科普：半導體的起源

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2022-03-17 07:04:07 4

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(yè)趨勢，企業(yè)資訊，股市等等。今天我們要聊的，是半導體工業(yè)的歷程，了解一下半導體工業(yè)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(fā)明出來，使得收音機、電視機等消費類電子產(chǎn)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(shù)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(fā)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(fā)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(tài)的，沒有真空，體積小、質量輕、耗電低并且壽命長的優(yōu)點。從此便進入了“固態(tài)時代”，也就是目前我們見的最多的。
從*個晶體管發(fā)展到我們現(xiàn)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(fā)展，這些器件我們一般統(tǒng)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(fā)明，但是其并不是現(xiàn)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(jīng)開發(fā)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(yōu)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(yè)就已經(jīng)開始在工藝上進行提高和發(fā)展，時至今日也依舊還在不斷的發(fā)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(shù)量和更高的可靠性。
結構的改進：在新器件設計上的發(fā)明使其性能更好，實現(xiàn)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(fā)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(shù)量是IC發(fā)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(guī)模集成電路發(fā)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(yè)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(jīng)常看到的詞匯--“摩爾定律”，英特爾的創(chuàng)始人之一Gordon Moore(戈登·摩爾)在1965年預言的，芯片上的晶體管數(shù)量會以每18個月翻一番的速度增長，經(jīng)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(jù)。按照電路中器件的數(shù)量，即集成度水平，我們可以分為幾個等級：小規(guī)模集成(SSI)：2~50個/chip；中規(guī)模集成(MSI):50~5000個/chip；大規(guī)模集成(LSI):5000~100000個/chip；超大規(guī)模集成(VLSI):100000~1000000個/chip；甚大規(guī)模集成(ULSI):＞1000000個/chip。
摩爾定律并不是隨著時間無限制地發(fā)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(fā)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(qū)域。當芯片尺寸較大時，這些不可用區(qū)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(chǎn)效率和產(chǎn)量得到一定的提升，這是為什么從6英寸到8英寸再到現(xiàn)在12英寸晶圓的原因之一。
現(xiàn)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(fā)展等，這也導致了半導體行業(yè)的競爭越來越激烈。
就目前而言，生產(chǎn)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(huán)節(jié)大多外包。當然，還有其他交錯的模式，同時，半導體國產(chǎn)化使得國內的半導體廠商也越來越多，企業(yè)模式也越來越多。