大众科学：半导体的起源

2022-03-16 386

目前，我们主要讨论半导体领域的材料、器件、投资等话题，每个话题的侧重点各不相同。材料方面，我们主要讨论的是第三代宽禁带半导体材料；器件方面，我们之前也讨论过基于宽禁带材料的MOS、HEML等器件；投资、行业趋势、公司信息、股市等方面的内容，今天就不赘述了。今天，我们将探讨半导体行业的历史，了解半导体行业的起源。

真空三极管“引发麻烦”

说到真空三极管，它是由李·德福雷斯特于1906年发明的，使收音机和电视机等消费电子产品成为可能。它也是世界上第一台电子计算机的核心部件。这台计算机占地近140平方米，重达30吨，使用了近19,000个真空管以及数千个电阻器和电容器。真空三极管由一个栅极和两个电极组成，两个电极被栅极隔开，并密封在一个玻璃腔内。密封腔内部是真空的，这既可以防止元件烧毁，又能保证电子的自由运动。

它具有两大主要功能：开关和放大。开关是指接通和断开电流，放大是指在保持信号原有特性的前提下放大电流或微弱信号。然而，它也存在一系列缺点，例如体积大、连接容易松动、寿命短、老化快等。
这一系列缺陷最终导致了它的必然发展或替代。1949年，贝尔实验室的约翰·巴丁、沃尔特·布拉廷和威廉·肖克利兄弟（威廉·肖克利）发明了由半导体材料锗制成的电子放大器，这是第一代晶体管（这三位科学家因此获得了1956年诺贝尔物理学奖）。晶体管最初被称为“传输电阻器”，后来更名为晶体管。

这种晶体管包含了真空管的功能，而且是固态的，没有真空，具有体积小、重量轻、功耗低、寿命长等优点。自此，我们进入了“固态时代”，这也是我们迄今为止所看到的时代。
从第一台晶体管到如今众多电力电子器件，电力电子技术经历了飞速发展。这些器件通常被称为分立器件，也就是说，每个芯片只包含一个元件。我们之前没有提到的另一种半导体相关器件是集成电路。

集成电路

集成电路（Integrated circuit）是一种微电子器件，它利用一定的工艺将晶体管、电阻器、电容器、电感器以及电路中所需的其他元件和线路互连到半导体基板上，然后将其封装在管壳中，形成具有所需电路功能的微结构。
第一块集成电路是由德州仪器公司的杰克·基尔比发明的，但它并非我们今天所见的集成电路。
最初，集成电路是通过单独的导线连接的，但在此之前，仙童相机公司的让·霍尼（Jean Horni）开发了一种平面制造工艺，利用硅易于形成绝缘体氧化硅的特性，在芯片表面形成电子结来制造晶体管。随后，罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）将这项技术应用于连接预先成型在硅表面的分立器件，最终形成了所有集成电路所使用的图案。

工艺与潮流

自1947年以来，半导体行业在技术上开始改进和发展，至今仍在发展。工艺改进可归纳为两类：工艺和结构。
工艺改进：制造尺寸更小的器件和电路，使其具有更高的密度、更大的产量和更高的可靠性。
结构改进：新设备设计方面的发明能够实现更好的性能、更好的能耗控制和更高的可靠性。
从几代IGBT的发展历程中，我们可以很好地理解这两项改进带来的影响。当然，我们之前提到的许多因素，例如设备工艺中的一些缺陷等等，都可以归因于工艺的改进。
集成电路的尺寸和器件数量是集成电路发展历程中的两个常见标志。器件尺寸指的是设计中最小的尺寸，我们称之为特征尺寸。从小型集成电路发展到如今的百万级芯片，得益于单个元件特征尺寸的缩小，而这又得益于光刻工艺和多层布线技术的飞速发展。如今，22nm、10nm甚至7nm等制程工艺也经常被提及。更专业的说法是栅极宽度，即控制栅极部分宽度。更小、更快的晶体管和更高密度的电路都受益于更小的栅极宽度。说到这里，我不得不提一下我前段时间经常看到的“摩尔定律”。英特尔创始人之一戈登·摩尔在1965年预测，芯片上的晶体管数量每18个月就会翻一番。经过多年的实际验证，这一比率相对准确，并已成为预测未来芯片上晶体管密度的基础。根据电路中器件的数量，即集成度，我们可以将其分为几个级别：小规模集成（SSI）：2~50个单元/芯片；中规模集成（MSI）：50~5000个单元/芯片；大规模集成（LSI）：5000~100000个单元/芯片；超大规模集成（VLSI）：100000~1000000个单元/芯片；超大规模集成（ULSI）：>1000000个单元/芯片。
摩尔定律并非无限发展，它主要受限于半导体材料和制备工艺的局限性。因此，我们经常会听到半导体材料硅的性能接近极限的消息。所以，开发新材料、不断改进设备和设计势在必行。

芯片和晶圆尺寸

我们都知道，芯片是在被称为晶圆的硅或其他半导体材料的薄片上制造的。

在圆形晶圆上制造矩形芯片会导致晶圆边缘残留一些无法使用的区域。芯片尺寸越大，这些无法使用的区域也越大，因此逐渐采用更大尺寸的晶圆，这实际上“缩小”了芯片的尺寸，同时也提高了生产效率和产量。这也是晶圆尺寸从6英寸发展到8英寸，再到现在的12英寸的原因之一。
如今，芯片尺寸越来越小，成本越来越低，性能越来越高。这得益于我们前面提到的工艺改进和设备发展，同时也导致了半导体行业竞争日益激烈。
目前，半导体制造商大致可分为三类：集成器件制造商（IDM）：集设计、制造、封装和销售于一体；代工厂：由其他芯片供应商代工生产芯片；无晶圆厂（Fabless）：仅负责芯片设计和销售，其他大部分环节外包。当然，也存在其他交错模式。与此同时，半导体国产化进程催生了越来越多的国内半导体制造商和企业模式。