中国半导体产业发展历史大事记

1947年,美国贝尔实验室发明了半导体点接触式晶体管,从而开创了人类的硅文明时代。

  1956年,我国提出“向科学进军”,根据国外发展电子器件的进程,提出了中国也要研究半导体科学,把半导体技术列为国家四大紧急措施之一。中国科学院应用物理所首先举办了半导体器件短期培训班。请回国的半导体专家黄昆、吴锡九、黄敞、林兰英、王守武、成众志等讲授半导体理论、晶体管制造技术和半导体线路。在五所大学――北京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学和南京大学联合在北京大学开办了半导体物理专业,共同培养第一批半导体人才。培养出了第一批著名的教授:北京大学的黄昆、复旦大学的谢希德、吉林大学的高鼎三。1957年毕业的第一批研究生中有中国科学院院士王阳元(北京大学微电子所所长)、工程院院士许居衍(华晶集团中央研究院院长)和电子工业部总工程师俞忠钰(北方华虹设计公司董事长)。

  1957年,北京电子管厂通过还原氧化锗,拉出了锗单晶。中国科学院应用物理研究所和二机部十局第十一所开发锗晶体管。当年,中国相继研制出锗点接触二极管和三极管(即晶体管)。

  1958年,美国德州仪器公司和仙童公司各自研制发明了半导体集成电路(IC)之后,发展极为迅猛,从SSI(小规模集成电路)起步,经过MSI(中规模集成电路),发展到LSI(大规模集成电路),然后发展到现在的VLSI(超大规模集成电路)及最近的ULSI(特大规模集成电路),甚至发展到将来的GSI(甚大规模集成电路),届时单片集成电路集成度将超过10亿个元件。

  1959年,天津拉制出硅(Si)单晶。

  1960年,中科院在北京建立半导体研究所,同年在河北建立工业性专业化研究所――第十三所(河北半导体研究所)。

  1962年,天津拉制出砷化镓单晶(GaAs),为研究制备其他化合物半导体打下了基础。

  1962年,我国研究制成硅外延工艺,并开始研究采用照相制版,光刻工艺。

  1963年,河北省半导体研究所制成硅平面型晶体管。

  1964年,河北省半导体研究所研制出硅外延平面型晶体管。

  1965年12月,河北半导体研究所召开鉴定会,鉴定了第一批半导体管,并在国内首先鉴定了DTL型(二极管――晶体管逻辑)数字逻辑电路。1966年底,在工厂范围内上海元件五厂鉴定了TTL电路产品。这些小规模双极型数字集成电路主要以与非门为主,还有与非驱动器、与门、或非门、或门、以及与或非电路等。标志着中国已经制成了自己的小规模集成电路。

  1968年,组建国营东光电工厂(878厂)、上海无线电十九厂,至1970年建成投产,形成中国IC产业中的“两霸”。

  1968年,上海无线电十四厂首家制成PMOS(P型金属-氧化物半导体)电路(MOSIC)。拉开了我国发展MOS电路的序幕,并在七十年代初,永川半导体研究所(现电子第24所)、上无十四厂和北京878厂相继研制成功NMOS电路。之后,又研制成CMOS电路。七十年代初,IC价高利厚,需求巨大,引起了全国建设IC生产企业的热潮,共有四十多家集成电路工厂建成,四机部所属厂有749厂(永红器材厂)、871(天光集成电路厂)、878(东光电工厂)、4433厂(风光电工厂)和4435厂(韶光电工厂)等。各省市所建厂主要有:上海元件五厂、上无七厂、上无十四厂、上无十九厂、苏州半导体厂、常州半导体厂、北京半导体器件二厂、三厂、五厂、六厂、天津半导体(一)厂、航天部西安691厂等等。

  1972年,中国第一块PMOS型LSI电路在四川永川半导体研究所研制成功。

  1973年,我国7个单位分别从国外引进单台设备,期望建成七条3英寸工艺线,最后只有北京878厂,航天部陕西骊山771所和贵州都匀4433厂。

  1976年11月,中国科学院计算所研制成功1000万次大型电子计算机,所使用的电路为中国科学院109厂(现中科院微电子中心)研制的ECL型(发射极耦合逻辑)电路。

