1、,半导体器件原理,南京大学,半导体器件原理教材： 半导体器件基础 美国 B. L. Anderson and R. L. Anderson （清华大学出版社，中文版或英文影印版） 主要参考书：(1) 半导体物理与器件 美国 D. A. Neamen (电子工业出版社，中文版） （2）现代集成电路器件基础（Fundamentals of MODERN VLSI DEVICES）美国YUAN TAUR （ CAMBRIDGE，英文原版） 时间、地点：星期二(双）1-2节 教 201星期四 3-4节 教 201,半导体器件原理,南京大学,课时安排（22次课计44学时） （9月15日-12月25日计1
2、5周）引言：半导体的历史回顾与发展概况 半导体材料（第一部分1-4章，回顾与复习） 二极管（第二部分5-6章，回顾与复习） MOSFET（第三部分第7章） FET的补充分析(第三部分第8章）MOSFET 器件性能与设计 (第三部分补充） 双极型器件：静电学特性（第四部分第9章） 器件的时变分析（第四部分第10章） 双极型器件性能与设计（第四部分补充） 光电器件（第五部分第11章） 半导体制造（附录C, 自学),半导体器件原理,南京大学,课程要求：（1） 掌握主要微电子、光电子器件工作的基本原理 （2） 掌握与器件相关的基本物理问题 （3） 熟悉器件的基本性能参数与结构参数 （4） 了解微电子器
3、件的基本设计方法。课程成绩：平时（10分）、期中（30分）、期末（60分）,半导体器件的分类两端器件：pn、肖特基 各类发光器件探测器件、太阳能电池、肖特基器件、其它器件三端器件：pn+mos pn+np MOS器件、存储器件双极型器件、功率整流器件,引言：半导体的历史回顾与发展概况,一、半导体的发展概况,1. 微电子器件与集成电路,硅石时代,硅器时代,历史学家将20万年分为石器时代、铜器时代和铁器时代。信息时代的特征性材料是硅，如今，以硅为原料的电子元件产值超过了以钢为原料的产值，人类的历史因而正式进入了一个新时代-硅器时代。硅所代表的正是半导体元件，包括存储器件、微处理器、逻辑器件与探测器
4、等等在内，无论是电视、电话、电脑、电冰箱、汽车，这些半导体器件都无时无刻不在为我们服务。硅是地壳中最常见的元素，把石头变成硅片的过程是一项点石成金的成就也是近代科学的奇迹之一。由此看来，人类的科学发展过程也可以看成是一个不停寻找新材料的过程，上帝似乎和人类开了一个玩笑，用了20万年的时间我们的材料从石头又回到了石头！,硅器时代,半导体器件原理,南京大学,半导体材料的材料进步与特性比较,硅器时代,半导体器件原理,南京大学,新材料与电路成本,半导体器件原理,南京大学,半导体的发展历程,1947-1948年,点接触和面结型晶体管的发明,1958年，集成电路的发明与平面工艺发展,1960年，MOS晶体
5、管的发明,1963年，CMOS晶体管的发明与发展,D.Kahang & M.M.Atalla,Wamlass & C.T.Sah,1967年,单晶体DRAM发明,R.H.Dennard,1967年,NVSM,D.Kahang & S.M.Sze,1971年,CPU发明,M.E./Hoff etal.,半导体发展中的重要事情,自持半导体存储器,半导体器件原理,南京大学,半导体发展的标志-CPU的进步,计算能力与计算成本的比较与进步,20万年以来，虽然已经从石器时代进步到硅器时代，但人类对材料加工的原则没有根本变化都是以总量相当大的原子或分子作为处理对象。机械加工如此，化学加工也是如此。进步仅仅在
6、于每次处理的原子或分子总量在不断减少。硅器时代的摩尔定律最能体现这种进步。,摩尔定律是1965年由戈登摩尔（Gordon Moore）提出来的，他说集成电路里晶体管数量每18个月翻一番。25年来，现实与摩尔的预言非常一致。 摩尔定律会一直有效吗？换句话说，在单位面积硅片上集成的晶体管数量会达到极限吗？,发展的规律摩尔定律,Cost of Single Transistor,半导体器件原理,南京大学,世界的IC生产,半导体器件原理,南京大学,世界的IC生产(US $ Millions),半导体器件原理,南京大学,中国的IC2005年销售收入达到702亿人民币,在全球市场所占份额达到4.5%。 在
