半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展過程中的基本研究分析

　　摘　要：在當(dāng)今信息時(shí)代，如果說那種技術(shù)是必不可少的，那一定是半導(dǎo)體技術(shù)�？梢哉f，半導(dǎo)體技術(shù)構(gòu)成了當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)的基礎(chǔ)，沒有半導(dǎo)體技術(shù)的蓬勃發(fā)展就沒有當(dāng)今絢麗多彩的世界。半導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)于 19 世紀(jì)，但是在其后的將近一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，半導(dǎo)體并沒有扮演特別重要的角色。從上世紀(jì) 60 年代開始，半導(dǎo)體技術(shù)才進(jìn)入了翻天覆地、日新月異的大發(fā)展時(shí)期。半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從萌芽到成熟再到大規(guī)模應(yīng)用的階段，但是在時(shí)間上的跨度僅僅有 100 多年，其中針對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)的研究也在日益蓬勃發(fā)展。

　　關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體;技術(shù)發(fā)展;電子技術(shù)

　　0　引言

　　半導(dǎo)體是現(xiàn)代電子技術(shù)的基礎(chǔ)，也是基于電子技術(shù)發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)的基礎(chǔ)[1] 。半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展規(guī)模在很大程度上代表了一個(gè)國(guó)家高新技術(shù)的發(fā)展規(guī)模，我國(guó)半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展較晚，但是經(jīng)過近些年的快速推進(jìn)，也取得了許多令人矚目的成就。半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了發(fā)現(xiàn)期、初步應(yīng)用期、快速發(fā)展期、大規(guī)模應(yīng)用期。當(dāng)今，可以說半導(dǎo)體占據(jù)了世界高新技術(shù)的半壁江山，半導(dǎo)體后期技術(shù)的發(fā)展更是各個(gè)國(guó)家爭(zhēng)相布局的重要方向 [2] 。

　　1　偶遇半導(dǎo)體

　　眾所周知的是，常見的材料要么是導(dǎo)體，要么是絕緣體，所謂導(dǎo)體就是導(dǎo)電性能較好的材料，如金銀銅鋁鐵等常見的金屬材料，絕緣體就是導(dǎo)電性能較差的材料，如塑料、陶瓷、木材等等。而半導(dǎo)體是不同于這兩種材料的，半導(dǎo)體之所以是半導(dǎo)體，并不是說半導(dǎo)體導(dǎo)電性能強(qiáng)或者弱，而是說半導(dǎo)體在一定條件下可以在導(dǎo)體和絕緣體之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。科學(xué)史上一般認(rèn)為第一個(gè)發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的人是著名的科學(xué)家法拉第，法拉第是 19 世紀(jì)重要的科學(xué)家，其對(duì)電磁學(xué)的發(fā)展做出了相當(dāng)接觸的貢獻(xiàn)，1833年，法拉第在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)匯總發(fā)現(xiàn)，加熱的硫化銀的導(dǎo)電性發(fā)生巨大的變化，這是半導(dǎo)體第一次進(jìn)入了人們的視野。單單就這鼓勵(lì)的事情而言，法拉第發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體現(xiàn)象不能說不是偶然，但是結(jié)合當(dāng)時(shí)的環(huán)境，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體現(xiàn)象可以說有其必然性。

　　19 世紀(jì)中期，隨著電磁學(xué)的逐步發(fā)展，人們對(duì)各種材料的導(dǎo)電性進(jìn)行了非常廣泛的研究，包括各種固體、液體等，法拉第作為當(dāng)時(shí)重要的電磁學(xué)家，他也對(duì)各種材料的導(dǎo)電性做了非常深入的研究，這是他首先發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體現(xiàn)象的根本原因。試想，一個(gè)整日耕作的農(nóng)夫如何能率先發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體現(xiàn)象呢?甚至一個(gè)數(shù)學(xué)家或者說文學(xué)家、藝術(shù)家也斷然是沒有機(jī)會(huì)的，因此說， 19世紀(jì)中后期人們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體現(xiàn)象具有偶然性的同時(shí)，具有不可辯駁的必然性。事實(shí)上，在 19 世紀(jì)的后期，科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了其他類型的典型半導(dǎo)體現(xiàn)象，如光電導(dǎo)現(xiàn)象、單向?qū)щ姮F(xiàn)象、光生福特效應(yīng)等等，但是并沒有人能將這些特殊現(xiàn)行整合出統(tǒng)一的半導(dǎo)體理論。事實(shí)上，半導(dǎo)體現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的初期，人們僅僅將其認(rèn)為是不同尋常的電磁現(xiàn)象，并無法從源頭分析半導(dǎo)體現(xiàn)象的原因，更無法對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行有針對(duì)性的、深入的研究，大規(guī)模的應(yīng)用更是無從談起 [3] 。