  1982年,江苏无锡的江南无线电器材厂(742厂)IC生产线建成验收投产,这是一条从日本东芝公司全面引进彩色和黑白电视机集成电路生产线,不仅拥有部封装,而且有3英寸全新工艺设备的芯片制造线,不但引进了设备和净化厂房及动力设备等“硬件”,而且还引进了制造工艺技术“软件”。这是中国第一次从国外引进集成电路技术。第一期742厂共投资2.7亿元(6600万美元),建设目标是月投10000片3英寸硅片的生产能力,年产2648万块IC成品,产品为双极型消费类线性电路,包括电视机电路和音响电路。到1984年达产,产量达到3000万块,成为中国技术先进、规模最大,具有工业化大生产的专业化工厂。

  1982年10月,国务院为了加强全国计算机和大规模集成电路的领导,成立了以万里副总理为组长的“电子计算机和大规模集成电路领导小组”,制定了中国IC发展规划,提出“六五”期间要对半导体工业进行技术改造。

  1983年,针对当时多头引进,重复布点的情况,国务院大规模集成电路领导小组提出“治散治乱”,集成电路要“建立南北两个基地和一个点”的发展战略,南方基地主要指上海、江苏和浙江,北方基地主要指北京、天津和沈阳,一个点指西安,主要为航天配套。

  1986年,电子部厦门集成电路发展战略研讨会,提出“七五”期间我国集成电路技术“531”发展战略,即普及推广5微米技术,开发3微米技术,进行1微米技术科技攻关。

  1988年,871厂绍兴分厂,改名为华越微电子有限公司。

  1988年9月,上无十四厂在技术引进项目,建了新厂房的基础上,成立了中外合资公司――上海贝岭微电子制造有限公司。

  1988年,在上海元件五厂、上无七厂和上无十九厂联合搞技术引进项目的基础上,组建成中外合资公司――上海飞利浦半导体公司(现在的上海先进)。

  1989年2月,机电部在无锡召开“八五”集成电路发展战略研讨会,提出了“加快基地建设,形成规模生产,注重发展专用电路,加强科研和支持条件,振兴集成电路产业”的发展战略。

  1989年8月8日,742厂和永川半导体研究所无锡分所合并成立了中国华晶电子集团公司。

  1990年10月,国家计委和机电部在北京联合召开了有关领导和专家参加的座谈会,并向党中央进行了汇报,决定实施九O八工程。

  1991年,首都钢铁公司和日本NEC公司成立中外合资公司――首钢NEC电子有限公司。

  1995年,电子部提出“九五”集成电路发展战略:以市场为导向,以CAD为突破口,产学研用相结合,以我为主,开展国际合作,强化投资,加强重点工程和技术创新能力的建设,促进集成电路产业进入良性循环。

  1995年10月,电子部和国家外专局在北京联合召开国内外专家座谈会,献计献策,加速我国集成电路产业发展。11月,电子部向国务院做了专题汇报,确定实施九0九工程。

  1997年7月17日,由上海华虹集团与日本NEC公司合资组建的上海华虹NEC电子有限公司组建,总投资为12亿美元,注册资金7亿美元,华虹NEC主要承担“九0九”工程超大规模集成电路芯片生产线项目建设。

  1998年1月,华晶与上华合作生产MOS圆片合约签定,有效期四年,华晶芯片生产线开始承接上华公司来料加工业务。

  1998年1月18日,“九0八” 主体工程华晶项目通过对外合同验收,这条从朗讯科技公司引进的0.9微米的生产线已经具备了月投6000片6英寸圆片的生产能力。

  1998年1月,中国华大集成电路设计中心向国内外用户推出了熊猫2000系统,这是我国自主开发的一套EDA系统,可以满足亚微米和深亚微米工艺需要,可处理规模达百万门级,支持高层次设计。

