大眾科學：半導體的起源

2022-03-16 386

目前，我們主要討論半導體領域的材料、裝置、投資等主題，每個主題的重點各不相同。材料方面，我們主要討論的是第三代寬禁帶半導體材料；器件方面，我們之前也討論過基於寬禁帶材料的MOS、HEML等器件；投資、行業趨勢、公司信息、股市等方面的內容，今天就不贅述了。今天，我們將探討半導體產業的歷史，並了解半導體產業的起源。

真空三極管“引發麻煩”

說到真空三極管，它是由李·德福雷斯特於1906年發明的，使收音機和電視機等消費性電子產品成為可能。它也是世界上第一台電子計算機的核心零件。這台計算機佔地近140平方米，重達30噸，使用了近19,000個真空管以及數千個電阻器和電容器。真空三極管由一個柵極和兩個電極組成，兩個電極被柵極隔開，並密封在一個玻璃腔內。密封腔內部是真空的，這既可以防止元件燒毀，又能確保電子的自由移動。

它具有兩大主要功能：開關和放大。開關是指接通和斷開電流，放大是指在保持訊號原有特性的前提下放大電流或微弱訊號。然而，它也存在一系列缺點，例如體積大、連接容易鬆動、壽命短、老化快等。
這一系列缺陷最終導致了它的必然發展或替代。 1949年，貝爾實驗室的約翰·巴丁、沃爾特·布拉廷和威廉·蕭克利兄弟（威廉·蕭克利）發明了由半導體材料鍺製成的電子放大器，這是第一代電晶體（這三位科學家因此獲得了1956年諾貝爾物理學獎）。電晶體最初被稱為“傳輸電阻器”，後來更名為電晶體。

這種電晶體包含了真空管的功能，而且是固態的，沒有真空，具有體積小、重量輕、功耗低、壽命長等優點。自此，我們進入了“固態時代”，這也是我們迄今為止所看到的時代。
從第一台電晶體到現今眾多電力電子元件，電力電子技術經歷了快速發展。這些元件通常被稱為分立元件，也就是說，每個晶片只包含一個元件。我們之前沒有提到的另一種半導體相關裝置是積體電路。

集成電路

積體電路（Integrated circuit）是一種微電子元件，它利用一定的製程將電晶體、電阻器、電容器、電感器以及電路中所需的其他元件和線路互連到半導體基板上，然後將其封裝在管殼中，形成具有所需電路功能的微結構。
第一塊積體電路是由德州儀器公司的傑克·基爾比發明的，但它並非我們今天所見的積體電路。
最初，積體電路是透過單獨的導線連接的，但在此之前，仙童相機公司的讓·霍尼（Jean Horni）開發了一種平面製造工藝，利用矽易於形成絕緣體氧化矽的特性，在晶片表面形成電子結來製造晶體管。隨後，羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）將這項技術應用於連接預先成型在矽表面的分立器件，最終形成了所有積體電路所使用的圖案。

工藝與潮流

自1947年以來，半導體產業在技術上開始改進和發展，至今仍在發展。工藝改進可歸納為兩類：工藝和結構。
製程改進：製造尺寸較小的裝置和電路，使其具有更高的密度、更大的產量和更高的可靠性。
結構改進：新設備設計方面的發明能夠實現更好的性能、更好的能耗控制和更高的可靠性。
從幾代IGBT的發展歷程中，我們可以很好地理解這兩項改進所帶來的影響。當然，我們之前提到的許多因素，例如設備製程中的一些缺陷等等，都可以歸因於製程的改進。
積體電路的尺寸和裝置數量是積體電路發展歷程中的兩個常見標誌。裝置尺寸指的是設計中最小的尺寸，我們稱之為特徵尺寸。從小型積體電路發展到如今的百萬級晶片，得益於單一元件特徵尺寸的縮小，而這又得益於光刻製程和多層佈線技術的快速發展。如今，22nm、10nm甚至7nm等製程也常被提及。更專業的說法是閘極寬度，即控制閘極部分寬度。更小、更快的電晶體和更高密度的電路都受益於更小的閘極寬度。說到這裡，我不得不提一下我前段時間經常看到的「摩爾定律」。英特爾創辦人之一戈登·摩爾在1965年預測，晶片上的電晶體數量每18個月就會翻倍。經過多年的實際驗證，這一比率相對準確，並已成為預測未來晶片上晶體管密度的基礎。根據電路中裝置的數量，即整合度，我們可以將其分為幾個等級：小規模整合（SSI）：2~50個單元/晶片；中規模整合（MSI）：50~5000個單元/晶片；大規模整合（L SI）：5000~100000個單元/晶片；超大規模整合（VLSI）：100000~1000000個單元/晶片；超大規模整合（ULSI）：>1000000個單元/晶片。
摩爾定律並非無限發展，它主要受限於半導體材料和製備過程的限制。因此，我們常聽到半導體材料矽的性能接近極限的消息。所以，開發新材料、不斷改進設備和設計勢在必行。

晶片和晶圓尺寸

我們都知道，晶片是在被稱為晶圓的矽或其他半導體材料的薄片上製造的。

在圓形晶圓上製造矩形晶片會導致晶圓邊緣殘留一些無法使用的區域。晶片尺寸越大，這些無法使用的區域也越大，因此逐漸採用更大尺寸的晶圓，這實際上「縮小」了晶片的尺寸，同時也提高了生產效率和產量。這也是晶圓尺寸從6英寸發展到8英寸，再到現在的12英寸的原因之一。
如今，晶片尺寸越來越小，成本越來越低，效能越來越高。這得歸功於我們前面提到的製程改進和設備發展，同時也導致了半導體產業競爭日益激烈。
目前，半導體製造商大致可分為三類：整合元件製造商（IDM）：集設計、製造、封裝和銷售於一體；代工廠：由其他晶片供應商代工生產晶片；無晶圓廠（Fabless）：僅負責晶片設計和銷售，其他大部分環節外包。當然，也存在其他交錯模式。同時，半導體國產化進程催生了越來越多的國內半導體製造商和企業模式。