7、中国国民经济和信息产业持续快速发展的带动下, 2001年到2005年，中国集成电路市场规模扩大了2.9倍,年均增长率31.3%， 2005年中国集成电路市场规模达到3800亿人民币，占全球市场24.3%，成为全球重要的集成电路市场之一。中国在全球产业中的影响日益增强，中国的半导体产业和市场需要世界，世界的半导体产业和市场也需要中国。,在2008年结束之际, WSTS在2008年11月给出的2008年全球IC市场增速1.4%（最终结果很可能还会进一步下调），在2007年市场低迷的基础上下降2.6个百分点。 一向保持快速发展的中国IC市场，6.2%，中国市场首次出现个位数增长。可以说，这么多年来，
8、2008年是中国IC市场的发展速度最接近全球市场速度的一年。,半导体器件原理,南京大学,中国的IC生产,2. 半导体光电子器件,天然发光二极管,蝴蝶的翅膀,非洲燕尾蝶的翅膀上覆盖着细微的鳞状物，这些鳞状微结构吸收紫外线后，又将其重新发射回去。那些被重新发射的光线与蝴蝶翅膀上的荧光色素相互作用，就产生了明亮的蓝绿色。相隔长距离的蝴蝶用这种明亮的颜色进行相互沟通。,科学家在研究非洲燕尾蝶的时候，发现其翅膀上的鳞状覆盖物和发光二级管之间拥有很多相似的地方。 蝴蝶翅膀上的鳞状覆盖物内包含着一些被称为“光子晶体”（Photonic Crystals）的微小结构，而这和发光二极管中的微孔的作用机制非常类似
9、。,微孔结构的作用,到2010年，光是太阳能电池一项就有望突破110亿美元，,太阳能电池,80%的市场被硅占据III-V族芯片制造商唯有图谋剩下的20%市场,在人造卫星电池领域已经实现了由硅向III-V半导体技术的富于戏剧性的转变，“在上个世纪九十年代中期，人造卫星有80%的供电来源于硅太阳能电池，而如今这80%的比例却来自于III-V多结电池。”2010年，美国复合半导体制造商RF Micro Devices (RFMD)宣布，公司通过使用标准半导体芯片设备成功制造出太阳能电池，标志着6英寸砷化镓(GaAs)基片上的III-V族多结光电电池量产方面获得突破。,太阳能电池转换效率与发电硅太阳能
10、效率：1-20%（未吸收的低能部分损耗）-40%（高能部分转变为热能损耗）=40%， 实际值为该值的一半。现在，Emcore的GaAs高频多结太阳能电池的效率约36%，Spectrolab的光电系统达到历史上最高水平，为40.7%，未来十年它将会达到45%。作为比较，多结硅电池的转换效率纪录仅是24.7%，而国内企业的记录一般是17%。但这个产业更加关注，如何才能降低太阳能的每瓦成本？据Spectrolab公司的统计结果，转换效率在40-45%之间的太阳能电池，其每千瓦时的生产成本可降至10美分。若在中国大面积使用硅太阳能装置的话，太阳能光热折合发电成本仅为每千瓦时0.15元，比常规的发电成本
11、约低一倍。？,可见光发光二极管进人商品化阶段最早要追朔到1962年，当时美国的通用电气公司Holonyak ，制成了发红光的化合物半导体合金，磷砷化镓。它们不甚么亮（0.1lm/W，大约比白炽灯效率低150倍而且很贵，所以售出很少。MonsantD和HP公司的改进LED使黄、绿加人到红色LED行列中，这都是在1970年之时。AIGalnP LED是1991年由美国 HP公司和日本东芝公司研制成功，并于 1994年改进成功，采用 LPMOCVD技术，其后HP又开发了透明衬底技术大大提高了发光效率LED性能改进速度大约是每十年提高十倍，导致今天某些LED比之通用光源白炽灯或卤素灯具有更高的效率。,
12、GaAs基发光二极管,1907年Henry Joseph Round 第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。1936年,George Destiau出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。随着电流的应用和广泛的认识，最终出现了“电致发光”这个术语。,Nick Holonyak: He Saw The Lights Nick HolonyakZeigler, Illinois; 1928,Nick Holonyak, inventor of the light-emitting diode (LED), is a silicon researcher who was John Bardeens
