半导体发展简介

1半导体发展简介2半导体与集成电路器件—背景与发展历史

我们今天所说的信息时代，完全是建立在半导体材料、器件以及集成电路（IC)发展的基础上的。至今，半导体电子领域仍是一个快速发展和变化的领域。320世纪半导体与电子技术的进展电子管时代（1905--1948）VacuumTubeAge1905A.Einstein相对论 E=mc21906

德福雷斯特三极管1920 无线电电视广播接收1939有声电影 1940雷达

1947电子计算机

1948

J.Bardeen,W.Bratain,W.Shakley

巴丁 布莱顿 肖克利

贝尔实验室(BellLaboratory)

晶体管

Transistor 为现代技术打下了决定性基础Univ.ofPensylvania18000个电子管30Ton，140KW无故障时间7min1956年NobelPrize三十年代：固体能带理论半导体导电的微观机理：导电类型-掺杂浓度电子-空穴对理论四十年代：高纯度元素半导体Ge,Si

半导体的研究可以追溯到1874年，Braun发现了金属半导体接触时的电流传导非对称性。而1931年，A.Wilson有关半导体能带理论的经典论文的发表，则开创了半导体理论研究的先河。第一支晶体管的诞生41947年12月23日，贝尔实验室的巴丁（左）、布莱顿与他们的组长肖克利（坐）制备出第一支固体晶体管。Ge基P-N-P点接触晶体，晶体的放大因子仅为18。1956年，他们三人获得了诺贝尔物理学奖。 5晶体管时代(1948-1959) TransistorAge

1948年 点接触型晶体管

1953年 半导体材料区域提纯

1954年 面结型硅晶体管

1956年 存储程序数字计算机 第二代电子计算机（电子管）

IBM6501957年 苏联第一颗人造卫星

J.KilbyofTexasInstruments(Ge

IC)1958年 德克萨斯仪器公司第一块集成电路

Integrated

Circuit

仙童公司R.NoyceofFairchild(Si

IC)宇宙空间的探索即将开始2000年NobelPrize61955年，成就了“本世纪最伟大发明”的“晶体管之父”的肖克利（W.Shockley）博士，离开贝尔实验室返回故乡圣克拉拉，创建“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陆续到达硅谷，加盟肖克利实验室。他们是：诺依斯（N.Noyce）、摩尔（R.Moore）、布兰克（J.Blank）、克莱尔（E.Kliner）、赫尔尼（J.Hoerni）、拉斯特（J.Last）、罗伯茨（S.Boberts）和格里尼克（V.Grinich）。他们的年龄都在30岁以下，风华正茂，学有所成，处在创造能力的巅峰。他们之中，有获得过双博士学位者，有来自大公司的工程师，有著名大学的研究员和教授，这是当年美国西部从未有过的英才大集合。可惜，肖克利是天才的科学家，却缺乏经营能力；他雄心勃勃，但对管理一窍不通。一年之中，实验室没有研制出任何象样的产品。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”（TheTraitorousEight）。离开后“八叛逆”找到了一家地处美国纽约的摄影器材公司来支持他们创业，这家公司名称为Fairchild，音译“费尔柴尔德”，但通常意译为“仙童”。集成电路的诞生7

早在1952年,英国皇家研究所的G.W.A.Dummer就在美国工程师协会举办的会议上提出:“Itispossibletoenvisionelectronicequipmentinasolidblockwithnoconnectingwires.Theblockmayconsistoflayersofinsulating,conducting,rectifyingandamplifyingmaterials,theelectricalfunctionsbeingconnecteddirectlybycuttingoutareasofthevariouslayers”1958年，德州仪器公司（TI）的基尔比研制出了世界上第一块集成电路。IntegratedCircuit(IC):将大量的分立器件,如晶体管、电阻、电容等，在一块芯片上制作出来并由导线相连以完成某些电路功能。7JackKilby’sFirstIntegratedCircuit

(Anoscillatorcircuitongermaniumsubstrate)集成电路的发明过程–别忘了Noyce8在JackKilby发明集成电路的同时，当时工作于FairchildSemiconductor(co-founderofIntel)的RobertNoyce

也意识到可以在单个芯片上制作电路，他在听说Kilby已申请了类似的专利后，于1959年1月也提出了更为详细的专利申请。并早于Kilby一年获得专利批准。

Kilby:

锗IC；导线外部互连；

Noyce:

