晶体管发展趋势，晶体管发展的五个时代

1947年12月23日，美国贝尔实验室正式展示了第一只基于锗半导体的具有放大作用的点接触晶体管，标志着现代半导体工业的诞生和信息时代的开始。晶体管可以说是20 世纪最重要的发明，诞生于70 多年前。

严格来说，晶体管一般指单个半导体元件，常指用半导体材料制成的晶体管、场效应晶体管等。英文名称Transistor源自transresistance（即传输电阻），又称“跨阻”，是指输出端电压变化与输入端电流变化（单位为欧姆）的比值，反映反映能力的能力。输入并影响输出。晶体管进入中国时，真空晶体管仍被广泛使用，但随着晶体管的巨大成功，晶体管专指晶体管，似乎与原来的英文名称transistor关系不大，现在泛指单个半导体元件整体。

晶体管的诞生

在晶体管出现之前，电信号主要由电子管（真空三极管）放大。该装置由L. Forest 于1907 年发明。其本质是在J.弗莱明于1904年发明的真空二极管（因此得名“晶体管”）的阴极和阳极之间增加另一个电极，从而实现电流的马苏。后来，“反馈”概念的引入进一步提高了设备的性能。真空三极管制造难度大、寿命短、体积大、能耗高、易损坏，其应用范围极其有限，一直希望被固态器件替代。一个简单的想法（但当时很难实现）是将栅极放置在半导体整流器（二极管）内。 1938年，德国的R. Hirsch和R. Paul通过在溴化钾晶体中插入三个电极，成功演示了第一个基于色心的晶体管模型，但不幸的是，他们的工作频率只有1 Hz，这更加糟糕。此后其他人也曾尝试过，但没有成功。

1945年，贝尔实验室进行了有针对性的基础研究（现在称为“应用基础研究”），以了解包括硅和锗在内的几种新材料的潜在应用。）计划进行。为此，成立了“半导体小组”，以W.肖克利为组长，成员包括J.巴丁、W.布拉顿等。肖克利和巴丁都是理论物理学家，而布拉顿是实验物理学家（图1）。早期的研究是基于肖克利首选的金属半导体结构，但在多次尝试后都失败了。

巴丁随后意识到半导体中的表面缺陷非常有害，因此他需要找到一种方法来“钝化”表面（去除缺陷）。从1947年11月开始的短短几个月里，他们取得了长足的进步，终于实现了第一个半导体晶体管。

图1 从左到右：巴丁(1908-1991)、肖克利(1910-1989) 和布拉顿(1902-1987)。他们的关系并不像照片上那么和谐

事实上，在此期间发明了两种截然不同的晶体管：Bardeen 和Bratten 于1947 年12 月发明了点接触晶体管（图2）。它从金电极（发射极）进入锗半导体（基极），被大大放大，并从另一个金电极（集电极）输出。该器件在1kHz 时增益为4.5，一个月后肖克利发明了三明治双极结型晶体管。外面两层是N型半导体，中间是P型半导体。然而，直到1950 年，G. Thiel 和Si M. Sparks 才创建了基于锗的NPN。结型晶体管。从实用的角度来看，点接触晶体管的产量非常有限，并且尚未在商业上取得成功，但结晶体管使现代半导体工艺得以实现，并为许多半导体公司的崛起做出了重大贡献。 1956年，巴丁、布拉顿和肖克利因发明晶体管而获得诺贝尔物理学奖。晶体管的发明历史其实非常复杂，交织着科学技术、群体和社会之间的微妙关系，所以详细内容请参考科学史书籍和一般科学书籍、。

图2 巴丁和布拉顿发明的点接触晶体管

晶体管发明之前的半导体技术

二战后仅两年，晶体管就研制成功。为什么这次？为什么不早点呢？半导体技术的发展是材料、物理和器件相互促进和互补的结果，因此创造性能优越的器件需要了解材料的物理特性以及相应的物理过程和规律。测量足够质量的材料需要可靠的设备。此前条件还不够成熟。