13、first student, and later his friend. Holonyak worked at Bell Labs (after Bardeen left) and had first hand experience with transistor research there. He is a firm believer that John Bardeen didnt get as much recognition as he deserved for developing the physics theories that made the invention of the
14、 transistor possible - and that William Shockley got too much recognition.,当年美国MIT物理系David Pritchard教授要求MIT物理系留下自己的博士后Wolfgang Ketterle在本系做教授，就不得不以改变自己的研究方向和让出相关的研究经费为条件。 Pritchard决定让Ketterle接手原本是他主持的BEC实验研究工作，而自己则选择了改变研究方向。Pritchard说： “我从此脱离了该项实验，但我得到了一个了不起的同事。” 根据SCI检索，Ketterle留在MIT后的1994-1998年间，P
15、richard和Ketterle没有共同署名发表任何文章。而Ketterle在1994-1998年间共发表了29篇SCI文章，其中包括若干篇关于BEC的重要文章，为Ketterle赢得了2001年的诺贝尔物理学奖。 在此期间Pritchard也发表了24篇SCI文章，都没有Ketterle的署名。不仅如此，他们各自的这些文章中连与他们共同署名的作者都没有相互交叉。 1999年以后，Prichard和Ketterle小组之间才有一些共同署名的文章，这已经是两个完全独立的研究组之间的互补合作了。,中国学术界和谁杂交？,In 1951, he took his first course from B
16、ardeen and, in that class, Holonyak first laid eyes on a transistor. In 1952, he transferred out of vacuum tube research into Bardeens semiconductor lab, even though he was mocked by some of his fellow students. But Holonyak made the right choice - semiconductors soon revolutionized the electronics
17、industry. When he finished graduate school in 1954, he was hired at Bell to work on a number of silicon devices, including transistors. He continued on in solid state science, working for the US Army Signal Corp and General Electric, before returning to be a professor at the University of Illinois i
18、n 1963. Holonyak built his first LED in 1962, when he was a researcher at General Electric Co. (GE ). It emitted only red light.,GaN半导体材料的商业应用研究开始于1970年，其在高频和高温条件下能够激发蓝光的独特性质从一开始就吸引了半导体开发人员的极大兴趣。但是GaN的生长技术和器件制造工艺直到近几年才取得了商业应用的实质进步和突破。1992年被誉为GaN产业应用鼻祖的美国Shuji Nakamura教授制造了第一支GaN发光二极管（LED）；1999年日本Nic
