從晶體管到集成電路

1、集成電路工藝突飛猛進(jìn)一切盡在掌握之中從晶體管到集成電路他們的故事已經(jīng)成 為傳說，激勵著一代又 一代的工程師和掘金 者。他們是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè) 歷史上最偉大的三位發(fā) 明家，他們和眾多天才 的科學(xué)家一起，開創(chuàng)半 導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)歷史上激動人 心的“發(fā)明時代”。他們 是集成電路之父，他們 是硅谷的開創(chuàng)者，他們改變了我們的世界。如今，他們已經(jīng)全部遠(yuǎn)去，然而，他們創(chuàng)造的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，年產(chǎn)值已經(jīng)超過2100億美元，并且仍在他們開辟的大路上高速前進(jìn)，為這個世界帶來日新月異的變化。朵絢麗多彩的奇葩1947年12月23日，在貝爾 實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家肖克萊、巴丁和布 拉頓組成的研究小組證明了 20世 紀(jì)最重要的發(fā)明：第一只真正的 晶體

2、管，從此人類步入了飛速發(fā) 展的電子時代。在20世紀(jì)最初的10年，半 導(dǎo)體材料已經(jīng)開始在通信系統(tǒng)應(yīng)科技導(dǎo)航晶體管的橫空出世晶體管的問世，是20世紀(jì)的一項(xiàng)重大發(fā)明，是微電子革 命的先聲。晶體管出現(xiàn)后，人們就能用一個小巧的、消耗功率 低的電子器件，來代替體積大、功率消耗大的電子管了。晶體 管的發(fā)明又為后來集成電路的降生吹響了號角。用。20世紀(jì)上半葉，在無線電愛好者中廣泛流行的礦石收音收，就采用礦石這種半導(dǎo)體材 料進(jìn)行檢波。同時，半導(dǎo)體的電學(xué)特性也在電話系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。晶體管的發(fā)明，最早可以追溯到1929年，當(dāng)時工程師利蓮費(fèi)爾德就已經(jīng)取得一種晶體管的專利。但是，限于當(dāng)時的技術(shù)水平，制造這種器件的材料

3、達(dá)不到足夠的純度，而使這種晶體管無法制造出來?；陔娮庸芴幚砀哳l信號的效 果不理想，人們就想辦法改進(jìn)礦石收 音機(jī)中所用的礦石觸須式檢波器。在 這種檢波器里，有一根與半導(dǎo)體礦石 表面相接觸的金屬絲，它既能讓信號 電流沿一個方向流動，又能阻止信號 電流朝相反方向流動。在第二次世界 大戰(zhàn)爆發(fā)前夕，貝爾實(shí)驗(yàn)室在尋找比 早期使用的方鉛礦晶體性能更好的 檢波材料時，發(fā)現(xiàn)摻有某種極微量雜 質(zhì)的錯晶體的性能不僅優(yōu)于礦石晶 體，而且在某些方面比電子管整流器 還要好。在第二次世界大戰(zhàn)期間，不少實(shí) 驗(yàn)室在有關(guān)硅和錯材料的制造和理 論研究方面，也取得了不少成績，這 就為晶體管的發(fā)明奠定了基礎(chǔ)。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，為

4、了克 服電子管的局限性，貝爾實(shí)驗(yàn)室加緊 了對固體電子器件的基礎(chǔ)研究。肖克 萊等人探討用半導(dǎo)體材料制作放大 器件的可能性，決定集中研究錯、硅晶體管的發(fā)展變遷等半導(dǎo)體材料。1945年秋天，貝爾實(shí)驗(yàn)室正式成立了 以肖克萊為首的半導(dǎo)體研究小組，成員有 布拉頓、巴丁等人。其中，布拉頓早在1929 年就開始在這個實(shí)驗(yàn)室工作，長期從事半 導(dǎo)體的研究，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。他們經(jīng) 過一系列的實(shí)驗(yàn)和觀察，逐步認(rèn)識到半導(dǎo) 體中電流放大效應(yīng)產(chǎn)生的原因。在錯片的 底面接上電極，在另一面插上細(xì)針并通上 電流，然后讓另一根細(xì)針盡量靠近它，并 通上微弱的電流，這樣就會使原來的電流 產(chǎn)生很大的變化。微弱電流少量的變化，知識庫什么

