淺談半導體技術的發(fā)展階段

作者

DavidBartlett，u-blox產(chǎn)品中心定位技術主管

ArmandoCaracheo，高級內容撰稿人

全球電子行業(yè)每年生產(chǎn)數(shù)萬億個半導體電子元件，如集成電路(IC)、晶體管、二極管和發(fā)光二極管等。從智能手機到汽車，各種電子設備都嵌入了這些小巧的技術元件，并為其提供動力，它們在我們超級互聯(lián)的日常生活中發(fā)揮著至關重要的作用。

大多數(shù)硅半導體既可以作為電的導體，也可以作為電的絕緣體。這種特殊性質在大多數(shù)材料中都很罕見，這使得它們與眾不同，因為工程師可以通過各種方式控制和改變導電性，從引入雜質到施加外部電場。

邁克爾·法拉第（Michael Faraday）、托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）、海因里?！ず掌潱℉einrich Hertz）、J.J. 湯姆遜（J.J. Thomson,），甚至阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）等名人的卓越貢獻為人們了解半導體的特性鋪平了道路。

從理論到實踐，從真空管到晶體管的轉變是一個重要的里程碑。這是向一個半導體器件多于生命體（暫且不提微生物）的世界邁出的第一步，為最終產(chǎn)生第一代集成電路的發(fā)展打開了大門。

真空中的電流

在晶體管和集成電路出現(xiàn)之前，真空管（也叫電子管或熱電偶閥）就已用于電子設備中。

它們是如何工作的？聲波需要介質，而真空管則不同，只要在陰極上施加電壓，電子就能在真空空間中流動。在電子管內放置其他元件（如柵極和陽極）時，可以利用這一原理對電子進行控制。事實證明，控制電子流動的能力對于電子電路中的放大、開關和信號處理至關重要。

真空管為電視機、收音機甚至早期計算機提供動力的時間長達約一個世紀，大致從19世紀末的早期開發(fā)到2000年代平板電視取代顯像管電視。

雖然真空管在電子領域一直占據(jù)主導地位，但最終還是被晶體管所取代。導致這一技術遷移的原因有幾個，其中最主要的是尺寸、可靠性和功率效率。

點觸晶體管

1947年，約翰·巴?。↗ohn Bardeen）、沃爾特·布拉坦（Walter Brattain）和威廉·肖克利（William Shockley）在貝爾實驗室研制出第一個實用的半導體器件，這一發(fā)現(xiàn)獲得了1956年的諾貝爾物理學獎。

點觸晶體管是20世紀60年代開始取代真空管的一種結構更緊湊、效率更高的設備，它的出現(xiàn)為現(xiàn)代半導體技術的發(fā)展奠定了基礎。它最早的應用之一是在放大電路中。

晶體管的一個主要特點是能夠放大電信號。點觸晶體管的一個直接應用是在電信領域，它為開發(fā)更小、更高效的長距離電話系統(tǒng)做出了貢獻。

在商業(yè)應用方面，晶體管最初用于生產(chǎn)助聽器。晶體管體積小、功耗低、可靠性高，因此非常適合這一用途。

雙極結型晶體管

在這一初步發(fā)現(xiàn)之后，這些科學家又開發(fā)出了雙極結型晶體管，最終導致了第一個實用晶體管的誕生。這一裝置徹底改變了電子技術，為我們今天使用的無數(shù)電子設備打開了大門。

雙極結型晶體管（BJT）由三個半導體層組成。它有兩種配置方式：一種是NPN（負-正-負）配置，即兩個n型層夾一個p型層；另一種是PNP（正-負-正）配置，即兩個p型層夾一個n型層。

這種半導體器件的主要用途是放大電子信號。在輸入信號很小的情況下，NPN晶體管發(fā)射極和集電極之間的電子流可以產(chǎn)生大得多的輸出信號，從而實現(xiàn)信號放大。

集成電路，別名微芯片或芯片

半導體器件發(fā)展的下一步是集成電路。在科技發(fā)展史上，兩位科學家在互不相識的情況下朝著同一方向前進的情況屢見不鮮。德州儀器公司的杰克·基爾比（Jack Kilby）和飛兆半導體公司的羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）就是這種情況，他們在20世紀50年代末和60年代初獨立發(fā)明了集成電路。

他們的發(fā)明將結型晶體管、電阻器和電容器結合在一種獨特的半導體材料中。集成電路帶來了許多好處，包括微型化、可靠性提高、成本降低、性能改善和通用性增強。

微型化使數(shù)千到數(shù)百萬個晶體管、電阻器和電容器被集成到一個芯片上。這縮小了電子設備的尺寸，增加了其功能。

隨著電子元件之間連接數(shù)量的減少，可靠性也得到了提高。

由于集成電路消除了組裝單個元件的需要，從而提高了經(jīng)濟性。

芯片上元件之間的距離縮短了信號傳播延遲，從而提高了電子系統(tǒng)的整體性能。

由于集成電路可在各種應用中發(fā)揮出色的性能，因此具有明顯的多功能性，從而能夠創(chuàng)造出廣泛的電子用例。

第一個集成電路

飛兆半導體公司的910電阻晶體管邏輯(RTL)門是1961年推出的第一款商用集成電路器件。它通常被稱為飛兆910 RTL gate，是電子設備和應用（包括計算機、計算器、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及測試和測量設備）中使用的基本數(shù)字邏輯電路。

20世紀60年代之后

從20世紀60年代初至今，集成電路在電子設備中無處不在。冰箱和洗衣機等日常家用電器都包含集成電路，可實現(xiàn)從最簡單到最復雜的各種功能。

您正在電腦、平板電腦或智能手機上閱讀本文章，這些設備可能包含任意數(shù)量的集成電路，從幾十個到幾百個甚至上千個不等。集成電路（包括微處理器、存儲芯片、傳感器等）根據(jù)其功能的不同，相互協(xié)調工作，使您能夠在屏幕上閱讀這篇文章。

得益于集成電路在過去幾十年中的不斷改進，上述設備的功能已變得足夠強大，能夠執(zhí)行復雜的任務和計算，體積小巧（便于攜帶），電池消耗效率高，能夠最大限度地降低能耗，并在不拔插頭的情況下工作數(shù)小時。

從最初的集成電路到今天的技術，中間經(jīng)歷了幾個階段，每一個階段都值得仔細研究。文章第二部分將介紹半導體技術在過去六十年中取得的進步。我們將討論一些關鍵進展，包括FET（場效應晶體管）和MOS（金屬氧化物半導體），它們是現(xiàn)代數(shù)字設備的基礎。這篇文章還將探討這些微型元件的制造和封裝技術。敬請關注本篇的第二部分。

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