19、hia公司制造了第一支GaN蓝光激光器，激光器的稳定性能相当于商用红光激光器。从1999年初到2001年底，GaN基半导体材料在薄膜和单晶生长技术、光电器件方面的重大技术突破有40多个。由于GaN半导体器件在光显示、光存储、激光打印、光照明以及医疗和军事等领域有着广阔的应用前景，GaN器件的广泛应用将预示着光电信息乃至光子信息时代的来临。因此，以GaN为代表的第三代半导体材料被誉为IT产业新的发动机。,GaN基发光二极管的过去与现在,最近开发的LED不仅能发射出纯紫外光而且能发射出真实的“黑色”紫外光。那么LED发展史到低能走多远，不得而知。也许某天就能开发出能发X射线的LED。 然而，LED
20、的发展不单纯是它的颜色还有它的亮度，像计算机一样，遵守摩尔定律的发展。每隔18个月它的亮度就会增加一倍。早期的LED只能应用于指示灯、早期的计算器显示屏和数码手表。而现在开始出现在超亮度的领域。将会在接下的一段时间继续下去。高效节能的LED意味着太阳能充电电池能够通过太阳光为其冲电。从而能够把光源带到第三世界及其他没有电能的地方。,GaN基发光二极管的未来,Shuji Nakamura （中村修二）荣获2006 年千禧技术奖Nakamura 教授开发了新型的、具有革命性的光源 蓝色、绿色和白色的LED 和蓝光激光。此项技术可以广泛地使用到不同的应用中，从而提高人类的生活质量。芬兰千禧奖基金会第
21、二次颁发世界上最大的科技奖， 奖金价值高达一百万欧元。 Shuji Nakamura 教授的创新为半导体照明的研发工作开拓了一个新领域。他的研发成果使以产业化规模生产高效、节能型的LED 照明灯成为可能。,“Shuji Nakamura 是对科研工作坚持不懈，持有奉献精神，并取得重要突破的杰出代表。他几十年来孜孜不倦、充满决心地开展科研工作，数次挫折也没能阻止他完成那些被同行们认为几乎不可能的工作：利用他自己设计的反应堆系统开发了一种晶体材料，即氮化镓，这种强大的光源可以产生蓝色、绿色和白色的光，甚至产生蓝色激光。利用他的科研成果实现的照明应用可与托马斯-爱迪生发明的白炽灯相媲美。随着时间推移
22、，以Shuji Nakamura 的创新为基础而开发的节能型照明将毫无疑问成为市场主导”，国际选拔委员会主席Pekka Tarjanne 评论道。,At the time of his breakthrough, Nakamura was an unknown engineer without a Ph.D. working for a tiny Japanese electronics company on Shikoku Island. His colleagues would tell him, “You should quit. You wasted all our research
23、money for 10 years,“ Nakamura remembers. “That just pissed me off”.,”You should quit. You wasted all our research money for 10 years”,但如果按以往每10年提高10倍，从1970年到2000年增加1000倍，有人预测到2025：年将有2530的白炽灯和荧光灯被LED照明光源所取代。如果说半导体在电子学领域完成了第一次革命的话，那么，第二次革命会不会就在照明领域？,照明工程,Estimated ownership cost of SSL-LEDs,Lighting
24、source development & perspective,二、半导体器件发展的历史回顾,实验先导工作1833年，M.法拉第最早发现硫化银的电导率随温度升高而上升，这和一般的金属导体的性质正好相反。1833年，W.史密斯发现在光照下硒的电导率会改变，这是第一次发现半导体的光电导效应。一年以后，K.F.布劳恩发现硫化铅和一个触针接触可以产生整流效应，在早期的无线电实验中用作有效的检波器。1876年，J.C.亚当斯等发现硒的光电池效应。这些都为后来固态电子器件的发展起了先导作用。 对半导体材料的大量实验性研究工作开始于19世纪中叶。虽然当时发现了许多新奇的效应，但实验的数据往往不能重复，这些
25、效应的机理长期得不到确切的解释。这使半导体电子器件在早期未能很快发展。,1900年，M.普朗克提出量子的概念，以后经过许多科学家的努力，弄清了电子和光子具有波动和粒子的二重性。 1927年，德国斯特拉特(MJoStrutt)提出固体量子论中的能带概念。1930年法国布里渊(LBrillouin)在固体能带中提出布里渊区的概念。1931年，美籍英国人威尔逊(Harold Albert Wilson)提出半导体的能带模型的量子力学理论，认为每2个电子能进入的能级聚合在一定的范围内，把它叫做能带，并提出有满带和导带2个带领域，从而奠定了能带论。用能带理论解释导体、绝缘体和半导体的行为特征，其中包括半
