浅谈半导体技术的发展阶段

作者

DavidBartlett，u-blox产品中心定位技术主管

ArmandoCaracheo，高级内容撰稿人

全球电子行业每年生产数万亿个半导体电子元件，如集成电路(IC)、晶体管、二极管和发光二极管等。从智能手机到汽车，各种电子设备都嵌入了这些小巧的技术元件，并为其提供动力，它们在我们超级互联的日常生活中发挥着至关重要的作用。

大多数硅半导体既可以作为电的导体，也可以作为电的绝缘体。这种特殊性质在大多数材料中都很罕见，这使得它们与众不同，因为工程师可以通过各种方式控制和改变导电性，从引入杂质到施加外部电场。

迈克尔·法拉第（Michael Faraday）、托马斯·爱迪生（Thomas Edison）、海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）、J.J. 汤姆逊（J.J. Thomson,），甚至阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）等名人的卓越贡献为人们了解半导体的特性铺平了道路。

从理论到实践，从真空管到晶体管的转变是一个重要的里程碑。这是向一个半导体器件多于生命体（暂且不提微生物）的世界迈出的第一步，为最终产生第一代集成电路的发展打开了大门。

真空中的电流

在晶体管和集成电路出现之前，真空管（也叫电子管或热电偶阀）就已用于电子设备中。

它们是如何工作的？声波需要介质，而真空管则不同，只要在阴极上施加电压，电子就能在真空空间中流动。在电子管内放置其他元件（如栅极和阳极）时，可以利用这一原理对电子进行控制。事实证明，控制电子流动的能力对于电子电路中的放大、开关和信号处理至关重要。

真空管为电视机、收音机甚至早期计算机提供动力的时间长达约一个世纪，大致从19世纪末的早期开发到2000年代平板电视取代显像管电视。

虽然真空管在电子领域一直占据主导地位，但最终还是被晶体管所取代。导致这一技术迁移的原因有几个，其中最主要的是尺寸、可靠性和功率效率。

点触晶体管

1947年，约翰·巴丁（John Bardeen）、沃尔特·布拉坦（Walter Brattain）和威廉·肖克利（William Shockley）在贝尔实验室研制出第一个实用的半导体器件，这一发现获得了1956年的诺贝尔物理学奖。

点触晶体管是20世纪60年代开始取代真空管的一种结构更紧凑、效率更高的设备，它的出现为现代半导体技术的发展奠定了基础。它最早的应用之一是在放大电路中。

晶体管的一个主要特点是能够放大电信号。点触晶体管的一个直接应用是在电信领域，它为开发更小、更高效的长距离电话系统做出了贡献。

在商业应用方面，晶体管最初用于生产助听器。晶体管体积小、功耗低、可靠性高，因此非常适合这一用途。

双极结型晶体管

在这一初步发现之后，这些科学家又开发出了双极结型晶体管，最终导致了第一个实用晶体管的诞生。这一装置彻底改变了电子技术，为我们今天使用的无数电子设备打开了大门。

双极结型晶体管（BJT）由三个半导体层组成。它有两种配置方式：一种是NPN（负-正-负）配置，即两个n型层夹一个p型层；另一种是PNP（正-负-正）配置，即两个p型层夹一个n型层。

这种半导体器件的主要用途是放大电子信号。在输入信号很小的情况下，NPN晶体管发射极和集电极之间的电子流可以产生大得多的输出信号，从而实现信号放大。

集成电路，别名微芯片或芯片

半导体器件发展的下一步是集成电路。在科技发展史上，两位科学家在互不相识的情况下朝着同一方向前进的情况屡见不鲜。德州仪器公司的杰克·基尔比（Jack Kilby）和飞兆半导体公司的罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）就是这种情况，他们在20世纪50年代末和60年代初独立发明了集成电路。

他们的发明将结型晶体管、电阻器和电容器结合在一种独特的半导体材料中。集成电路带来了许多好处，包括微型化、可靠性提高、成本降低、性能改善和通用性增强。

微型化使数千到数百万个晶体管、电阻器和电容器被集成到一个芯片上。这缩小了电子设备的尺寸，增加了其功能。

随着电子元件之间连接数量的减少，可靠性也得到了提高。

由于集成电路消除了组装单个元件的需要，从而提高了经济性。

芯片上元件之间的距离缩短了信号传播延迟，从而提高了电子系统的整体性能。

由于集成电路可在各种应用中发挥出色的性能，因此具有明显的多功能性，从而能够创造出广泛的电子用例。

第一个集成电路

飞兆半导体公司的910电阻晶体管逻辑(RTL)门是1961年推出的第一款商用集成电路器件。它通常被称为飞兆910 RTL gate，是电子设备和应用（包括计算机、计算器、控制系统、通信系统以及测试和测量设备）中使用的基本数字逻辑电路。

20世纪60年代之后

从20世纪60年代初至今，集成电路在电子设备中无处不在。冰箱和洗衣机等日常家用电器都包含集成电路，可实现从最简单到最复杂的各种功能。

您正在电脑、平板电脑或智能手机上阅读本文章，这些设备可能包含任意数量的集成电路，从几十个到几百个甚至上千个不等。集成电路（包括微处理器、存储芯片、传感器等）根据其功能的不同，相互协调工作，使您能够在屏幕上阅读这篇文章。

得益于集成电路在过去几十年中的不断改进，上述设备的功能已变得足够强大，能够执行复杂的任务和计算，体积小巧（便于携带），电池消耗效率高，能够最大限度地降低能耗，并在不拔插头的情况下工作数小时。

从最初的集成电路到今天的技术，中间经历了几个阶段，每一个阶段都值得仔细研究。文章第二部分将介绍半导体技术在过去六十年中取得的进步。我们将讨论一些关键进展，包括FET（场效应晶体管）和MOS（金属氧化物半导体），它们是现代数字设备的基础。这篇文章还将探讨这些微型元件的制造和封装技术。敬请关注本篇的第二部分。

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