半导体发展史

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1、、/ 、.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

2、！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

3、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,17911867),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。1

4、874年，德国的布劳恩(Ferdinand Braun， 18501918)，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，18771956)，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,18861976)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(po ten tial barrier

5、)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，18681951)的学生贝特(Hans Be the,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 (FelixBL0Ch,19051983)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(Rudo

6、lf 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， 18841976)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

7、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，19101989)与摩根(Stanley Morgan)。由于使用场效应(fieldeffec t)来改变电导的许多实验都失败了，巴丁(John Bardeen， 19081991)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 Bra tt ain 19021987)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

8、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(emi tt er)，负电压的称为集极(collec tor),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 con tact t ransis tor), 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

9、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 t ransis tor),但以当时的技术，还无法实际制作出来。电晶体的确是由于科学发明而创造出来的一个新元件，但是工业界在1950年代为了生产电晶体，却碰到许多困难。1951年，西方电器公司(WesternElectrIC)开始生产商用的锗接点电晶体，1952年4月，西方电器、雷神(Raytheon)、美 国无线电(RCA与奇异(GE)等公司，

10、则生产出商用的双极型电晶体。但直到1954年5月， 第一颗以硅做成的电晶体才由美国德州仪器公司(Texas Ins tr umen ts)开发成功；约在同时, 利用气体扩散来把杂质掺入半导体的技术也由贝尔实验室与奇异公司研发出来；在1957年 底，各界已制造出六百种以上不同形式的电晶体，使用于包括无线电、收音机、电子计算 机甚至助听器等等电子产品。早期制造出来的电晶体均属于高台式的结构。1958年，快捷半导体公司 (FairchildSemIConductor)发展出平面工艺技术(planar technology)，藉着氧化、黄光微影、蚀刻、 金属蒸镀等技巧，可以很容易地在硅晶片的同一面制作

11、半导体元件。1960年，磊晶 (epi taxy)技术也由贝尔实验室发展出来了。至此，半导体工业获得了可以批次(ba tch)生 产的能力，终于站稳脚步，开始快速成长。积体电路积体电路就是把许多分立元件制作在同一个半导体晶片上所形成的电路，早 在1952年，英国的杜默(Geoffrey W. A. Dummer)就提出积体电路的构想。1958年9月 12 日，德州仪器公司(Texas Instruments)的基尔比(Jack Kilby, 1923),细心地切了一块锗作为电阻，再用一块pn接面做为电容，制造出一个震荡器的电路，并在 1964年获得专利，首度证明了可以在同一块半导体晶片上能包含

12、不同的元件。1964年，快 捷半导体(Fairchild SemIConductor)的诺宜斯(Robert Noyce， 19271990)，则使用平面 工艺方法，即藉着蒸镀金属、微影、蚀刻等方式，解决了积体电路中，不同元件间导线连 结的问题。积体电路的第一个商品是助听器，发表于1963年12月，当时用的仍是双 极型电晶体；1970年，通用微电子(General MICroelectronics)与通用仪器公司 (General Instruments),解决了硅与二氧化硅界面间大量表面态的问题，开发出金氧半电 晶体(metal-oxide-semiconductor, MOS)；因为金氧半

13、电晶体比起双极型电晶体，功率较 低、集积度高，制程也比较简单，因而成为后来大型积体电路的基本元件。60年代发展出来的平面工艺，可以把越来越多的金氧半元件放在一块硅晶片上，从1960 年的不到十个元件，倍数成长到1980年的十万个，以及1990年约一千万个，这个每年加 倍的现象称为莫尔定律(Moore s law)，是莫尔(Gordon Moore)在1964年的一次演讲中 提出的，后来竟成了事实。L9Q0)阖態物JS半導彌尤件物刖的發展(1900 - 1940)葛晶務的睛代(140 t9W1A33 .史抄；【圈亡Hd刖Fm七蚪白沖漫监1839畀总勒縄址伏特规#1S73旳申虬尤范哼辿电I87!b

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16、实半导体业中受困公司不止Intel家，欧洲半导体名门Philips，以往常居世界10大 半导体公司之列，不得已卖身一家投资公司，德国Infineon公司的DRAM部门因严重亏损 而变身，成为受控的独立公司Qimonda，欧洲3大半导体公司2家出现问题Motorola的 Freescale也已出卖。日本半导体厂商的生产1987年曾占世界市场半壁江山，独占50%的份额，而后一路走低， 至今已只剩下20%。而且利润率不高，只在个位数，甚至负增长，不及美韩公司可在20%以 上。因此，日本一直在讨论半导体业如何复苏的问题。据iSuppli预测，未来到2015年， 世界半导体消费地仍以欧美为主，BRICs

17、增长迅速，日本处于第三层面（表4）。亿菜元）图 6 世界半导体设备的投资 今后半导体业的竞争无疑将更趋激烈，竞争的胜负将首先反映在巨额投资的战斗方面，哪 家公司经受不起，即将被无情淘汰。据SEMI报道，2006年世界半导体制造设备市场比上 年大幅增长23.6%，达406亿美元，是近年少有的好年景，但今年将仅略增3.6%，达421 亿美元，明年反弹至13.3%，2009年世界市场可望突破500亿美元，200509年的年均增 长率 11%，增长可谓迅速，速度超过半导体业本身，同时也说明企业的负担之重。从近几年的投资看，日本一直是最多的，其次是韩、台各地区，当然，这反映了它们对半导体业的重视程度。I

18、n tel和三星都是投资最多的，2007年都在55亿美元左右。各类设备 中，圆片加工处理设备的投资占首位，2006年激增26%，达288亿美元，组封装设备增长 13%，24亿美元，测试设备增长22%，达64.5亿美元。另一方面，当前企业竞争的核心则在规模和价格，最终是性价比，那家公司产量大、价格 便宜，就能挺得住。尽管半导体业垄断程度已很高，但今后还可能进一步走向垄断。半导体加工已深深进入纳米时代，不仅正转向65nm，而且已在着手开发45、32nm技术。 使用碳纳米管材料的新器件和使用纳米加工技术的光元件正在开发之中。AV设备、PC和通 信/网络正在融合，诸多数字设备进入了可以相互连接的时代。

19、移动电话的多功能化及和 PC融合，可望出现手持设备。这为半导体开拓了新的应用。一句话，半导体业已进入成熟期，经营困难，发展趋缓都是必然的。综观世界电子工业的发展，有人发现是15年一大变。197085年是计算机时代，以IBM为代表从大型机、小型 机到PC，获利丰厚，发展迅速，但近年已大不如前，IBM已把PC事业卖给联想； 19852000年是半导体时代，以In tel、三星、东芝等为代表，活力四射，盈余耀眼，期间 半导体产业增长近20倍，达到2000亿美元，到2000年以前的50年间，世界半导体业的 年平均增长速度为13%，而2000年以后已降到个位数，公司利润下降；20002015年将是 电子材料的时代，电子材料成为各种数字化器材的核心，目前公司经营利润都在10%20% 之间，前景看好。