26、导体电阻的负温度系数和光电导现象。后来，他又提出杂质能级概念，对掺杂半导体的导电机理作出了说明。能带理论的提出是固体物理学的一大飞跃，但它还不能解释半导体的整流特性和光生电动势等表面现象。 在19301940年确立了固体量子论。英国的莫特(Mott)在解释整流作用上改进了威尔逊模型，提出了扩散理论，说明了电子的隧道效应。1933年，肖脱基(wSchottky)发表了肖脱基阻挡层理论。1938年，莫特发表化学阻挡层理论。,理论准备固体能带理论的发展,基本构想30年代末，固体的能带理论已比较成熟。当时英国的莫特，苏联的达维多夫和德国的W.H.肖特基几乎同时发展了金属和半导体接触的整流理论。这时，许
27、多科学家想进一步在固态整流器的基础上探索一种固态放大器。1935年，O.海尔建议用一个控制电极来控制一层半导体薄膜中的电流,从而构成一个固态放大器。1939年,W.B.肖克莱根据肖特基结中空间电荷区的宽度随反向电压改变的概念，肯定认为可以利用这个效应来制造一个固态放大器。他们曾用氧化亚铜作为材料，但未成功。,意外发现：光电二极管P-N结的发现位于美国新泽西州的美国电报电话公司贝尔实验室的科学家们在寻找更好的检波材料时，发现掺有某种极微量杂质的锗晶体材料整流性能比电子管要好。 1940年3月6日下午美国科学家奥尔（R. Ohl）和斯卡夫 ，用一根系着导线的硅片联接一只伏特表，当他用手电筒照射这条
28、硅棒时，伏特表的指针偏转到半伏的刻度线上。 制备这个硅棒时为了避免爆裂，要先熔化硅然后缓慢的地冷却，在硅晶体固化的过程中，硅锭中的杂质被同时分离，中心部分是“纯净”硅，而在顶部的那一部分含杂质的便是“商品”硅。 在切割时，一位技师无意间正好切在纯净硅和商品硅的交界面。因此，其中之一就表现为纯净硅的特征，另一部分表现出“商品”硅的特征。看起来势垒是在这两个区的交界处的界面上形成的，就像在金属铜与氧化层之间的界面处必定存在势垒一样。 有必要为这两种表现出不同物理特性的硅进行命名：他们创造了“P型”（正极）和“N型”（负极）这两个词汇，以此来表示两个明显不同的区域。 当有光束照射时，P型硅晶体（P-
29、type silicon）将产生正电势，N型硅（N-type silicon）产生负电势，在这两种类型的半导体之间存在的光敏势垒就是“P-N结”。,基本构想的失败 后来发现，将微量的硼加入融化的硅中，冷却后即成为P型半导体，而将微量的磷加入后，即成N半导体。1940年Kelly召集布莱顿和其他一些人观看Ohl做的光电效应表演，布莱顿看了之后，连连摇头说：“这简直不可思议” 。因为他花费多年心血研究出来的成果，其电流值还不到人家的1/10。 他们提出了构成一个半导体三极管的设想。那就是将一片金属覆盖在半导体上面，利用金属与半导体之间的电压所产生的电场来控制在半导体中通过的电流，这基本上是结型场效
30、应管的工作原理。不幸的是，布莱顿等人进行了多次试验都没有成功。由于使用场效应(field effect)来改变电导的许多实验都失败了，巴丁(John Bardeen，19081991)推定是因为半导体具有表面态(surface state)的关系。肖克利专长于理论研究，有着丰富的物理思想，巴丁是运用基础理论解决实际问题的大师；布拉顿则是善于巧妙地进行各种实验的能手，他们的主攻方向是发现控制半导体中电子流动的方法，探索一种能排除电子管缺陷并起到放大作用的电子器件。,奇思妙想1947年11月17日，巴丁与布莱登(Walter Brattain 19021987)在矽表面滴上水滴，用涂了蜡的钨丝与矽
31、接触，再加上一伏特的电压，发现流经接点的电流增加了！但若想得到足够的功率放大，相邻两接触点的距离要接近到千分之二英吋以下。12月16日，布莱登用一块三角形塑胶，在塑胶角上贴上金箔，然后用刀片切开一条细缝，形成了两个距离很近的电极，其中，加正电压的称为射极 (emitter)，负电压的称为集极 (collector)，塑胶下方接触的锗晶体就是基极 (base)，构成第一个点接触电晶体 (point contact transistor)，1947年12月23日，他们更进一步使用点接触电晶体制作出一个语音放大器，该日因而成为晶体体正式发明的重大日子。,把锗检波器与另外一根钨丝连接成为三极，按电极位
