半導(dǎo)體的歷史

?半導(dǎo)體的歷史
2.1 The life before semiconductor
在沒(méi)有半導(dǎo)體的存在之前,我們的生活會(huì)是如何的呢? 這些非常微小的集成電路芯片雖然在我們?nèi)粘Ｉ钪胁灰妆晃覀儼l(fā)現(xiàn),不過(guò)他們很明確的隱藏在我們的生活周遭: 幾乎所有我們使用的電子相關(guān)產(chǎn)品,計(jì)算機(jī)相關(guān)組件里都有這些半導(dǎo)體的存在。所以如果我們生活中缺少了這些小東西，可以說(shuō)是非常的不方便，經(jīng)濟(jì)發(fā)展也一定受到影響。 在1950年代貝爾實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)展出最原始的半導(dǎo)體之前當(dāng)時(shí)的電子設(shè)備如同：收音機(jī)或是一些影像相關(guān)的電子儀器都是使用一種叫做真空管的零件在控制系統(tǒng)中的電子.這些使用真空管的電子儀器成為了日后在地二次世界大戰(zhàn)中扮演了極重要的角色的雷達(dá)、微波以及導(dǎo)航系統(tǒng)的基石，也完全改變了歷史的發(fā)展。.真空管也被使用在早期的計(jì)算機(jī)之中，而且就算到了最近半導(dǎo)體高度發(fā)展的社會(huì)之中，真空管還使有備使用在電視還high power radio frequency transmitters之中。
2.2 Innovation begins
在第二次世界大戰(zhàn)剛結(jié)束不久的1947年三位貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家的研究使得世界上第一個(gè)bipolar transistors 問(wèn)世, 帶領(lǐng)了人類(lèi)邁向電子儀器還有產(chǎn)品的新紀(jì)元。 這三位科學(xué)家分別是: Jack S.Kilby, William Shockley and Robert Noyce.
Jack S.Kilby 生于1923年于美國(guó)Kansas洲,他的父親是一位amateur radio operator 也因?yàn)樗赣H的工作性質(zhì)使得年輕的jack 對(duì)于電子相關(guān)的領(lǐng)域產(chǎn)生了濃厚的興趣. 之后隨著他的興趣發(fā)展，他就讀于University of Illinois并且在1947年畢業(yè),之后在1958年進(jìn)入了德州儀器工作。當(dāng)他在德州儀器就義的期間他解決了一個(gè)叫做 “tyranny of numbers”的問(wèn)題， 他利用一小塊germanium 并在接上示波器, 按了一個(gè)開(kāi)關(guān),結(jié)果示波器上面顯示了連續(xù)的sin的波, 這證明了他的集成電路是確實(shí)在運(yùn)作的，也同時(shí)表示他解決了這個(gè)問(wèn)題。 他的第一項(xiàng)專利是“Solid Circuit made of Germanium”。順代一題眾所皆知的可攜帶式的電子計(jì)算器還有thermal printer都是他60幾項(xiàng)的專利之一。. 在1970到1980年代中葉 Jack 在Texas A&M University的電機(jī)工程系教書(shū),。不久之后他就離開(kāi)了德州儀器. 他在2000年的時(shí)候榮獲了科學(xué)界最高的榮耀---諾貝爾對(duì)于他所發(fā)明的集成電路。五年之后這位偉大的科學(xué)家因?yàn)榘┱攀烙?005年。
William Shockley 生于1910年的倫敦，他雖然在英國(guó)出生可是他的父母都是美國(guó)人，之后他大部分的童年都在美國(guó)California渡過(guò); 他在1936年在麻省理工學(xué)院獲得了他的博士學(xué)位。 在他獲得了博士學(xué)位之后他就近入了貝爾實(shí)驗(yàn)室工作，可是到了第二次世界大戰(zhàn)期間他必續(xù)介入Radio相關(guān)的研究而離開(kāi)了貝爾實(shí)驗(yàn)室到了 Columbia University's Anti-Submarine Warfare Operations Group, 他到了Columbia University 的主要目的是為了改進(jìn)一些針對(duì)潛水挺的相關(guān)戰(zhàn)略的技術(shù)，例如: improved convoying techniques and optimizing depth charge patterns.當(dāng)?shù)诙问澜绱髴?zhàn)過(guò)后Shockley回到了貝爾實(shí)驗(yàn)室?guī)ьI(lǐng)了一個(gè)新組成的團(tuán)隊(duì): solid state physics group，這個(gè)團(tuán)隊(duì)的主要目標(biāo)是要尋找可以替代易碎的真空管訊號(hào)加強(qiáng)器的固態(tài)替代品。經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)久的努力與無(wú)數(shù)次的實(shí)驗(yàn)、嘗試與失敗， Shockley最后的建議是要放一小滴的 gu 在P-N junction上. 之后在1947年的十二月以之前的建議為基礎(chǔ)創(chuàng)造出了同樣可以和真空管一樣達(dá)到訊號(hào)放大的效果的point-contact transistor。Shockley發(fā)表此一發(fā)明之后的一個(gè)月，貝爾實(shí)驗(yàn)室的專利組開(kāi)始為這項(xiàng)創(chuàng)新的發(fā)現(xiàn)申請(qǐng)專利。