　　2　初識(shí)半導(dǎo)體

　　在半導(dǎo)體現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后的幾十年中，半導(dǎo)體理論并沒有任何突破，但是基于半導(dǎo)體現(xiàn)象的產(chǎn)品率先出現(xiàn)了。例如，利用半導(dǎo)體的單向?qū)щ姮F(xiàn)象研制應(yīng)用的礦石檢波器，一度有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。一直到 20 世紀(jì) 20 年代后期，利用半導(dǎo)體現(xiàn)象中的單項(xiàng)導(dǎo)電和光伏特效應(yīng)，陸續(xù)出現(xiàn)了整理器和光伏電池等工業(yè)產(chǎn)品，但是在這個(gè)時(shí)期，人們僅僅是利用半導(dǎo)體效應(yīng)，并不知半導(dǎo)體效應(yīng)的原理所在。因此，當(dāng)時(shí)的科技工作者花費(fèi)了相當(dāng)?shù)慕?jīng)歷在探索半導(dǎo)體原理上。

　　1939 年，蘇聯(lián)、英國(guó)、德國(guó)的科學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)都提出了對(duì)半導(dǎo)體效應(yīng)的理論解釋，這些解釋在當(dāng)時(shí)是有一定的背景基礎(chǔ)的。第一，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，半導(dǎo)體作為一種新型的材料，已經(jīng)得到了共識(shí)，其不再被作為是具有特殊效應(yīng)的傳統(tǒng)材料;第二，當(dāng)時(shí)通過對(duì)原子的研究，微觀粒子的很多基礎(chǔ)行為已經(jīng)被認(rèn)識(shí)到。上述兩個(gè)因素的共同作用下，多國(guó)科學(xué)家都提出了半導(dǎo)體理論的能帶模型。在這個(gè)理論的影響下 ,通過以后幾年的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究 ,形成了關(guān)于半導(dǎo)體的一些最基本的概念和原理 ,例如 ,半導(dǎo)體可以依靠電子和空穴兩種方式導(dǎo)電 ,電子和空穴的基本運(yùn)動(dòng)形式 ( 漂移和擴(kuò)散 ),半導(dǎo)體內(nèi)部的雜質(zhì)以及熱和光如何引起電子和空穴的變化等。針對(duì)這個(gè)發(fā)展階段來講 ,可以說 ,這個(gè)時(shí)候已經(jīng)對(duì)半導(dǎo)體的共同本質(zhì)作出了理論上的概括。理論上的進(jìn)展提供了對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性、光電導(dǎo)、整流和光生伏特效應(yīng)等基本現(xiàn)象的初步說明 ,有力地促進(jìn)了探索光敏電阻、熱敏電阻、溫差電等新的技術(shù)應(yīng)用的活動(dòng)。但是在理論回到實(shí)踐方面也遇到相當(dāng)嚴(yán)重的困難 [1] �？偹�周知，現(xiàn)代的半導(dǎo)體材料對(duì)材料的純度等要求非常之高，在當(dāng)時(shí)的技術(shù)背景下，半導(dǎo)體研究者們不可能具有如此高質(zhì)量的研究材料，因此更無法對(duì)半導(dǎo)體做出更為深入的應(yīng)用研究。

　　至此，人們可以說是打開了認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體的大門，在理論上對(duì)半導(dǎo)體效應(yīng)做出了相應(yīng)的解釋，雖然在半導(dǎo)體的應(yīng)用上遇到了一些困難，但是當(dāng)時(shí)的科學(xué)家能夠?qū)Π雽?dǎo)體的重要性和長(zhǎng)遠(yuǎn)的應(yīng)用有非常深入的認(rèn)識(shí)，這為后學(xué)半導(dǎo)體的大規(guī)模應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　3　半導(dǎo)體的高速發(fā)展