  1998年2月,韶光与群立在长沙签订LSI合资项目,投资额达2.4亿元,合资建设大规模集成电路(LSI)微封装,将形成封装、测试集成电路5200万块的生产能力。

  1998年2月28日,我国第一条8英寸硅单晶抛光片生产线建成投产,这个项目是在北京有色金属研究总院半导体材料国家工程研究中心进行的。

  1998年3月16日,北京华虹集成电路设计有限责任公司与日本NEC株式会社在北京长城-饭店举行北京华虹NEC集成电路设计公司合资合同签字仪式,新成立的合资公司其设计能力为每年约200个集成电路品种,并为华虹NEC生产线每年提供8英寸硅片两万片的加工订单。

  1998年4月,集成电路“九0八”工程九个产品设计开发中心项目验收授牌,这九个设计中心为信息产业部电子第十五研究所、信息产业部电子第五下四研究所、上海集成电路设计公司、深圳先科设计中心、杭州东方设计中心、广东专用电路设计中心、兵器第二一四研究所、北京机械工业自动化研究所和航天工业771研究所。这些设计中心是与华晶六英寸生产线项目配套建设的。

  1998年6月,上海华虹NEC九0九二期工程启动。

  1998年6月12日,深港超大规模集成电路项目一期工程――后工序生产线及设计中心在深圳赛意法微电子有限公司正式投产,其集成电路封装测试的年生产能力由原设计的3.18亿块提高到目前的7.3亿块,并将扩展的10亿块的水平。

  1998年10月,华越集成电路引进的日本富士通设备和技术的生产线开始验收试制投 片,-该生产线以双极工艺为主、兼顾Bi-CMOS工艺、2微米技术水平、年投5英寸硅片15万片、年产各类集成电路芯片1亿只能力的前道工序生产线及动力配套系统。

  1998年3月,由西安交通大学开元集团微电子科技有限公司自行设计开发的我国第一个-CMOS微型彩色摄像芯片开发成功,我国视觉芯片设计开发工作取得的一项可喜的成绩。

  1999年2月23日,上海华虹NEC电子有限公司建成试投片,工艺技术档次从计划中的0.5微米提升到了0.35微米,主导产品64M同步动态存储器(S-DRAM)。这条生产线的建-成投产标志着我国从此有了自己的深亚微米超大规模集成电路芯片生产线。

  中国半导体产业发展历史

  ◎分立器件发展阶段(1956-1965)

  1956年中国提出“向科学进军”,国家制订了发展各门尖端科学的“十二年科学技术发展远景规划”,明确了目标。根据国外发展电子器件的进程,提出了中国也要研究发展半导体科学,把半导体技术列为国家四大紧急措施之一。从半导体材料开始,自力更生研究半导体器件。为了落实发展半导体规划,中国科学院应用物理所首先举行了半导体器件短期训练班。请回国的半导体专家内昆、吴锡九、黄敞、林兰英、王守武、成众志等讲授半导体理论、晶体管制技术和半导体线路。参加短训班的约100多人。

  当时国家决定由五所大学-北京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学和南京大学联合在北京大学半导体物理专来,共同培养第一批半导体人才。五校中最出名的教授有北京大学的黄昆、复旦大学的谢希德和吉林大学的高鼎三。1957年就有一批毕业生,其中有现在成为中国科学院院士的王阳元(北京大学)、工程院院士的许居衍(华晶集团公司)和电子工业部总工程师俞忠钰等人。之后,清华大学等一批工科大学也先后设置了半导体专业。

  中国半导体材料从锗(Ge)开始。通过提炼煤灰制备了锗材料。1957年北京电子管厂通过还原氧化锗,拉出了锗单晶。中国科学院应用物理研究所和二机部十局第十一研究所开发锗晶体管。前者由王守武任半导体实验室主任,后者由武尔桢负责。1957可国依靠自己的技术开发,相继研制出锗点接触二极管和三极管(即晶体管)。