32、置不同使电流发生变化，故晶体管的名称在英语中是转换(transfer)与电阻器(resister)的复合词。 很快地半导体电子学就取得了辉煌的成就。1950年，出现面接触晶体管 1953年，出现面结型场效应晶体管(FET) 1960年，制成金属氧化物半导体(MOS)场效应晶体管 1963年，制成互补对称金属氧化物(CMOS)在1957年底，各界已制造出六百种以上不同形式的电晶体，使用于包括无线电、收音机、电子计算机甚至助听器等等电子产品。这一系列进展给电子技术带来了新的飞跃。特别是硅平面晶体管的出现，预示着微电子学的崛起，集成电路应运而生就不远了。,理论跟进（三维与一维）理论解释与新的设想在点
33、接触电晶体发明整整一个月后，萧克莱想到使用p-n接面来制作接面电晶体 (junction transistor) 的方法，在萧克莱的构想中，使用半导体两边的n型层来取代点接触电晶体的金属针，藉由调节中间p型层的电压，就能调控电子或电洞的流动，这是一种进步很多的电晶体，也称为双极型晶体管 (bipolar transistor)，但以当时的技术，还无法实际制作出来。第一个晶体管诞生两个月后，肖克莱发表了晶体管的理论基础p-n结理论。晶体管的发明是电子学的第二次重大技术突破，三位科学家为此获得了1956年诺贝尔物理学奖。,肖克利开始想办法色即一种牢固的固体材料器件，来替代通常用于通讯设备的性能极不
34、稳定的电子管转换器和放大器。他对量子世界的熟悉使他在这种探索中占有明显的优势。不断的失败他放弃了，转向其他项目，巴丁和布拉顿继续研究。在历时两年的研究工作中，巴丁和布拉顿偶然发现了一种不同却成功的方法，最终研制出了晶体管放大器。多年之后，肖克利回忆道：“我对小组成功的兴奋之情因未能成功成为发明者之一而降低，我在这方面所做的努力至少有八年之久，我所经历的最大挫折就是在该项划时代发明中自己所做的一切都是徒劳。” 虽然肖克利没能成为晶体管的发明者之一，但他的研究为日后电子学及无线电通讯研究领域突破性的进展奠定了基础。巴丁、布拉顿、肖克莱也因此而获得年的诺贝尔物理学奖。,肖克利与第一个晶体管,集成电路
35、的出现晶体管的出现使电子设备体积缩小，耗电减少，可靠性提高。由于晶体管可形成大规模工业化生产，其售价便宜，使电子设备成本也大幅度降低。然而，电子元器件的这些变革，仍然满足不了电子工业迅速发展的需求，以一台中型电子计算机为例，它的电子元件数高达上百万个，单机元件增多，暴露出晶体管自身的缺陷。为了克服晶体管的这些弱点，科学家想尽办法使它的体积变小，与之配套的电阻、电容、线圈、继电器、开关等元件，也沿着小型化的道路被压缩成微型电子元器件，晶体管最小的已达到只有小米粒一样。然而，晶体管本身的小型化当然不是无限的，它达到一定程度后就很难再缩小了。人们又转而着手做改革装配技术的尝试，专家们将小型晶体管和其
36、它小型元件，紧密地排在一起装配在薄薄的带有槽孔的绝缘基板上，用超声波或电子束焊接好，再把安装好的基板一块块地重叠起来，构成一个高度密集的立方体，形成高密度装配的“微模组件”。采用这种方法，最高可以把多万个元件封装在一立方米的体积中，这几乎达到封装密度的极限。,1952年，美国雷达研究所的科学家达默（G.W.A.Dummer）在一次电子元件会议上指出：“可以期待将电子设备制作在一个没有引线的固体半导体板块中，这种固体板块由若干个绝缘的、导电的、整流的以及放大的材料层构成，各层彼此分割的区域直接连接，可以实现某种功能。”1956年，美国材料科学专家富勒和赖斯发明了半导体生产的扩散工艺，为研制集成电
37、路提供了具体工艺技术。1958年，美国德克萨斯仪器公司的青年工程师基尔比，受达默思想的启发，大胆地提出了用一块半导体硅晶片制作一个完整功能电路的新方案。他在研制微型组件的晶体管中频放大器时，用一块硅晶制成了包括电阻、电容在内的分立元件实验电路、实验结果非常令人满意。到1958年底，他们已经解决了半导体阻容元件和电路制作中的许多具体工艺问题，确定了集成电路的标准封装尺寸，为大规模工业化生产做好了各项准备。,基尔比的新发明,1959年，美国仙童公司的诺伊斯研究出一种二氧化硅的扩散技术和PN结的隔离技术，从而完成了集成电路制作的全部工艺。紧接着，光刻技术和其他技术也相继发明，以致人们可以把晶体管和其
