•   半导体材料的发展历史_电子/电路_工程科技_专业资料。半导体材料的发展历史 1833 年,英国法拉第最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属,一般情况下,金属 的电阻随温度升高而增加,但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半

      半导体材料的发展历史 1833 年,英国法拉第最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属,一般情况下,金属 的电阻随温度升高而增加,但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的 首次发现。 不久, 1839 年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结,在光照下会产生一个电压,这就 是后来人们熟知的光生伏特效应,这是被发现的半导体的第二个特征。 在 1874 年,德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关,即它的导电有方向性, 在它两端加一个正向电压, 它是导通的; 如果把电压极性反过来, 它就不导电, 这就是半导体的整流效应, 也是半导体所特有的第三种特性。同年,舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。 1873 年, 英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应, 这是半导体又一个特有的性 质。半导体的这四个效应,虽在 1880 年以前就先后被发现了,但半导体这个名词大概到 1911 年才被考尼 白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到 1947 年 12 月才由贝尔实验室完成。 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, 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,对于导体来说,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.Pickkard,1877~1956),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,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(FelixBloch,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週期性的项, 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。 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, 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元件的实 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, 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(emitter),负电 压的称为集极 (collector),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 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 transistor),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,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 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 (Fairchild Semiconductor) 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半导体元件。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。 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不同的元件。1964 年, 快捷半导体(Fairchild Semi-Conductor)的诺宜斯(Robert Noyce, 1927~1990), 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,开发出金属氧化物半导体 (metal-oxide-semiconductor,MOS);因为金属氧化物半 导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。 超大型积体电路在 1970 年代,决定半导体工业发展方向的,有两个最重要的因素,那就是半导体记 忆体 (semiconductor memory) 与微处理机 (microprocessor)。在微处理机方面,1968 年,诺宜斯和莫 尔成立了英代尔 (Intel) 公司,不久,葛洛夫 (Andrew Grove) 也加入了,1969 年,一个日本计算机公 司比吉康 (Busicom) 和英代尔接触,希望英代尔生产一系列计算机晶片,但当时任职于英代尔的霍夫 (Macian E. Hoff) 却设计出一个单一可程式化晶片,1971 年 11 月 15 日,世界上第一个微处理器 4004 诞 生了,它包括一个四位元的平行加法器、十六个四位元的暂存器、一个储存器 (accumulator) 与一个下推 堆叠 (push-down stack),共计约二千三百个电晶体;4004 与其他唯读记忆体、移位暂存器与随机存取记 忆体,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,英代尔的 Pentium III 已经包含了一千万个以上的电晶体。 毫无疑问的,记忆体晶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记忆体。1969 年,英代尔公司推出第一个商业性产品,这是一个使用 硅闸极、p 型通道的 256 位元随机存取记忆体。记忆体发展过程中最重要的一步,就是 1969 年,IBM 的迪 纳(R. H. Dennard) 发明了只需一个电晶体和一个电容器,就可以储存一个位元的记忆单元;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记忆体的容量为指标。大致而言,1970 年就有 1K 的产品; 1974 年进步到 4K(闸极线K (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 年就迈入十亿 位元大关。 根据国际半导体科技进程 (International Technology Roadmap for Semiconductor) 的推估,西元 2014 年,最小线 微米,记忆体容量更高达两亿五千六百万位元,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。

    上一篇:

    下一篇:

    半导体材料
    半导体材料
    2019-10-09 13:17
    阅读数 2881
    评论数 1
I'm loading