  为了加强半导体的研究,中国科学院于1960年在北京建立了半导体研究所,同年在河北省石家庄建立了工业性专业研究所-第十三研究所,即现在的河北半导体研究所。到六十年代初,中国半导体器件开始在工厂生产。此时,国内搞半导体器件的已有十几个厂点。当时北方以北京电子管厂为代表,生产了II-6低频合金管和II401高频合金扩散管;南方以上海元件五厂为代表。

  在锗之后,很快也研究出其他半导体材料。1959年天津拉制了硅(Si)单晶。1962年又接制了砷化镓(GaAs)单晶,后来也研究开发了其他种化合物半导体。

  硅器件开始搞的是合金管。1962年研究成外延工艺,并开始研究采用照相制版、光刻工艺,河北半导体研究所在1963年搞出了硅平面型晶体管,1964年搞出了硅外延平面型晶体管。在平面管之前不久,也搞过错和硅的台面扩散管,但一旦平面管研制出来后,绝大部分器件采用平面结构,因为它更适合于批量生产。

  当时接制的单晶棒的直径很小,也不规则。一般将硅片切成方片的形状,如7×7、10×10、15×15m㎡。后来单晶直径拉大些后,就开始采用不规则的圆片,但直径一般在35-40㎜之间。

  在半导体器件批量生产之后,六十年代主要用来生产晶体管收音机,电子管收音机在体积上大为缩小,重量大为减轻。一般老百姓把晶体管收音机俗称为“半导体”。它在六十年代成为普通居民所要购买的“四大件”之一。(其他三大件为缝纫机、自行车和手表)另一方面,新品开发主要研究方向是硅高频大功率管,目的是要把部队所用的采用电子管的“八一”电台换装为采用晶体管的“小八一”电台,它曾是河北半导体所和北京电子管厂当年的主攻任务。

  除了收讯放大管之外,之后也开发了开关管。中国科学院在半导体所之外建立了一所实验工厂,取名109厂。(后改建为微电子中心)它所生产的开关管,供中国科学院计算研究所研制成第二代计算机。随后在北京有线电厂等工厂批量生产了DJS-121型锗晶体管计算机,速度达到1万次以上。后来还研制出速度更快的108机,以及速度达28万次、容量更大的DJS-320型中型计算机,该机采用硅开关管。

  总之,向科学进军的号如下,中国的知识分子、技术人员在外界封锁的环境下,在海外回国的一批半导体学者带领下,凭藉知识和实验室发展到实验性工厂和生产性工厂,开始建立起自己的半导体行业。这期间苏联曾派过半导体专家来指导,但很快因中苏关系恶化而撤走了。这一发展分立器件的阶段历时十年,与国外差距为十年。

  ◎IC初始发展阶段(1965-1980年)

  在有了硅平面工艺之后,中国半导体界也跟随世界半导体开始研究半导体集成电路,当时称为固体电路。国际上是在1958年由美国的得克萨斯仪器公司(TI)和仙兰公司各自分别发明了半导体集成电路。当初研制的是采用RTL(电阻一晶体管逻辑)型式的最基本的门电路,将单个的分立器件:电阻和晶体管,在同一个硅片上集合而成一个电路,故称之为“集成电路”(Integrated Circrrit简称IC)。

  中国第一块半导体集成电路究竟是由哪一个单位首先研制成功的?这一问题有过争议。在相差不远的时间里,有中国科学院半导体研究所,河北半导体研究所,它在1965年12月份召开的产品鉴定会上鉴定了一批半导体管,并在国内首先鉴定了DTL型(二极管-晶体管逻辑)数字逻辑电路。这是十室提交鉴定的,当时采用的还不是国外普遍使用的P-N结隔离,而是仅在国外文献中有所报导的SiO2介质隔离,通过反外延方法制备基片。

