从晶体管到集成电路

1、集成电路工艺突飞猛进一切尽在掌握之中从晶体管到集成电路他们的故事已经成 为传说，激励着一代又 一代的工程师和掘金 者。他们是半导体产业 历史上最伟大的三位发 明家，他们和众多天才 的科学家一起，开创半 导体产业历史上激动人 心的“发明时代”。他们 是集成电路之父，他们 是硅谷的开创者，他们改变了我们的世界。如今，他们已经全部远去，然而，他们创造的半导体产业，年产值已经超过2100亿美元，并且仍在他们开辟的大路上高速前进，为这个世界带来日新月异的变化。朵绚丽多彩的奇葩1947年12月23日，在贝尔 实验室科学家肖克莱、巴丁和布 拉顿组成的研究小组证明了 20世 纪最重要的发明：第一只真正的 晶体

2、管，从此人类步入了飞速发 展的电子时代。在20世纪最初的10年，半 导体材料已经开始在通信系统应科技导航晶体管的横空出世晶体管的问世，是20世纪的一项重大发明，是微电子革 命的先声。晶体管出现后，人们就能用一个小巧的、消耗功率 低的电子器件，来代替体积大、功率消耗大的电子管了。晶体 管的发明又为后来集成电路的降生吹响了号角。用。20世纪上半叶，在无线电爱好者中广泛流行的矿石收音收，就采用矿石这种半导体材 料进行检波。同时，半导体的电学特性也在电话系统中得到了应用。晶体管的发明，最早可以追溯到1929年，当时工程师利莲费尔德就已经取得一种晶体管的专利。但是，限于当时的技术水平，制造这种器件的材料

3、达不到足够的纯度，而使这种晶体管无法制造出来。基于电子管处理高频信号的效 果不理想，人们就想办法改进矿石收 音机中所用的矿石触须式检波器。在 这种检波器里，有一根与半导体矿石 表面相接触的金属丝，它既能让信号 电流沿一个方向流动，又能阻止信号 电流朝相反方向流动。在第二次世界 大战爆发前夕，贝尔实验室在寻找比 早期使用的方铅矿晶体性能更好的 检波材料时，发现掺有某种极微量杂 质的错晶体的性能不仅优于矿石晶 体，而且在某些方面比电子管整流器 还要好。在第二次世界大战期间，不少实 验室在有关硅和错材料的制造和理 论研究方面，也取得了不少成绩，这 就为晶体管的发明奠定了基础。第二次世界大战结束后，为

4、了克 服电子管的局限性，贝尔实验室加紧 了对固体电子器件的基础研究。肖克 莱等人探讨用半导体材料制作放大 器件的可能性，决定集中研究错、硅晶体管的发展变迁等半导体材料。1945年秋天，贝尔实验室正式成立了 以肖克莱为首的半导体研究小组，成员有 布拉顿、巴丁等人。其中，布拉顿早在1929 年就开始在这个实验室工作，长期从事半 导体的研究，积累了丰富的经验。他们经 过一系列的实验和观察，逐步认识到半导 体中电流放大效应产生的原因。在错片的 底面接上电极，在另一面插上细针并通上 电流，然后让另一根细针尽量靠近它，并 通上微弱的电流，这样就会使原来的电流 产生很大的变化。微弱电流少量的变化，知识库什么

5、是电电子管是一种在气密性封闭容器（一般为玻璃管） 中产生电流传导，利用电场对真空中的电子流的作用以 获得信号放大或振荡的电子器件。早期应用于电视机、 收音机扩音机等电子产品中，近年来逐渐被晶体管和集 成电路所取代，但目前在一些高保真音响器材中，仍然 使用电子管作为音频功率放大器件（香港人称使用电子 管功率放大器为“煲胆”）。贝尔实验室在1947年组装的第一个真正的晶体管会对另外的电流产生很大的影响，这就是“放大”作用。布拉顿等人还想出有效的办法来实现这种放大效应。他们在基极和发射极之间输入一个 弱信号，在基极和集电极之间的输出端，就放大为一个强信号了。在现代电子产品中，上述 晶体三极管的放大效

6、应得到广泛的应用。巴丁和布拉顿最初制成的固体器件的放大倍数为50左右。不久之后，他们利用两个靠 得很近（相距0.05毫米）的触须接点，来代替金箔接点，制造了 “点接触型晶体管”。1947 年12月，这个世界上最早的实用半导 体器件终于问世了，在首次试验时，它 能把音频信号放大100倍，它的外形比 火柴棍短，但要粗一些。在为这种器件命名时，布拉顿想到 它的电阻变换特性，即它是靠一种从“低电阻输入”到“高电阻输出”的转 移电流来工作的，于是取名为 trans-resister（转换电阻），后来缩写 为transistor，中文译名就是晶体管。点接触型晶体管有自己的缺点，它 存在噪声大、在功率大时难