5、是電電子管是一種在氣密性封閉容器（一般為玻璃管） 中產(chǎn)生電流傳導(dǎo)，利用電場對真空中的電子流的作用以 獲得信號放大或振蕩的電子器件。早期應(yīng)用于電視機(jī)、 收音機(jī)擴(kuò)音機(jī)等電子產(chǎn)品中，近年來逐漸被晶體管和集 成電路所取代，但目前在一些高保真音響器材中，仍然 使用電子管作為音頻功率放大器件（香港人稱使用電子 管功率放大器為“煲膽”）。貝爾實(shí)驗(yàn)室在1947年組裝的第一個真正的晶體管會對另外的電流產(chǎn)生很大的影響，這就是“放大”作用。布拉頓等人還想出有效的辦法來實(shí)現(xiàn)這種放大效應(yīng)。他們在基極和發(fā)射極之間輸入一個 弱信號，在基極和集電極之間的輸出端，就放大為一個強(qiáng)信號了。在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，上述 晶體三極管的放大效

6、應(yīng)得到廣泛的應(yīng)用。巴丁和布拉頓最初制成的固體器件的放大倍數(shù)為50左右。不久之后，他們利用兩個靠 得很近（相距0.05毫米）的觸須接點(diǎn)，來代替金箔接點(diǎn)，制造了 “點(diǎn)接觸型晶體管”。1947 年12月，這個世界上最早的實(shí)用半導(dǎo) 體器件終于問世了，在首次試驗(yàn)時，它 能把音頻信號放大100倍，它的外形比 火柴棍短，但要粗一些。在為這種器件命名時，布拉頓想到 它的電阻變換特性，即它是靠一種從“低電阻輸入”到“高電阻輸出”的轉(zhuǎn) 移電流來工作的，于是取名為 trans-resister（轉(zhuǎn)換電阻），后來縮寫 為transistor，中文譯名就是晶體管。點(diǎn)接觸型晶體管有自己的缺點(diǎn)，它 存在噪聲大、在功率大時難

7、于控制、適用范圍窄，另外制造工藝復(fù)雜，致使許多產(chǎn)品出現(xiàn)故 障等缺點(diǎn)。為了克服以上缺點(diǎn)，肖克萊提出了用一種整流結(jié)來代替金屬半導(dǎo)體接點(diǎn)的大膽設(shè)想。終于在1950年，第一只“面結(jié)型晶體管”問世了。它的性能與原來設(shè)想的完全一致。1956年，因發(fā)明晶體管，肖克萊、巴丁、布拉頓三人同時榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。今天的晶 體管，大部分仍是這種面結(jié)型晶體管。軼聞趣事一一天才與廢物諾依斯（N. Noyce）共同從晶體管之父肖克利的實(shí)驗(yàn)室出走，這就是歷 史上著名的“八天才叛逆”，從此，才有了我們熟悉的intel，AMD，IDT 等等一大批我們熟知的企業(yè)。1955年“晶體管 之父”肖克利離開貝爾 實(shí)驗(yàn)室返回故鄉(xiāng)圣克拉 拉

8、，創(chuàng)建了“肖克利半 導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室”。第二年， 八位年輕的科學(xué)家從美 國東部相繼來到硅谷， 加盟肖克利實(shí)驗(yàn)室。他 們是：諾依斯、摩爾、 布蘭克、克萊爾、赫爾 尼、拉斯特、羅伯茨和 格里尼克。他們的年齡 都在30歲以下，風(fēng)華正茂，學(xué)有所成，都正處在創(chuàng)造能力的巔峰?？上Вた死翘觳诺目茖W(xué)家，卻對管理一竅不通。一年之中，實(shí)驗(yàn)室沒有研制出任 何像樣的產(chǎn)品。八位青年瞞著肖克利開始計(jì)劃出走。在諾依斯帶領(lǐng)下，他們向肖克利遞交了 辭職書。肖克利怒不可遏地罵他們是“八叛逆”。不過，后來就連肖克利本人也改口把他們 稱為“八個天才的叛逆”。在硅谷許多著作書刊中，“八叛逆”的照片與惠普的車庫照片屬 于同一級別，具有同樣