  在研究单位之后,工厂在生产平面管的基础上也开始研制集成电路。北方为北京电子管厂,也采用介质隔离研制成DTL数字电路,南方为上海元件五厂,在华东计算机所的合作下,研制出采用P-N结隔离的TTL型(晶体管-晶体管逻辑)数字电路,并在1966年底,在工厂范围内首家召开了产品鉴定会鉴定了TTL电路。

  DTL和TTL都是双极型数字集成电路,主要是逻辑计算电路,以基本的与非门为基础,当时都是小规模集成电路,还有与非驱动器、与门、或非门、或门、以及与或非电路等。主要用途是用于电子计算机。中国第一台第三代计算机是由位于北京的华北计算技术研究所研制成功的,采用DTL型数字电路,与非门是由北京电子管厂生产,与非驱动器是由河北半导体研究所生产,展出年代是1968年。

  为了加速发展半导体集成电路,四机部(后来改名为电子工业部)决定筹建第一个专门从事半导体集成电路的专业化工厂,由北京电子管厂抽一部分技术力量,在1968年建立了国营东光电工厂(代号878厂),当时正处于动乱的十年“文革”初期,国家领导号召建设大三线,四机部新建工厂,采用“8”字头的都是在内地大三线,唯独878厂,为了加快建成专业化集成电路生产厂,破例地建在首都北京。与此同时,上海仪表局也将上海元件五厂生产TTL数字电路的五车间搬迁到近郊,建设了上海无线电十九厂(简称上无十九厂)。到1970年两厂均已建成投产。从此,七十年代形成了中国IC行业的“两霸”,南霸上无十九厂,北霸878厂。在国外实行对华封锁的年代里,集成电路属于高新技术产品,是禁止向中国出口的。因此,在封闭的自力更生、计划经济年代里,这两厂的IC一度成为每年召开两次电子元器件订货会上最走俏的产品。当时一块J-K触发器要想马上拿到手,得要部长的亲笔批条。在中国实行改革开放政策之前,IC在中国完全是卖方市场。七十年代上半期,一个工厂的IC年产量,只有几十万块,到七十年代末期,上无十九厂年产量才实破500万块,位居全国第一。

  文化大革命开始后,陈伯达向毛泽东主席提出了“电子中心论”。一时间采用群众运动的方式“全民”大搞半导体.为了打破尖端迷信,报上宣传说城市里了道老太太在弄堂里拉一台扩散炉,也能做出半导体.批判878厂建厂时铺了水磨石地板为“大,洋,全”。这股风使工厂里不重视产品质量,这曾导致878厂为北京大学电子仪器厂生产TTL和S-TTL(肖特基二极管钳位的TTL)电路研制百万次大型电子计算机“推倒重来”。最后质量改进后的电路才使北大在1975年研制成中国第一台真正达到100万次运算速度的大型电子计算机-150机。(在此之前,由上无十九厂生产的TTL电路,供华东计算所研制出达到80多万次速度的大型计算机,号称“百万次”。)

  随后,中国科学院109厂研制了ECL型(发射极藕合逻辑)电路,提供给中国科学院计算所,在1976年11月研制成功1000万次大型电子计算机。

  总之,在中国IC初始发展阶段的十五年间,在开发集成电路方面,尽管国外实行对华封锁,中国还是能够依靠自己的技术力量,相继研制并生产了DTL、TTL、ECL各种类型的双极型数字逻辑电路,支持了国内计算机行业,研制成百万次、千万次级的大型电子计算机。但这都是小规模集成电路。

  在发展双极型电路(Bipolar IC)之后,不久也开始研究MOS(金属--氧化物-半导体)电路(MOS IC)。

  1968年研究出PMOS电路,这是上海无线电十四厂首家搞成的。到七十年代初期,永川半导体研究所,即24所,(它由石家庄13所十一室搬到四川水川扩大而建的)上无十四厂和北京878厂相继研制成NMOS电路。之后,又研制成CMOS电路。