最后Shockley得到了自己經(jīng)營(yíng)獨(dú)立的公司的機(jī)會(huì)，他說(shuō)創(chuàng)立的公司為：Shockley Semiconductor laboratory ; 雖然最后因?yàn)樗慕?jīng)營(yíng)管理方式不恰當(dāng)而宣告失敗，但是他對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的貢獻(xiàn)是無(wú)法忽略的。在1959年的時(shí)候Shockley與兩位他之前的同事Bardeen and Brattain 共同獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng). Shockley的晚年只要是在Stanford university教書(shū)，之后在1989年死于prostate cancer。
Robert Noyce ---同時(shí)也被稱作“the Mayor of Silicon Valley “他出生于1927年的 Burlington之后在麻省理工學(xué)院獲得了物理的博士學(xué)位. 一開(kāi)始他加入了Shockley的公司Shockley Semiconductor laboratory 的研究團(tuán)隊(duì)可是最后與稱作“traitorous eight” (including: Julius Blank, Victor Grinich, Jean Hoerni, Eugene Kleiner, Jay Last, Gordon Moore, Robert Noyce, Sheldon Roberts) 的八位科學(xué)家離一起離開(kāi)了Shockley Semiconductor laboratory。這八位科學(xué)家想要離開(kāi) Shockley因?yàn)樗麄冇诜ㄕJ(rèn)同他的經(jīng)營(yíng)管理模式，最主要的是無(wú)法同意他對(duì)于研究該如何發(fā)展的態(tài)度，Shockley 會(huì)單純以他心中的期待去引導(dǎo)研究進(jìn)行的方向而不是讓客觀時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)事實(shí)來(lái)推動(dòng)研究的方向。一開(kāi)始這八位科學(xué)家本來(lái)想要找人來(lái)取代Shockley的位置，可是并沒(méi)有如他們所期望的成功; 所以他們最后決定與Fairchild Camera and Instrument Corporation 簽訂研究合約也就創(chuàng)立了Fairchild 的子公司Fairchild Semiconductor. Fairchild semiconductor日后成為了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中最重要的公司之一，對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也造成的極大的沖擊; 另外一間影響重大的半導(dǎo)體公司為德州儀器. Noyce在Fairchild的期間，他們發(fā)明了集成電路IC(由許多晶體管刻蝕在同一片硅晶圓上)。在1968年Nayce 離開(kāi)了Fairchild semiconductor并且和同事Gordon E. Moore 共同組成了日后對(duì)于計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)影響最大的Intel， 當(dāng)Noyce 在Intel時(shí)，他看出了當(dāng)時(shí)Ted Hoff's對(duì)于微處理器的發(fā)明與發(fā)現(xiàn)所具有的潛力。. Noyce親眼看見(jiàn)Shockley的失敗,也學(xué)到了要如何使一個(gè)企業(yè)順利的運(yùn)作與發(fā)展。他會(huì)給予他年輕的杰出職員充分的發(fā)展空間與氣氛，給予他們自由發(fā)展的機(jī)會(huì)。Noyce的經(jīng)營(yíng)管理方式對(duì)于當(dāng)時(shí)的硅谷工作方式造成很大的影響。