半导体科学研究始于19世纪初，当时研究了自然界中的所有材料（矿石晶体）：1833年，M.法拉第在研究硫化银的电导率时首次观察到负电阻温度。W.史密斯在块体材料硒中发现光电导效应；1874年K.布朗发现某些金属硫化物表面的整流效应；1876年W.亚当斯.R.戴发现硒材料中的光伏效应；1879年E. Hall 发现了现在所谓的“霍尔效应”，并发现在一些带有正电荷载体的材料中会发生什么。也就是说，在晶体管发明前70年，人们就知道半导体材料的一些基本特性很重要：负电阻温度系数和光电导效应（都是体材料效应）、光伏效应和整流效应。（ a) 被发现。在某些类型的半导体中（与其他材料接触的影响），存在正电荷载流子（这些是半导体中的“空穴”）。

当时，人们还不了解决定材料性能的基本理论，不可能自己制备出高质量的材料，评估技术也很粗糙，只需要反复试验。此后，研究不断取得进展，特别是基于金属-半导体材料接触的整流器的发明，在无线通信中发挥了重要作用，布朗（与马可尼）因此荣获1909年诺贝尔物理学奖。获奖。

真正的转折点发生在1926年新量子力学理论诞生之后。 1931年，英国的A.威尔逊将量子理论应用到晶体上，提出了能带理论，最终解释了金属、半导体、绝缘体之间电导率的差异，而能隙决定了晶体的特性。 1932年，他提出了杂质和缺陷能级的概念，为理解掺杂半导体的传导机制做出了重大贡献。 1939 年，他出版了《半导体与金属》（半导体和金属）。 1939年，苏联的A.达维多夫、英国的N.莫特和德国的W.肖特基分别独立提出了势垒理论来解释金属-半导体接触的整流效应。 1940 年，F. Seitz 发表了《现代固体理论》（现代固体理论）。至此，关于晶体管的基础理论工作就完成了。

与此同时，半导体材料的生长技术也取得了长足的进步。 20 世纪40 年代，硅和锗采用垂直冷却，并首次观察到p-n 结。这一时期还提出了拉晶方法和逐区精炼方法，允许从锗和硅熔体中拉制单晶。贝尔实验室的R. Ohl 和Thiel 一直在研究提纯锗和硅并制备大型单晶的工艺。

布拉顿此前曾研究过量子力学，并于20世纪30年代在贝尔实验室工作，在那里他试验了肖克利利用氧化亚铜制造半导体放大器的想法，并试图实现固态三极管的潜力。尝试了很多次，但都没有成功。工作了。成功。到二战结束时，理论和材料都准备好了，设备也准备好了。 1947年12月，布拉滕和巴丁终于成功发明了点接触晶体管。当时还有其他人在研究这个问题，所以如果贝尔实验室不能完成，也可以在其他地方完成。例如，1948年4月，H. Matare和H. Welker在法国独立发明了点接触晶体管。

晶体管发明后

从20世纪50年代开始，晶体管逐渐开始取代真空管，最终使大规模生产集成电路和微处理器成为可能。

最初，晶体管和晶体管化器件并不受欢迎，因为它们太贵了。不过，美军之所以感兴趣，是因为军事装备有便携性、可靠性、耐用性等特殊要求。在20 世纪50 年代的大部分时间里，正是美国军方的支持才让年轻的晶体管行业得以持续发展。 1957年，苏联人造卫星史普尼克号发射升空，正式拉开了美苏之间的太空竞赛。 1961年，肯尼迪总统宣布他将在1970年之前将人类送上月球。由于美国在火箭技术方面略落后于苏联，因此需要进一步减轻重量，并且在所有电子设备中尽可能使用晶体管。由此，以晶体管为基础的半导体产业也迅速发展。集成电路成为这个时代的支柱。

晶体管问世以来的10年里，出现了许多新的晶体管。 1950年，日本的J.Nishizawa和Y.Watanabe发明了结型场效应晶体管（JFET）。 1952年，基于晶体管的助听器和收音机出现在市场上。贝尔实验室的M. Tannenbaum 于1954 年制备出了第一个硅晶体管，同年转到德州仪器的Thiel 使商用硅晶体管成为了现实。 1956年，通用电气发明了晶闸管。在这个时代，晶体管电子电路通过电线连接各个半导体元件，这首先展示了半导体器件的功能。以电子计算机为例，第一台通用电子计算机ENIAC于1946年使用（图3），并于1956年停产。功耗150kW，计算力仅需1秒