9、的歷史價值。集成電路的發(fā)明2000的諾貝爾物理學(xué)獎得主杰克基爾比先生是集成電路的發(fā)明者、手持計(jì)算器的發(fā) 明人之一。他的發(fā)明奠定了現(xiàn)代微電子技術(shù)的基礎(chǔ)，可以說如果沒有集成電路的發(fā)明，就不 會有今天的計(jì)算機(jī)，人類還將在信息時代的門外徘徊。我們生活中所能見到的各種電子，幾 乎無一例外都是建立在集成電路技 術(shù)基礎(chǔ)上的。經(jīng)過多次面試之后，杰克基爾 比聘用到德州儀器公司。公司并沒有 對杰克基爾比的工作職責(zé)進(jìn)行具 體劃分。在德州儀器公司工作后不久 杰克基爾比就開始意識到，由于公 司制造電阻器、晶體管和電容器，如 果對其產(chǎn)品進(jìn)行重新組裝可能會生 產(chǎn)出更有效的微型模塊產(chǎn)品。因此， 杰克基爾比設(shè)計(jì)了一個使用管狀

10、部件的IF放大器，而且做出了原型。 杰克基爾比利用員工周末和工廠 停工的前幾天完成了詳細(xì)的成本分 析。集成電路的第一位發(fā)明者，他的發(fā)明改變了世界第一塊集成電路板V _歷史趣聞一項(xiàng)同時的發(fā)明1966年，基爾比和諾依斯同時被授予美國科技人員 最渴望獲得的巴蘭丁獎?wù)??；鶢柋缺蛔u(yù)為“第一塊集成 電路的發(fā)明家”，而諾依斯被譽(yù)為“提出了適合于工業(yè)生 產(chǎn)的集成電路理論”的人。1969年，美國聯(lián)邦法院最后 從法律上承認(rèn)了集成電路是一項(xiàng)“同時的發(fā)明”。杰克基爾比對IF放大器的試 驗(yàn)效果進(jìn)行認(rèn)真思考。通過進(jìn)行成本 分析，杰克基爾比第一次更清楚的 了解到半導(dǎo)體車間的成本結(jié)構(gòu)。數(shù)字 很高非常高。杰克基爾比覺得 如果他

11、不能盡快地想出一個好的辦 法，那么在假期結(jié)束后，就有可能會 分配他比去做微型模塊項(xiàng)目提案的工 作。在心情萬分沮喪的時候，杰克基 爾比開始感覺到，半導(dǎo)體車間唯一可以以高成本效益方式制造的產(chǎn)品就是半導(dǎo)體。經(jīng)過進(jìn)一步思考，他得出 這樣的結(jié)論，真正需要的實(shí)際上就是 半導(dǎo)體一一電阻器和電容器，于是杰 克基爾比很快起草了一個使用這 些部件的觸發(fā)器的設(shè)計(jì)提案。具體說 來，可以用與有源設(shè)備相同的材料來 制造。用硅的體效應(yīng)來提供電阻器， 而電容器則通過pn結(jié)來提供。改變世界的集成電路杰克基爾比很快就完成了這些草圖，并用非連續(xù)硅元素制造了一條電路，其中使用了打包的成熟結(jié)晶體管。電阻器是通過 在硅上鑿出小條并蝕刻上

12、值后做出 來的。電容器是在散布式硅功率電容 器晶片上鑿出來并用金屬處理兩側(cè)。 整個電路組裝完成，并于1958年8 月28日向公司進(jìn)行了演示。我們可以說微芯片是歷史上最點(diǎn)擊1959年2月6日，基爾比向美國專利局申報專利， 這種由半導(dǎo)體元件構(gòu)成的微型固體組合件，從此被命 名為“集成電路”（IC）。重大的發(fā)明之一，它為無數(shù)的其它發(fā)明鋪平了道路。在過去的40年里，杰克基爾比已經(jīng)看到他的發(fā)明改變了世界。杰克基爾比是為數(shù)不多的幾個人之一，他可以環(huán)顧世界并對自 己說：“我改變了世界”。鏈接：神奇的摩爾定律摩爾以“摩爾定律”而聞名到了 1964年，仙童公司“八叛 逆，之一的摩爾博士，以三頁紙的短 小篇幅，發(fā)表了一個奇特的理論。摩 爾天才地預(yù)言說道，集成電路上能被 集成的晶體管數(shù)目，將會以每18個 月翻一番