為了紀(jì)念Noyce對(duì)于版到體的貢獻(xiàn)，Intel總部的大樓以他的榮耀命名：The Robert Noyce Building.。Noyce 因?yàn)樗麑?duì)于硅集成電路的貢獻(xiàn)在1978年獲得了“the IEEE Medal of Honor in " 之后他在1990病逝。
上的公功用。之后由他的兩位同事Bardeen and Brattain改進(jìn);他們發(fā)現(xiàn)電子會(huì)在晶體表面形成一個(gè)障壁，這個(gè)障壁很有可能就是Shockley的模型無(wú)法運(yùn)作的主要原因。
他們使用一條一條的金薄片纏在一塊三角形的塑料片 再死一三角形的塑料片與germanium接觸,這個(gè)實(shí)驗(yàn)相當(dāng)成功，這也是最原始的point-contact transistor.之后Shockley利用了他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為雛型，努力的研發(fā)了兩年左右，創(chuàng)造出了比較實(shí)用、比較好制造的junction transistor 。雖然Shockley自行研發(fā)的舉動(dòng)造成了他們團(tuán)隊(duì)的解散，但也同時(shí)帶領(lǐng)了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)入一個(gè)新的世代。相對(duì)于今日高度發(fā)展的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，1950年代所制造的半導(dǎo)體可以達(dá)到的效能相當(dāng)有限。.造成這項(xiàng)限制的主要原因是早期的germanium transistor所能承受的電流相當(dāng)?shù)汀?很諷刺的，那個(gè)時(shí)代推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的卻是第二次世界大戰(zhàn)，美國(guó)政府對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)相當(dāng)感興趣， 主要是希望可以尋找到可以幫助戰(zhàn)爭(zhēng)的科技,之后國(guó)家政府全力支持辦導(dǎo)體的發(fā)展; 有文獻(xiàn)紀(jì)錄的最早為了軍事大量生產(chǎn)半導(dǎo)體的計(jì)劃是1956年的“Polaris missile program”由美國(guó)海軍贊助。這項(xiàng)計(jì)劃的主要目的是研發(fā)可以安裝在飛彈朱的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，自動(dòng)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)是在MIT Instrumentation Laboratory進(jìn)行研發(fā)當(dāng)時(shí)用量最高的半導(dǎo)體是由德州儀器所提供的R212型號(hào)半導(dǎo)體
之后在1950年代中葉硅的單晶體被制造出來(lái)，使得Ge的使用慢慢地被硅取代。Ge的氧化物會(huì)容于水，使得要保護(hù)Ge半導(dǎo)體的表面更為困難，同時(shí)也有可能造成系統(tǒng)漏電。.另外一方面硅的氧化物 S 相對(duì)來(lái)說(shuō)穩(wěn)定了許多，它不溶于水而且也是絕緣體。在1959年德州儀器開(kāi)始商業(yè)化的生產(chǎn)。硅晶體管的制造方式為：將熔融狀態(tài)（含有雜質(zhì)）的硅長(zhǎng)成硅晶體再切割成為長(zhǎng)方形的。
隨著集成電路的發(fā)明, planar technology不久之后也因?yàn)槿鹗康奈锢韺W(xué)家 Jean Hoerni 發(fā)展出由硅組成的n和p junction 的結(jié)構(gòu).在junction之間有一層薄薄的 S 當(dāng)作絕緣體。在S 層上面有可以連接junction的洞。接下來(lái)使金屬揮發(fā)覆蓋到硅junction上，可以調(diào)整不同的規(guī)律并且利用S 上的洞和相連接形成復(fù)雜的電路。planer technology 是今日許多復(fù)雜電路的基礎(chǔ)。
1960年代開(kāi)始有硅芯片(wafers)的出現(xiàn)。1970 Intel開(kāi)始將微處理器的觀念慢慢的實(shí)現(xiàn). Intel 發(fā)展出一種稱為 “silicon gate process” 使得他們可以生產(chǎn)更為復(fù)雜的電路。
1980到1990年代個(gè)人計(jì)算機(jī)的觀念開(kāi)始風(fēng)行。 主要的原因是因?yàn)镮ntel 所研發(fā)的 Pentium 處理器. 到了1990年代中葉發(fā)光二極管成功的研發(fā)出來(lái)。.直到最近2000年代，我們生活在以硅晶體為基礎(chǔ)的世界，同時(shí)看著硅晶體科技持續(xù)的快速發(fā)展。