行列逻辑单片存储器公司的约翰比克纳 定义逻辑功能，他们研发了易用的可编程行列逻辑)用户可编程逻辑器件诞生(John Birkner )和H. T. Chua 为能让客户快速(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。u<资料来源：美国半导体生产商协会(SIA)semisemiSEMICOKChina2008戈登摩尔，英特尔公司共同创始人Courtesy of: Intel Corporation(i4004)处理器 处理器1950s19601963)197119781

32、98919992000200714162,30029,0001,200,0009,500,00042,000,000410,000,000一个芯片上可放置多少个晶体管? 晶体管第一款集成电路芯片TTL集成电路芯片： 第一款英特尔芯片英特尔？ 8086英特尔? i486英特尔？奔腾? III英特尔？奔腾? 4英特尔？ Penryn1975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。世界集成电路发展历史World IC In dustrial History Review摩尔定律”预言未来集成电路的发展19651965年飞兆半导体研发总监戈登摩尔(Gordon Moor