38、它功能的电子元件压缩到一小块半导体硅晶片上。1961年，美国德克萨斯公司同美国空军合作，首先利用集成电路制成第一台试验性计算机，该机共有587块集成电路，只有285克，体积不到100立方厘米，功耗仅仅16瓦，运行可靠，工作准确无误，充分显示了集成电路的技术先进性和强大生命力。单块晶片上能集成100个以上门电路的集成电路称为大规模集成电路。而把能在单块芯片上集成10000个门电路的集成电路称为超大规模集成电路。随着制作工艺的进步和新技术的应用，人们把一个线路系统或一台电子设备所包含的所有晶体管和其它电子元件统统制在一块晶片上，从而大大缩小了体积并提高了可靠性。1969年出现了第一块大规模集成电路
39、，之后随着大直径硅单晶材料性能的提高及离于束和新隔离技术的应用，特别是光刻工艺精度的不断提高，使制作在晶片上的电子元件的几何尺寸越来越小，于是在70年代中期，超大规模集成电路问世了。,平面工艺的发明,集成电路的第一个商品助听器: 发表于1963年12月，当时用的仍是双极型晶体管。1970年，通用微电子(General Microelectronics)与通用仪器公司 (General Instruments)，解决了矽与二氧化硅界面间大量表面态的问题，开发出MOS晶体管 (metal-oxide-semiconductor， MOS)；因为MOS晶体管比起双极型晶体管，功率较低、集积度高，制作
40、也比较简单，因而成为后来大型集成电路的基本元件。 60年代发展出来的平面工艺，可以把越来越多的MOS元件放在一块硅晶片上，从1960年的不到十个元件，倍数成长到1980年的十万个，以及1990年约一千万个，这个每年加倍的现象称为摩尔定律 (Moores law)，是摩尔(Gordon Moore)在1964年的一次演讲中提出的，后来竟成了事实。,在微处理机方面，1968年，诺宜斯和莫尔成立了英特尔 (Intel) 公司，不久，葛洛夫 (Andrew Grove) 也加入了，1969年，一个日本计算机公司比吉康 (Busicom) 和英特尔接触，希望英特尔生产一系列计算机晶片，但当时任职于英特尔
41、的霍夫 (Macian E. Hoff) 却设计出一个单一可程式化晶片，1971年11月15日，世界上第一个微处理器4004诞生了，它包括一个四位元的平行加法器、十六个四位元的暂存器、一个储存器 (accumulator) 与一个下推堆叠 (push-down stack)，共计约二千三百个晶体管；4004与其他唯读存储器、移位暂存器与随机存取存储器，结合成MCS-4微电脑系统；,在1970年代，决定半导体工业发展方向的，有两个最重要的因素：半导体存储器(semiconductor memory) 与微处理机 (micro processor)。,4004 8008 8085 8088,CPU
42、的发展初期,80186 80386 80286 80486,CPU的发展中期,Pentium PentiumIII Pentium Pro Pentium II PentiumIV,CPU的发展后期,毫无疑问的，存储器与微处理器同等的重要，1965年，快捷公司的施密特 (J. D. Schmidt) 使用MOS技术做成实验性的随机存取存储器。1969年，英代尔公司推出第一个商业性产品，这是一个使用硅 闸极、p型通道的256位元随机存取存储器。存储器发展过程中最重要的一步，就是1969年，IBM的迪纳 (R. H. Dennard) 发明了只需一个晶体管和一个电容器，就可以储存一个位元的记忆单元
43、；由于结构简单，密度又高，现今半导体技术的发展常以动态随机存取存储器的容量为指标。,存储器的发展,中国半导体产业发展历史,1947年，美国贝尔实验室发明了半导体点接触式晶体管，从而开创了人类的硅文明时代。 1956年中国提出“向科学进军”，国家制订了发展各门尖端科学的“十二年科学技术发展远景规划”，明确了目标。根据国外发展电子器件的进程，提出了中国也要研究发展半导体科学，把半导体技术列为国家四大紧急措施之一。中国半导体材料从锗(Ge)开始。通过提炼煤灰制备了锗材料。1957年北京电子管厂通过还原氧化锗，拉出了锗单晶。在锗之后，很快也研究出其他半导体材料。1959年天津拉制了硅(Si)单晶。19