  在七十年代初期,由于受国外IC迅速发展和国内“电子中心论”的影响,加上当时IC的价格偏高(一块与非门电路不变价曾哀达500元,利润较大f销售利润率有的厂高达40%以上),而货源又很紧张,因而造成各地IC厂点大量涌现,曾经形成过一股“IC热”。不少省市自治区,以及其他一些工业部门都兴建了自己的IC工厂,造成一哄而起的局面。 在这期间,全国建设了四十多家集成电路工厂。四机部直属厂有749厂(永红器材厂)、 871厂(天光集成电路厂)、 878厂(东光电工厂)、 4433厂(风光电工厂)和4435厂(韶光电工厂)等。各省市所建厂中有名的有:上海元件五厂、上无七厂、上无十四厂、上无十九厂、苏州半导体厂、常州半导体厂、北京市半导体器件二厂、三厂、五厂、六厂、天津半导体(一)厂、航天部西安691厂等等。

  集成电路一经出现,随着设备和工艺的不断发展,集成度迅速提高。从小规模集成(SSI),经过中规模集成(MSL),很快发展到大规模集成(LSI),这在美国用8年时间。而中国在初始发展阶段中出仅用7年时间走完这段路,与国外差距还不是很大。

  1972年中国第一块PMOS型LST电路在四川永川半导体研究所研制成功,为了加速发展LSI,中国接连召开了三次全国性会议,第一次1974年在北京召开,第二次1975年在上海召开;第三次1977年在大三线贵州省召开。为了提高工艺设备的技术水平,并了解国外IC发展的状况,在1973年中日邦交恢复一周年之际,中国组织了由14人参加的电子工业考察团赴日本考察IC产业,参观了日本当时八大IC公司:日立、NEC、东芝、三菱、富士通、三洋、冲电气和夏普,以及不少设备制造厂。原先想与NEC谈成全线引进,因政治和资金原因没有成匀丢失了一次机迂。后来改为由七个单位从国外购买单位台设备,期望建成七条工艺线。最后成线的只有北京878厂,航天部陕西骊山771所和贵州都匀4433厂。

  这一阶段15年,从研制小规模到大规模电路,在技术上中国都依靠自己的力量,只是从国外进口了一些水平较低的工艺设备,与国外差距逐渐加大。在这期间美国和日本已先后进入IC规模生产的阶段。

  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,以硅为原料的电子组件产值,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组件,包括存储元件、微处理机、逻辑组件、光电组件与侦测器等等在内,举凡电视、电话、计算机、电冰箱、汽车,这些半导体组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集成电路,其价值可达上万美金;把石头变成硅芯片的过程是一项点石成金的成就,也是近代科学的奇迹!

  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了解,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, 1791-1867),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。

  1874年,德国的布劳恩(Ferdinand Braun,1850-1918),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,1877-1956),才发明了第一个固态电子组件: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,1886~1976)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(potential barrier)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, 1868-1951)的学生贝特(Hans Bethe,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(Felix Bloch,1905-1983)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周期性的项,首开能带理论的先河。另一方面,德国人佩尔斯(Rudolf 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。

  晶体管的发明

  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, 1884~1976)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组件的实用性。

  二次大战后,美国的贝尔实验室(Bell Lab),决定要进行一个半导体方面的计划,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, 1910~1989)与摩根(Stanley Morgan)。由于使用场效应(field effect)来改变电导的许多实验都失败了,巴丁(John Bardeen,1908~1991)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 Brattain 1902~1987)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料,在塑料角上贴上金箔,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(emitter),负电压的称为集极(collector),塑料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 contact transistor),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,该日因而成为晶体管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接面来制作接面晶体管(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晶体管,也称为双极型晶体管 (bipolar transistor),但以当时的技术,还无法实际制作出来。

  晶体管的确是由于科学发明而创造出来的一个新组件,但是工业界在1950年代为了生产晶体管,却碰到许多困难。1951年,西方电器公司(Western Electric)开始生产商用的锗接点晶体管,1952年4月,西方电器、雷神(Raytheon)、美国无线电(RCA) 与奇异(GE)等公司,则生产出商用的双极型晶体管。但直到1954年5月,第一颗以硅做成的晶体管才由美国德州仪器公司(Texas Instruments)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晶体管,使用于包括无线电、收音机、电子计算器甚至助听器等等电子产品。

