科普:半导体的起源

2020-11-13 15:05:09 0
半导体,我们当下讨论的比较多的,有关于材料,有关于器件,有关于投资,有......每个话题的侧重点都不同。材料无非是第三代宽禁带半导体材料;器件主要是基于WBG材料的MOS,HEML等,我们之前也聊过;投资的话就不多说了,行业趋势,企业资讯,股市等等。今天我们要聊的,是半导体工业的历程,了解一下半导体工业的源起。

真空三极管“挑事”


说起真空三极管,1906年被Lee Deforest(李·德弗雷斯特)发明出来,使得收音机、电视机等消费类电子产品成为可能,它还是世界上第一台电子计算机的大脑,一台占地近140㎡,重达30吨的大家伙,使用了近19000个真空管以及数千个电阻及电容器。真空三极管是由一个栅极和两个被栅极分开的电极,在玻璃密封的空间中构成的,密封空间内部是真空,一方面防止部件烧毁一方面易于电子的自由移动。

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其有两大功能即开关和放大,开关指接通和切断电流,放大指电流或小信号放大,并保持信号原有的特征功能。但是有一系列的缺点,如体积大,连接处易于松动,并且寿命较短,老化速度较快。

这一系列的缺点导致其必然要发展或者是被替代,1949年,贝尔实验室的John Bardeen(约翰·巴丁)、Walter Brattin(沃尔特·布拉顿)、William Shockley(威廉·肖克利)三人发明了半导体材料锗制成的电子放大器,也就是第一代晶体管(这三位科学家也因此获得了1956年诺贝尔物理奖),晶体管最初叫“传输电阻器”,后来才更名为晶体管(Transistor)。

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这种晶体管包括真空管的功能,同时是固态的,没有真空,体积小、质量轻、耗电低并且寿命长的优点。从此便进入了“固态时代”,也就是目前我们见的最多的。

从第一个晶体管发展到我们现在的许多电力电子器件,使得电力电子技术得到了飞跃的发展,这些器件我们一般统称为分立器件,即每个芯片只含有一个元件。而半导体相关的另一个器件,我们之前并没有提及过的,即集成电路。

集成电路


集成电路(Integrated circuit)是一种微型电子器件,采用一定工艺,在一块半导体基材上将一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连在一起,然后封装在管壳儿内,形成具有所需电路功能的微型结构。

第一个集成电路是由德州仪器的Jack Kilby(杰克·基尔比)发明,但是其并不是现今集成电路的形式。

其最初使用的是单独的线连接起来的,而早些时候仙童照相机的Jean Horni(吉恩·霍尼)已经开发出了一种在芯片表面上形成电子结来制作晶体管的平面制造工艺,即利用硅易于形成绝缘体氧化硅的优点。而后Robert Noyce(罗伯特·诺伊斯)应用这种技术把预先在硅表面上形成的分立器件连接起来,最终形成了所有集成电路所使用的模式。

工艺和趋势


从1947年开始,半导体行业就已经开始在工艺上进行提高和发展,时至今日也依旧还在不断的发展。工艺的改进可以归结于两类:工艺和结构。

工艺的改进:以更小尺寸来制造器件和电路,使其具有更高的密度,更多的数量和更高的可靠性。

结构的改进:在新器件设计上的发明使其性能更好,实现更佳的能耗控制和更高的可靠性。

这两种改进带来的效果,我们从IGBT几代的发展历程可以很好的体会,当然我们之前提到的很多因素,比如设备过程中的一些缺陷等等都可以归结于工艺的改进。

集成电路中器件的尺寸和数量是IC发展的两个共同标志。器件的尺寸是以设计中的最小尺寸来表示的,我们称之为特征图形尺寸。从小规模集成电路发展到今天的百万芯片,得益于其中单个元件的特征图形尺寸的减小,这得益于光刻机图形化工艺和多层连线技术的极大提高。这一点在如今讨论的也是比较多的,比如22nm芯片,10nm甚至7nm等等。更专业的表述是栅条宽度,即我们控制部分栅极的宽度,更小更快的晶体管以及更高密度的电路,得益于更小的栅条宽度。
说到这里不得不提到前段时间经常看到的词汇--“摩尔定律”,英特尔的创始人之一Gordon Moore(戈登·摩尔)在1965年预言的,芯片上的晶体管数量会以每18个月翻一番的速度增长,经过多年实际验证这一速度较为准确,也成为预测未来芯片上晶体管密度的依据。按照电路中器件的数量,即集成度水平,我们可以分为几个等级:小规模集成(SSI):2~50个/chip;中规模集成(MSI):50~5000个/chip;大规模集成(LSI):5000~100000个/chip;超大规模集成(VLSI):100000~1000000个/chip;甚大规模集成(ULSI):>1000000个/chip。

摩尔定律并不是随着时间无限制地发展的,主要受限于半导体材料和制备的限制,所以会听到半导体材料硅快到极限的消息,故而需要发展新的材料和不停地提升设备和设计。

芯片和晶圆尺寸


我们都知道,芯片是在称为晶圆(wafer)的薄硅片或者其他半导体材料薄片上制成的。


在圆形wafer上制造矩形的芯片,导致了在wafer的边缘处剩余了一些不可用区域。当芯片尺寸较大时,这些不可用区域也会随之较大,所以逐渐采用更大尺寸的wafer,这也就变相地“减小”了芯片的尺寸,也使得生产效率和产量得到一定的提升,这是为什么从6英寸到8英寸再到现在12英寸晶圆的原因之一。

现在的芯片尺寸越做越小,成本越来越低,性能越来越高,这得益于以上我们说到的工艺改进、设备的发展等,这也导致了半导体行业的竞争越来越激烈。

就目前而言,生产厂商的类型大概有三类:集成器件制造商(IDM):集设计、制造、封装和销售为一体;代工厂(Foundry):其他芯片供应商制造芯片;无加工厂(Fabless):只负责芯片设计和销售,其他环节大多外包。当然,还有其他交错的模式,同时,半导体国产化使得国内的半导体厂商也越来越多,企业模式也越来越多。

写在最后


就目前而言,半导体行业的国产化是个趋势,而这不仅仅取决于国产企业的数量,而是要靠多少能够在这风起云涌环境下生存下来的企业。总之,乘风破浪若有时,直挂云帆济沧海!


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