44、62年又接制了砷化镓(GaAs)单晶，后来也研究开发了其它化合物半导体。,1957我国依靠自己的技术开发，相继研制出锗点接触二极管和三极管(即晶体管)。 为了加强半导体的研究，中国科学院于1960年在北京建立了半导体研究所，同年在河北省石家庄建立了工业性专业研究所-第十三研究所。 硅器件开始搞的是合金管。1962年研究成外延工艺，并开始研究采用照相制版、光刻工艺，河北半导体研究所在1963年搞出了硅平面型晶体管，1964年搞出了硅外延平面型晶体管。在平面管之前不久，也搞过错和硅的台面扩散管，但一旦平面管研制出来后，绝大部分器件采用平面结构，因为它更适合于批量生产。 半导体所属工厂后改建为微电子
45、中心所生产的开关管，供中国科学院计算研究所研制成第二代计算机。随后在北京有线电厂等工厂批量生产了DJS-121型锗晶体管计算机，速度达到1万次以上。后来还研制出速度更快的108机，以及速度达28万次、容量更大的DJS-320型中型计算机，该机采用硅开关管。,半导体器件,在有了硅平面工艺之后，中国半导体界也跟随世界半导体开始研究半导体集成电路。中国第一块半导体集成电路究竟是由哪一个单位首先研制成功的？在相差不远的时间里，有中国科学院半导体研究所，河北半导体研究所，它在1965年12月份召开的产品鉴定会上鉴定了一批半导体管，并在国内首先鉴定了DTL型(二极管-晶体管逻辑)数字逻辑电路。当时采用的还
46、不是国外普遍使用的P-N结隔离，而是仅在国外文献中有所报导的Sio2介质隔离，通过反外延方法制备基片。 在研究单位之后，工厂在生产平面管的基础上也开始研制集成电路。北方为北京电子管厂，也采用介质隔离研制成DTL数字电路，南方为上海元件五厂，在华东计算机所的合作下，研制出采用P-N结隔离的TTL型(晶体管-晶体管逻辑)数字电路，并在1966年底，在工厂范围内首家召开了产品鉴定会鉴定了TTL电路。,半导体集成电路,我国大陆半导体工业我国半导体产业起步于1950年代。1965年，我国已自主研制成第一块硅数字集成电路，仅比美国日本晚了几年，而且势头不亚于同处于半导体发展初期的美国。在外部封锁条件下，我
47、国半导体产业，按照军工主导、科研创新带动模式，形成了自己的一套产业体系。国家曾组织三次全国规模的大规模集成电路（LSI）大会战，以逻辑电路、数字电路为主，主要为计算机配套，开发出了自己的109、130、220、370计算机系列。而且自主开发出配套的设备、仪器、原料，形成了生产能力。 随后的“文化大革命”耽误了10年。我们搞“文革”的10年，正是美国在半导体制造技术获得全面突破和进入大规模生产阶段，日本半导体产业崛起的时期。3 改革开放以来，面对国外巨大的技术优势，我国半导体发展模式经历了重大转型。 1978年，无锡742厂（今华晶厂）投资2.8亿，从日本东芝引进全套彩电用线性集成电路生产线（5
48、微米技术），1982年起投产，1985年国家验收通过。华晶的全套引进在当时是比较成功的项目。,分散引进，33条生产线不见成效“文革”结束后的1980年代初，努力追赶国际水平。中国科学院北京、上海两个半导体研究所，于79年试制成功4K存储器，1980年就做出16K，1985年做出了64K存储器。但是，在巨大的进口潮冲击下，1980年代后期停止了在通用电路方面的追赶（256K存储器的研发计划被搁置），转而走技术引进的路子。 1984年是我国的“引进年”。在大量进口汽车、大量引进彩电、冰箱生产线的同时，各科研、制造单位和大专院校，大量引进半导体器件生产线。从1984年到“七五”末期，先后共引进33条
49、集成电路生产线（按每条线花费300-600万美元，推算共用汇1.5亿美元）。 但是，由于当时“巴统”的禁运政策，引进设备基本上都是已经淘汰的，有的不配套，达不到设计能力，只有1/3可以开动。而且，企业急功近利，只讲生产不重消化，少有明确的消化吸收方案，也缺乏资金保障。这33条线绝大多数没有发挥作用。,“908”项目：从决策到投产用了7年1990年8月，国家决定投资20亿人民币，上马“908工程”。包括一条6英寸生产线（最后定在华晶厂），一个后封装企业，10个设计公司，还有6个设备项目。 “908工程” 吸取了“33条线”教训，强调了集中投资。但是，在实际上马过程中，仅仅立项就用了4年（1994年立项才获批准），突出暴露了我国决策机制之迟缓，不能适应高科技产业快节奏发展的弊病，最后还是引进一条二手的6英寸生产线。直到1997年左右才建成。 新加坡的CHATER公司也是1990年开始引进生产线，两年建成，三年投产，到今天已经成为国际著名半导体公司。 我们从立项到建成投产，用了几乎7年时间，投产之日即是技术落后之时。技术已经前进了几代。,