  早期制造出来的晶体管均属于高台式的结构。1958年,快捷半导体公司(Fairchild Semiconductor)发展出平面工艺技术(planar technology),借着氧化、黄光微影、蚀刻、金属蒸镀等技巧,可以很容易地在硅芯片的同一面制作半导体组件。1960年,磊晶(epitaxy)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(batch)生产的能力,终于站稳脚步,开始快速成长。

  集成电路

  集成电路就是把许多分立组件制作在同一个半导体芯片上所形成的电路,早在1952年,英国的杜默(Geoffrey W. A. Dummer)就提出集成电路的构想。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芯片上能包含不同的组件。1964年,快捷半导体(Fairchild Semiconductor)的诺宜斯(Robert Noyce,1927~1990),则使用平面工艺方法,即借着蒸镀金属、微影、蚀刻等方式,解决了集成电路中,不同组件间导线连结的问题。

  集成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晶体管;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,开发出金氧半晶体管(metal-oxide-semiconductor,MOS);因为金氧半晶体管比起双极型晶体管,功率较低、集积度高,制程也比较简单,因而成为后来大规模集成电路的基本组件。

  60年代发展出来的平面工艺,可以把越来越多的金氧半组件放在一块硅芯片上,从1960年的不到十个组件,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穆尔定律 (Moore’s law),是穆尔(Gordon Moore)在1964年的一次演讲中提出的,后来竟成了事实。

  超大规模集成电路

  在1970年代,决定半导体工业发展方向的,有两个最重要的因素,那就是半导体内存(semiconductor memory)与微处理机(micro processor)。在微处理机方面,1968年,诺宜斯和穆尔成立了英特尔(Intel)公司,不久,葛洛夫 (Andrew Grove) 也加入了,1969年,一个日本计算器公司比吉康(Busicom)和英特尔接触,希望英特尔生产一系列计算器芯片,但当时任职于英特尔的霍夫(Macian E. Hoff)却设计出一个单一可程序化芯片,1971年11月15日,世界上第一个微处理器4004诞生了,它包括一个四位的平行加法器、十六个四位的缓存器、一个储存器(accumulator)与一个下推堆栈(push-down stack),共计约二千三百个晶体管;4004与其它只读存储器、移位缓存器与随机存取内存,结合成MCS-4微电脑系统;从此之后,各种集积度更高、功能更强的微处理器开始快速发展,对电子业产生巨大影响。三十年后的今天,英特尔的Pentium III已经包含了一千万个以上的晶体管。

  毫无疑问的,内存芯片与微处理器同等的重要,1965年,快捷公司的施密特(J.D.Schmidt)使用金氧半技术做成实验性的随机存取内存。1969年,英特尔公司推出第一个商业性产品,这是一个使用硅闸极、p型信道的256位随机存取内存。内存发展过程中最重要的一步,就是1969年,IBM的迪纳(R.H.Dennard) 发明了只需一个晶体管和一个电容器,就可以储存一个位的记忆单元;由于结构简单,密度又高,现今半导体制程的发展常以动态随机存取内存的容量为指针。大致而言,1970年就有1K的产品;1974年进步到4K (闸极线宽十微米);1976年16K(五微米);1979年64K(三微米);1983年256K(一点五微米);1986年1M(一点二微米);1989年4M (零点八微米);1992年16M(零点五微米);1995年64M(零点三五微米);1998年到256M(零点二五微米),大约每三年进步一个世代,2001年就迈入千兆位大关。

  根据国际半导体科技进程(International Technology Roadmap for Semiconductor)的推估,公元2014年,最小线宽可达0.035微米,内存容量更高达两亿五千六兆位,尽管新制程、新技术的开发越形困难,但半导体业在未来十五年内,相信仍会迅速的发展下去。

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