硅IC;Al线平面互连；（金属蒸发Al膜，光刻技术获得连线）

在Fairchild公司工作的另外一个科学家JeanHorni在硅片上制作了扩散型结晶体管，利用了自然形成的二氧化硅作为介质膜和蒸发获得的薄Al金属膜，这个技术在今天被称为硅平面技术（planartechnology）。Noyce的Si集成电路（1960）91964年，仙童半导体公司创始人之一摩尔博士，以三页纸的短小篇幅，发表了一个奇特的定律。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个月翻一番的速度稳定增长，并在今后数十年内保持着这种势头。摩尔所作的这个预言，因后来集成电路的发展而得以证明，并在较长时期保持了它的有效性，被人誉为“摩尔定律”，成为新兴电子电脑产业的“第一定律”。60年代的仙童半导体公司进入了它的黄金时期。到1967年，公司营业额已接近2亿美元，

在当时可以说是天文数字。然而，也就是在这一时期，仙童公司也开始孕育着危机。母公司总经理不断把利润转移到东海岸，去支持费尔柴尔德摄影器材公司的盈利水平。1967年斯波克出走后，来到国民半导体公司（NSC）担任CEO。他大刀阔斧地推行改革，把NSC从康涅狄格州迁到了硅谷，使它从一家亏损企业快速成长为全球第6大半导体厂商。

1968年，“八叛逆”中的最后两位诺依斯和摩尔，也带着葛罗夫（A.Grove）脱离仙童公

司自立门户，他们创办的公司就是大名鼎鼎的英特尔（Intel）。1969年桑德斯带着7位仙童员工创办高级微型仪器公司（AMD）。2016年被安森美（ONSemi）以24亿美元收购。10集成电路时代（1959－1975）IntegratedCircuitAge1959年TunnelDiode

1960年

SSI100-1021961年

Laser1962年

DTLIC1966年

MSI

102-103年

TTLIC年CMOS/MOS1969年

LSI

103-104年阿姆斯特朗在月球登陆年英特尔公司(intelCom.)

微处理机(Microcomputer4004)

电子设备集成化InformationAge元件/芯片（DiodeTransistorLogic）（Transistor-TransistorLogic）11集成电路的划分及发展:VLSI=VeryLargeScaleIntegration小规模SSI~100个晶体管中规模MSI100-1000个晶体管大规模LSI1000-100000个晶体管超大规模VLSI>100000个晶体管(64K)

集成电路（IntegratedCircuit–IC）是指通过一系列特定的加工工艺，将多个晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按一定的电路连接集成在一块半导体单晶片或其他基底片上，作为一个不可分割的整体执行某一特定功能的电路组件。12人类进入了集成电路时代IntegratedCircuit(IC)器件按比例缩小原理13在1974年第九期的《IEEEJournalofSolid-StateCircuits》期刊上，Dennard提出了器件等比例缩小定律。基本思想：MOS器件的横向纵向尺寸（沟道长、宽度等横向尺寸和栅层厚度、结深等纵向尺寸）按一定比例K缩小，单位面积上的功耗可保持不变；这时器件所占的面积（因而成本）可随之缩小K2倍，器件性能可提高K3倍。所以器件越小，同样面积芯片可集成更多、更好的器件，低了器件相对成本。这是摩尔定律的物理基础，也正是这种物理特性，刺激了加速的技术创新。14半导体芯片尺寸缩小--Scalingdown半导体器件物理研究的层次15器件是半导体器件物理的研究对象！16

人类研究半导体器件的历史数十上百年，形成了数以百种的器件。主要半导体器件公元半导体器件作者/发明者1874金属-半导体接触Braun1907发光二极管(LED)Round1947双极型晶体管(BJT)Bardeen,Brattain,Shockley1949P-N结Ebers1954太阳能电池Chapin,Fuller,Pearson17公元半导体器件作者/发明者1957异质结双极型晶体管(HBT)Kroemer1958隧道二极管(Tunneldiode)Esaki1960MOSFETKahng,Atalla1962激光Hall,etal.1963异质结激光Kroemer,Alferov1963转移电子二极管(TED)Gunn1966金半场效应晶体管(MESFET)Mead1967非挥发性半导体存储器(NVSM)Kahng,施敏1970电荷耦合元件(CCD)Boyle,Smith1974共振隧道二极管张立纲，Esaki，

Tsu1980调制掺杂场效应晶体管(MODFET)Mimura,etal.1994室温单电子存储器(SEMC)Yano,etal.200115nm金氧半场效应晶体管Yu,etal.18

虽然半导体器件种类繁多，但均可划分为几种基本的器件结构：整流接触/欧姆接触-金半场效应晶体管；是大部分半导体器件的关键基本结构-pnp双极型晶体管，可控硅器件，太阳能电池；