　　晶體管的發(fā)明代表著半導(dǎo)體高速發(fā)展的開始，也是現(xiàn)代半導(dǎo)體(區(qū)別于 19 世紀(jì)后期至 20 世紀(jì) 20 年代之間的半導(dǎo)體應(yīng)用行業(yè))行業(yè)的開始。1947 年 12 月 23 日，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室正式地成功演示了第一個(gè)基于鍺半導(dǎo)體的具有放大功能的點(diǎn)接觸式晶體管，從此之后，半導(dǎo)體的應(yīng)用開始了一個(gè)延續(xù)數(shù)十年的高速發(fā)展時(shí)期 [4] 。在晶體管發(fā)明初期，和其他眾多新型技術(shù)一樣，其并不被重視，主要原因是成本過高，產(chǎn)量底下，但是其相對(duì)于電子管體積小、能耗低的特點(diǎn)是顯而易見、毋庸置疑的，舉一個(gè)大家都熟悉的例子，第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī) ENIAC 使用了大約 3 萬支真空電子管，占地 160 平方米，功率 160 千瓦，但是計(jì)算能力只有每秒 5000 次加減運(yùn)算，但是第一臺(tái)晶體管電子計(jì)算機(jī)使用了 1 萬多個(gè)晶體管和二極管，計(jì)算能力卻可以達(dá)到每秒 100 萬次邏輯運(yùn)算。最開始對(duì)晶體管表現(xiàn)出強(qiáng)烈興趣的是美國(guó)政府和軍方。在美蘇競(jìng)爭(zhēng)的大背景下，美國(guó)宣布要在 1970 年之前將人類送上月球，但是事實(shí)上，美國(guó)的火箭技術(shù)比蘇聯(lián)是要落后的，因此美國(guó)更需要在降低火箭等宇航設(shè)備的重量上下大工夫，因此晶體管的優(yōu)勢(shì)便顯得極其重要，其昂貴的缺點(diǎn)反而不那么明顯了，最終的結(jié)果就是，美國(guó)將宇航裝備上能夠替換的位置全部替換上了晶體管，這在客觀上為晶體管的前期發(fā)展注入了強(qiáng)大的動(dòng)力，也為美國(guó)后期半導(dǎo)體技術(shù)的領(lǐng)先地位打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) [5] 。

　　從第一個(gè)晶體管被成功演示，到各種不同類型的晶體管逐漸出現(xiàn)，傳統(tǒng)的真空電子管逐漸被晶體管所替代，再到計(jì)算機(jī)體積的不斷縮小，計(jì)算能力的不斷提高，價(jià)格的逐漸降低，電子產(chǎn)品的迅速普及，可以說半導(dǎo)體技術(shù)像是魔術(shù)一般影響了整個(gè)人類世界。

　　4　大規(guī)模集成電路的研究發(fā)展

　　1965 年，仙童公司的摩爾提出了摩爾定律：集成電路上容納的晶體管的數(shù)量，每間隔 18-24 月便會(huì)增加一倍，性能也會(huì)提升一倍。當(dāng)時(shí)的摩爾只是經(jīng)驗(yàn)性地總結(jié)了半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的迅猛程度，不想?yún)s神奇地敲響了大規(guī)模集成電路的大門，預(yù)言了接下來數(shù)十年半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[6] �？梢哉f，自摩爾定律誕生以來，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展勢(shì)頭日新月異，各類電子產(chǎn)品層出不窮，從因特爾的第一個(gè)商用微處理器 Intel4004，到如今最高端的 Intel I7/i9 系列，半導(dǎo)體產(chǎn)品的性能成幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。2016 年，中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)“神威·太湖之光”勇奪國(guó)際超級(jí)計(jì)算機(jī)算力排名第一，其計(jì)算能力到達(dá)每秒 9.3 億億次浮點(diǎn)運(yùn)算，同年，谷歌人工智能 AlphaGo 戰(zhàn)勝圍棋世界冠軍李世石，這在 21 世紀(jì)初還是完全無法想象的成就 [7] 。

