科普：半導體的起源

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2022-03-17 07:04:07 12

半導體，我們當下討論的比較多的，有關于材料，有關于器件，有關于投資，有......每個話題的側重點都不同。材料無非是第三代寬禁帶半導體材料；器件主要是基于WBG材料的MOS,HEML等，我們之前也聊過；投資的話就不多說了，行業趨勢，企業資訊，股市等等。今天我們要聊的，是半導體工業的歷程，了解一下半導體工業的源起。

真空三極管“挑事”

說起真空三極管，1906年被Lee Deforest(李·德弗雷斯特)發明出來，使得收音機、電視機等消費類電子產品成為可能，它還是*上*臺電子計算機的大腦，一臺占地近140㎡，重達30噸的大家伙，使用了近19000個真空管以及數千個電阻及電容器。真空三極管是由一個柵極和兩個被柵極分開的電極，在玻璃密封的空間中構成的，密封空間內部是真空，一方面防止部件燒毀一方面易于電子的自由移動。
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其有兩大功能即開關和放大，開關指接通和切斷電流，放大指電流或小信號放大，并保持信號原有的特征功能。但是有一系列的缺點，如體積大，連接處易于松動，并且壽命較短，老化速度較快。
這一系列的缺點導致其必然要發展或者是被替代，1949年，貝爾實驗室的John Bardeen(約翰·巴丁)、Walter Brattin(沃爾特·布拉頓)、William Shockley(威廉·肖克利)三人發明了半導體材料鍺制成的電子放大器，也就是*代晶體管(這三位科學家也因此獲得了1956年諾貝爾物理獎)，晶體管最初叫“傳輸電阻器”，后來才更名為晶體管(Transistor)。
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這種晶體管包括真空管的功能，同時是固態的，沒有真空，體積小、質量輕、耗電低并且壽命長的優點。從此便進入了“固態時代”，也就是目前我們見的最多的。
從*個晶體管發展到我們現在的許多電力電子器件，使得電力電子技術得到了飛躍的發展，這些器件我們一般統稱為分立器件，即每個芯片只含有一個元件。而半導體相關的另一個器件，我們之前并沒有提及過的，即集成電路。

集成電路

集成電路(Integrated circuit)是一種微型電子器件，采用一定工藝，在一塊半導體基材上將一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連在一起，然后封裝在管殼兒內，形成具有所需電路功能的微型結構。
*個集成電路是由德州儀器的Jack Kilby(杰克·基爾比)發明，但是其并不是現今集成電路的形式。
其最初使用的是單獨的線連接起來的，而早些時候仙童照相機的Jean Horni(吉恩·霍尼)已經開發出了一種在芯片表面上形成電子結來制作晶體管的平面制造工藝，即利用硅易于形成絕緣體氧化硅的優點。而后Robert Noyce(羅伯特·諾伊斯)應用這種技術把預先在硅表面上形成的分立器件連接起來，最終形成了所有集成電路所使用的模式。

工藝和趨勢

從1947年開始，半導體行業就已經開始在工藝上進行提高和發展，時至今日也依舊還在不斷的發展。工藝的改進可以歸結于兩類：工藝和結構。
工藝的改進：以更小尺寸來制造器件和電路，使其具有更高的密度，更多的數量和更高的可靠性。
結構的改進：在新器件設計上的發明使其性能更好，實現更佳的能耗控制和更高的可靠性。
這兩種改進帶來的效果，我們從 IGBT幾代的發展歷程可以很好的體會，當然我們之前提到的很多因素，比如設備過程中的一些缺陷等等都可以歸結于工藝的改進。
集成電路中器件的尺寸和數量是IC發展的兩個共同標志。器件的尺寸是以設計中的最小尺寸來表示的，我們稱之為特征圖形尺寸。從小規模集成電路發展到今天的百萬芯片，得益于其中單個元件的特征圖形尺寸的減小，這得益于光刻機圖形化工藝和多層連線技術的極大提高。這一點在如今討論的也是比較多的，比如22nm芯片，10nm甚至7nm等等。更專業的表述是柵條寬度，即我們控制部分柵極的寬度，更小更快的晶體管以及更高密度的電路，得益于更小的柵條寬度。說到這里不得不提到前段時間經常看到的詞匯--“摩爾定律”，英特爾的創始人之一Gordon Moore(戈登·摩爾)在1965年預言的，芯片上的晶體管數量會以每18個月翻一番的速度增長，經過多年實際驗證這一速度較為準確，也成為預測未來芯片上晶體管密度的依據。按照電路中器件的數量，即集成度水平，我們可以分為幾個等級：小規模集成(SSI)：2~50個/chip；中規模集成(MSI):50~5000個/chip；大規模集成(LSI):5000~100000個/chip；超大規模集成(VLSI):100000~1000000個/chip；甚大規模集成(ULSI):＞1000000個/chip。
摩爾定律并不是隨著時間無限制地發展的，主要受限于半導體材料和制備的限制，所以會聽到半導體材料硅快到極限的消息，故而需要發展新的材料和不停地提升設備和設計。

芯片和晶圓尺寸

我們都知道，芯片是在稱為晶圓(wafer)的薄硅片或者其他半導體材料薄片上制成的。

在圓形wafer上制造矩形的芯片，導致了在wafer的邊緣處剩余了一些不可用區域。當芯片尺寸較大時，這些不可用區域也會隨之較大，所以逐漸采用更大尺寸的wafer，這也就變相地“減小”了芯片的尺寸，也使得生產效率和產量得到一定的提升，這是為什么從6英寸到8英寸再到現在12英寸晶圓的原因之一。
現在的芯片尺寸越做越小，成本越來越低，性能越來越高，這得益于以上我們說到的工藝改進、設備的發展等，這也導致了半導體行業的競爭越來越激烈。
就目前而言，生產廠商的類型大概有三類：集成器件制造商(IDM)：集設計、制造、封裝和銷售為一體；代工廠(Foundry):其他芯片供應商制造芯片；無加工廠(Fabless):只負責芯片設計和銷售，其他環節大多外包。當然，還有其他交錯的模式，同時，半導體國產化使得國內的半導體廠商也越來越多，企業模式也越來越多。