执行5000 次加法和减法（20 位小数）。 1954年，贝尔实验室开发出第一台晶体管计算机TRADIC。这台计算机使用了大约700 个晶体管和10,000 个锗二极管，每秒仅使用100 瓦的功率即可执行一百万次逻辑运算。 1955年，IBM开发出拥有2000个晶体管的商用计算机。

图3 ENIAC，第一台通用电子计算机

单个半导体元件很有用，但在同一半导体材料上组合多个晶体管的能力肯定会更有用。 20 世纪50 年代很多人都有这个想法，但德州仪器(TI) 的J. Kilby 是第一个实现这一想法的人。 1958 年9 月12 日，他在锗芯片上创建了第一个集成电路，其中晶体管和无源元件通过金线连接（图4）。 1959 年，Fairchild 公司的R. Noyce（后来创立了英特尔）申请了一项平面工艺专利，该工艺使用铝作为导电条来制造集成电路。从此，集成电路时代开始了。基尔比因发明集成电路而获得2000年诺贝尔物理学奖。

图4 Kilby（1923-2005）和他的第一个集成电路

在接下来的十年里，晶体管的发展更加迅速。让我举一些例子。 1959年，贝尔实验室的D. Kahng和M. Atalla发明了金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），1925年由J. Lilienfeld提出，场效应晶体管的概念变得具体化。意识到了。 1967年，Kahn和S.M.Sze创造了浮栅MOSFET，为半导体存储技术奠定了基础。 1965年又发生了一件大事。 Fairchild 公司的G. Moore（英特尔公司创始人之一）提出了摩尔定律（图5）。集成电路上可容纳的元件数量每年大约增加一倍。性能也每18到24个月翻一番（摩尔定律原本说每年翻一番，但10年后改为每两年翻一番）。这条定律原本是一个解释半导体行业迄今为止发展的经验公式，但它却奇迹般地揭示了未来50年信息技术的进步速度。 20世纪90年代以来，国际半导体产业规划了包括美国、欧洲、日本、韩国、台湾等半导体产业先进国家和地区在内的研究路线图，以协调半导体产业的发展。开始了。自1998年起，国际半导体技术路线图每两年发布一次。但2016年发布的新路线图并没有首次强调摩尔定律，而是强调“超越摩尔”战略。过去是先有芯片，后有应用（先有应用，后有芯片）。但未来，芯片将成为应用服务。

图5 摩尔定律（1900-2020）

自摩尔定律诞生以来，半导体技术和产业发展迅速。 1969 年，贝尔实验室的W. Boyle 和G. Smith 发明了电荷耦合器件(CCD)，引发了摄影领域的革命。这张照片已经使用了100 多年，现已退役。手机相机。 1971年，Intel发布了第一款4位商用微处理器Intel 4004（拥有2300个晶体管），1972年发布了其8位商用微处理器Intel 8008（拥有3500个晶体管），这导致了袖珍计算器的普及。直到个人电脑的出现。 1976年，克雷推出了Cray-1超级计算机，该计算机执行了惊人的2.5亿次计算。然后，随着苹果电脑、IBM兼容机、互联网的出现和发展，大数据时代终于到来了。 2016年发生的典型事件是AlphaGo战胜围棋世界冠军李世石、“神威·太湖之光”战胜“神威·太湖之光”。在世界超级计算机排行榜上排名第一，每秒可执行9300亿次浮点运算。在这篇短文中当然不可能解释这些进展。表1总结了诺贝尔物理学奖半导体技术奖项的现状，以便任何人都可以轻松理解。

接下来我们来看看中国半导体技术的发展历程。

中国半导体技术

晶体管发明时，中国还处于解放战争时代。新中国成立后，众多半导体技术专家陆续回国，开始了他们的中国半导体技术之旅。以黄坤、谢希德、林兰英、王受武、唐定远、洪超胜、高定三、程忠志为代表的老一代科学家为我国半导体产业的人才培养和产业发展做出了巨大贡献。