7、于控制、适用范围窄，另外制造工艺复杂，致使许多产品出现故 障等缺点。为了克服以上缺点，肖克莱提出了用一种整流结来代替金属半导体接点的大胆设想。终于在1950年，第一只“面结型晶体管”问世了。它的性能与原来设想的完全一致。1956年，因发明晶体管，肖克莱、巴丁、布拉顿三人同时荣获诺贝尔物理学奖。今天的晶 体管，大部分仍是这种面结型晶体管。轶闻趣事一一天才与废物诺依斯（N. Noyce）共同从晶体管之父肖克利的实验室出走，这就是历 史上著名的“八天才叛逆”，从此，才有了我们熟悉的intel，AMD，IDT 等等一大批我们熟知的企业。1955年“晶体管 之父”肖克利离开贝尔 实验室返回故乡圣克拉 拉

8、，创建了“肖克利半 导体实验室”。第二年， 八位年轻的科学家从美 国东部相继来到硅谷， 加盟肖克利实验室。他 们是：诺依斯、摩尔、 布兰克、克莱尔、赫尔 尼、拉斯特、罗伯茨和 格里尼克。他们的年龄 都在30岁以下，风华正茂，学有所成，都正处在创造能力的巅峰。可惜，肖克利是天才的科学家，却对管理一窍不通。一年之中，实验室没有研制出任 何像样的产品。八位青年瞒着肖克利开始计划出走。在诺依斯带领下，他们向肖克利递交了 辞职书。肖克利怒不可遏地骂他们是“八叛逆”。不过，后来就连肖克利本人也改口把他们 称为“八个天才的叛逆”。在硅谷许多著作书刊中，“八叛逆”的照片与惠普的车库照片属 于同一级别，具有同样

9、的历史价值。集成电路的发明2000的诺贝尔物理学奖得主杰克基尔比先生是集成电路的发明者、手持计算器的发 明人之一。他的发明奠定了现代微电子技术的基础，可以说如果没有集成电路的发明，就不 会有今天的计算机，人类还将在信息时代的门外徘徊。我们生活中所能见到的各种电子，几 乎无一例外都是建立在集成电路技 术基础上的。经过多次面试之后，杰克基尔 比聘用到德州仪器公司。公司并没有 对杰克基尔比的工作职责进行具 体划分。在德州仪器公司工作后不久 杰克基尔比就开始意识到，由于公 司制造电阻器、晶体管和电容器，如 果对其产品进行重新组装可能会生 产出更有效的微型模块产品。因此， 杰克基尔比设计了一个使用管状

10、部件的IF放大器，而且做出了原型。 杰克基尔比利用员工周末和工厂 停工的前几天完成了详细的成本分 析。集成电路的第一位发明者，他的发明改变了世界第一块集成电路板V _历史趣闻一项同时的发明1966年，基尔比和诺依斯同时被授予美国科技人员 最渴望获得的巴兰丁奖章。基尔比被誉为“第一块集成 电路的发明家”，而诺依斯被誉为“提出了适合于工业生 产的集成电路理论”的人。1969年，美国联邦法院最后 从法律上承认了集成电路是一项“同时的发明”。杰克基尔比对IF放大器的试 验效果进行认真思考。通过进行成本 分析，杰克基尔比第一次更清楚的 了解到半导体车间的成本结构。数字 很高非常高。杰克基尔比觉得 如果他

11、不能尽快地想出一个好的办 法，那么在假期结束后，就有可能会 分配他比去做微型模块项目提案的工 作。在心情万分沮丧的时候，杰克基 尔比开始感觉到，半导体车间唯一可以以高成本效益方式制造的产品就是半导体。经过进一步思考，他得出 这样的结论，真正需要的实际上就是 半导体一一电阻器和电容器，于是杰 克基尔比很快起草了一个使用这 些部件的触发器的设计提案。具体说 来，可以用与有源设备相同的材料来 制造。用硅的体效应来提供电阻器， 而电容器则通过pn结来提供。改变世界的集成电路杰克基尔比很快就完成了这些草图，并用非连续硅元素制造了一条电路，其中使用了打包的成熟结晶体管。电阻器是通过 在硅上凿出小条并蚀刻上

12、值后做出 来的。电容器是在散布式硅功率电容 器晶片上凿出来并用金属处理两侧。 整个电路组装完成，并于1958年8 月28日向公司进行了演示。我们可以说微芯片是历史上最点击1959年2月6日，基尔比向美国专利局申报专利， 这种由半导体元件构成的微型固体组合件，从此被命 名为“集成电路”（IC）。重大的发明之一，它为无数的其它发明铺平了道路。在过去的40年里，杰克基尔比已经看到他的发明改变了世界。杰克基尔比是为数不多的几个人之一，他可以环顾世界并对自 己说：“我改变了世界”。链接：神奇的摩尔定律摩尔以“摩尔定律”而闻名到了 1964年，仙童公司“八叛 逆，之一的摩尔博士，以三页纸的短 小篇幅，发表了一个奇特的理论。摩 尔天才地预言说道，集成电路上能被 集成的晶体管数目，将会以每18个 月翻一番