　　5　中國(guó)半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展

　　中國(guó)半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展起步晚，速度慢，但是在一大批前輩半導(dǎo)體科學(xué)家的不倦努力下，也取得了相當(dāng)?shù)某煽?jī)。1957 年，我國(guó)第一次制備出了單晶鍺，研制出鍺晶體管;1959 年，制備出硅單晶，1962 年，研制出硅晶體管。雖然在晶體管高速發(fā)展的前期，我國(guó)處在戰(zhàn)火連天的抗日戰(zhàn)爭(zhēng)和解放戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，但是一進(jìn)入和平年代，就立即認(rèn)識(shí)到半導(dǎo)體技術(shù)無可替代的重要地位，作為國(guó)家重要技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行引導(dǎo)和投入 [8] 。

　　6　半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)探討

　　6.1　突破極限，進(jìn)一步提高晶體管密度

　　在 2018 年的今天，半導(dǎo)體的制造工藝已經(jīng)到了 7 納米級(jí)別，由于當(dāng)前半導(dǎo)體材料一般都是硅基的，在 7 納米級(jí)別很快就會(huì)接近理論極限。在接近極限時(shí)，如何開發(fā)下一代技術(shù)，避免出現(xiàn)的器件頻率、速度等限制，將是眾多半導(dǎo)體廠商首先遇到的問題。為解決上述問題，半導(dǎo)體研究應(yīng)用人員提出了 3D 堆疊，開發(fā)應(yīng)用其他半導(dǎo)體材料，開發(fā)光量子計(jì)算機(jī)等等，以解決上述問題。

　　6.2　跨學(xué)科研發(fā)半

　　導(dǎo)體制造技術(shù)作為高速發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域，其深厚的技術(shù)積累也可以為其它行業(yè)提供可行的解決方案。對(duì)于微電子制造技術(shù)而言，半導(dǎo)體制造中使用的各項(xiàng)技術(shù)有著非常重要的應(yīng)用，例如汽車工業(yè)中常見的加速度傳感器，此種傳感器的外形尺寸非常之小，如同芯片一般安裝在汽車上，在如此小的部件上需加工出各種形狀的內(nèi)腔和運(yùn)動(dòng)物體，傳統(tǒng)的加工方法顯然是難以做到的。利用半導(dǎo)體加工技術(shù)中的光蝕刻技術(shù)，能夠很好地解決上述問題，因此，半導(dǎo)體技術(shù)在其他技術(shù)領(lǐng)域也能有相當(dāng)多的應(yīng)用，這是半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)行跨學(xué)科研發(fā)的簡(jiǎn)單例子，事實(shí)上在此領(lǐng)域還有這相當(dāng)大的發(fā)展空間 [9] 。

　　7　結(jié)論

　　半導(dǎo)體現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)室首次發(fā)現(xiàn)是在 19 世紀(jì) 30 年代，至今也僅僅 180 余年，但是這短短不到 200 年的時(shí)間里，半導(dǎo)體技術(shù)對(duì)世界的影響卻是其他任何技術(shù)所不能比擬的。但是應(yīng)該清楚的是，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展不僅僅是半導(dǎo)體技術(shù)本身的發(fā)展，而是量子力學(xué)、電磁學(xué)、工藝制造等各方面科學(xué)技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展的結(jié)果，這中間既有理論科學(xué)家對(duì)基礎(chǔ)理論的不懈追求，也有應(yīng)用層面的科學(xué)家、實(shí)業(yè)家對(duì)產(chǎn)品的不斷打磨 [10] 。由此可見，任何科學(xué)技術(shù)均有著其深厚的歷史背景，這種背景既是基石，也是方向，因此，無論是半導(dǎo)體技術(shù)，還是其他技術(shù)都應(yīng)該遵循規(guī)律，不懈追求，才能有所斬獲。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[2]　王峰 瀛 . 泛半導(dǎo) 體 技術(shù)的發(fā) 展 [J]. 電子技術(shù)與軟件工程 ,2018(01):85. 　　WANG Feng-ying. Development of Pan-Semiconductor Technology [ J]. Electronic Technology and Software Engineering, 2018 (01): 85.

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