1956年，中国物理学会主办了“半导体物理研讨会”，并于1957年出版了《半导体会议文集》。这一事件扩大了国内半导体产业，对我国半导体科技的发展产生了很大影响，最终半导体科技被列入日本《十二年科学技术远景规划》，成为57期之一。科学规划委员会还提出并批准了“计算技术、半导体技术、无线电子、自动化和远程控制技术发展的紧急措施”。

1956年至1958年，日本五所学校联合设立了第一个半导体专业，开始独立培养半导体工程师。 1962年，召开了第二届国家半导体学会大会。全国半导体物理学会自1979年起每两年召开一届，2017年第21届会议在南京大学召开。这些会议与国内其他半导体技术学术会议一样，将促进国内半导体研究领域的学术交流，使大家了解国际重点前沿领域的发展趋势，使国内半导体技术领域的研究水平得到显着提高。

日本的科研人员在材料和器件领域也取得了成果。 1957年拉制锗单晶并发展出锗晶体管，1959年硅单晶，1962年砷化镓（GaAs）单晶，1962年开发硅外延工艺，1965年硅基晶体管，1966年，2008年TTL电路问世产品使我国能够制造小规模集成电路。

20世纪70年代以来，日本陆续建成并投产了数十家集成电路工厂，其中包括国营东光电机厂（878厂）、上海无线电十九厂等。 1976年，中国科学院计算技术研究所成功研制出可进行1000万次运算的大型电子计算机。改革开放后，引进国外先进技术加快。在每个五年规划期间，我们制定半导体技术特别是集成电路技术的发展战略，开展科技攻关。

2000年国务院颁发《鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》号。此后，包括国家集成电路设计产业化基地、中芯国际在内的多家半导体科技公司纷纷在中国设立，英特尔、三星等国外企业也纷纷在中国设厂。然而，也正是在这一时期，中国半导体集成电路芯片的进口猛增，目前每年进口总额已超过2000亿美元（约合人民币1.5万亿元），甚至超过了石油。政府于2014年设立国家基金，重点关注以集成电路为代表的半导体科技，但具体效果还有待观察，而且近年来中国对海外半导体企业的收购有所增加。纷纷报道。在此过程中，遭到外国政府以国家安全为由的各种干涉。

回顾新中国60多年的发展历史，国家始终高度重视半导体科技，建立了半导体科研生产体系，形成了服务国民经济的基本框架。建筑和国防项目。但由于国家经济水平的限制，国家对半导体研究的投入无法与西方发达国家相比（需要在国家的基本安全上投入大量的人力、物力、财力）。改革开放以来，我国与国际水平的差距不断拉大。

它变得越来越大。原因大概有几个：才华横溢的年轻人才被发达国家“挖走”，留在中国的大多选择经济效益较高的行业；老一辈的科研人员；随着学生的退休，很多学校的半导体专业正在萎缩。科研模式的变化也产生了一定的影响，一些服务于军工的研究机构，以及科研院所和大学的研究从以前的集体作战模式转向科研的个体经营模式，正在逐步改变。原本有总体规划的教育研究机构和研究团体正在逐渐消失或形同虚设，而行业研究则注重短期成果，较少对半导体技术研究的长期投入不感兴趣。过去十年，国家加大了对半导体技术的重视，但仍需要更多的投资和时间才能取得成果。

总结

回顾晶体管诞生以来70年国际半导体技术发展史，基础科学研究对于国民经济、国防安全、科技产业需求至关重要。 2006年荣获诺贝尔物理学奖的白光LED就是一个很好的例子，为全球节能减排工作做出了重大贡献。

半导体技术作为关系国民经济和人民生活的关键领域，没有长远的规划和充足的投入就不可能取得令人满意的成果。目前中国经济已经取得长足进步，有能力、有必要投资半导体研究，包括重新规划大学院系的教育模式、重新设计项目主题的研究方法、重新调整科学研究与科学的关系。就足够了。二十年后，中国应该拥有科研和生产最强的半导体产业。

Riordan, M. L. Hoddeson，《Crystal Fire: 信息时代的诞生》（W. W. Norton，纽约，1997 年）。

《硅星球： 微电子学和纳米技术革命》 John D. Cressler，张荣兵、张晨波译，上海科技教育出版社，2012年。

《半导体的故事》，约翰·奥顿，济阳译，中国科学技术大学出版社，2015年。