從石器時代到硅器時代


從石器時代到硅器時代<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

                          ——從半導體工業的發展看近代科學發展

 

人類學家說,你我同屬現代直立人,大概20萬年前由智人變過來。歷史學家將這20萬年分為石器時代、銅器時代和鐵器時代。社會學家宣稱現在到了信息時代。仔細想一下,還是歷史學家深沉。人類的物質文明歸根到底是器具的制作和使用,以材料作為文明階段的標識再簡明不過了。信息時代的特征性材料是硅,如今,以硅為原料的電子元件產值超過了以鋼為原料的產值,人類的歷史因而正式進入了一個新時代。按歷史學家的論法,與石器時代相對,當代應該叫硅器時代。硅所代表的正是半導體元件,包括存儲器件、微處理器、邏輯器件與探測器等等在內,無論是電視、電話、電腦、電冰箱、汽車,這些半導體器件都無時無刻不在為我們服務。硅是地殼中最常見的元素,許多岩石的主要成分都是二氧化硅,然而,經過數百道工藝制成的集成電路,其價值可達上萬美元;把石頭變成硅片的過程是一項點石成金的成就也是近代科學的奇跡之一。由此看來,人類的科學發展過程也可以看成是一個不停尋找新材料的過程,然而上帝似乎和人類開了一個玩笑,用了20萬年的時間我們的材料從石頭又回到了石頭!然而,其間每一次時代的變更都象征着人類科學和技術的一次飛躍,也正是由於科學和技術的發展才推動了人類社會的前進。從1948年第一只晶體管誕生至今,僅僅50多年的時間,但是人類在這50年時間內創造的財富是過去幾個時代的總合。因此半導體工業的發展,是近代科學和技術的發展的一個縮影。

 

P-N結的發現

早在本世紀初,人們掌握了電子在真空中的運動規律,發明了真空三極管(電子管),開創了電子技術的新領域。但是真空三極管的使用效率非常低,加上燈絲過熱,使用時間短,特別是處理高頻信號的效果不理想,科學家們一直在尋找新的材料來代替真空管的缺陷。位於美國新澤西州的美國電報電話公司貝爾實驗室的科學家們在尋找更好的檢波材料時,發現摻有某種極微量雜質的鍺晶體材料整流性能比電子管要好。<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />194036日下午美國科學家奧爾(R. Ohl)和斯卡夫 ,用一根系着導線的硅片聯接一只伏特表,當他用手電筒照射這條硅棒時,伏特表的指針偏轉到半伏的刻度線上。這個制備這個硅棒時為了避免爆裂,要先熔化硅然后緩慢的地冷卻,在硅晶體固化的過程中,硅錠中的雜質被同時分離,中心部分是“純凈”硅,而在頂部的那一部分含雜質的便是“商品”硅。在切割時,一位技師無意間正好切在純凈硅和商品硅的交界面。因此,其中之一就表現為純凈硅的特征,另一部分表現出“商品”硅的特征。看起來勢壘是在這兩個區的交界處的界面上形成的,就像在金屬銅與氧化層之間的界面處必定存在勢壘一樣。當意識到差一點就被他們錯過這種現象的重要性的時,他們決定有必要為這兩種表現出不同物理特性的硅進行命名。他們創造了“P型”(正極)和“N型”(負極)這兩個詞匯,以此來表示兩個明顯不同的區域。當有光束照射時,P型硅晶體(P-type silicon)將產生正電勢,N型硅(N-type silicon)產生負電勢,在這兩種類型的半導體之間存在的光敏勢壘就是“P-N結(P-N junction)”。當奧爾發現這種效應時另一位科學家貝克爾也在場,而且他手中有大量的活性硅,可是他未能發現光生伏特效應。“在科學研究中你必須奮起直追,你必須關注類似於此的非常重要的事件;一旦發現,你就得了解它,認識它。”

 

三極管的發明

1945年秋天,美國貝爾實驗室成立了半導體研究小組,這一小組由1936年進入貝爾實驗室的肖克利負責,成員有布拉頓、巴丁以及其他科學家。肖克利專長於理論研究,有着豐富的物理思想,巴丁是運用基礎理論解決實際問題的大師;布拉頓則是善於巧妙地進行各種實驗的能手,他們的主攻方向是發現控制半導體中電子流動的方法,探索一種能排除電子管缺陷並起到放大作用的電子器件,並以硅、鍺這類半導體作為研究對象。1946年半導體組作出決定,把注意力集中到兩種最簡單的半導體材料鍺和硅上,經過反復實驗巴丁和布拉頓制成了固體器件。他們利用兩個靠得很近,間距為0.05毫米的觸須接點來代替金箔接點,制成了“點接觸型晶體管”。布拉頓回憶這段發明史時這樣記述到:“我決定在鍺表面上做兩個靠得比0.05毫米還要近的觸點,而我們作點接觸的最細的導線直徑是0.13毫米,這在工藝上提出了難題。不過,由於技術助手的幫助,我做到了這一點,他剪了一片三角形的塑料片,並在其狹窄而平坦的側面上牢固地粘上金箔。我們先在金箔的兩端連接引線(並通電源),以便檢查金箔是否被割開,我小心地使用薄刀片的頂端把金箔割成兩半,然后用彈簧加壓的辦法,把塑料片連同金箔一起壓在經過處理的鍺片上......,我發現,假若我輕輕地搖動它,使它處於最佳的接觸位置,我就得到了半導體同金箔兩端的兩個觸點,一個當成發射極而另一個當成集電極。這樣,我就得到了一個放大倍數達100量級的放大器,而且直到音頻還是清晰的”。1947年,他們終於制成了世界上第一個固體放大器晶體三極管。在實驗筆記上布拉坦寫道:“電壓增益100,功率增益40,電流損失1/2.......”。

肖克利早年在加州理工學習物理,后來他轉到麻省理工攻讀博士學位。在麻省,他一頭扎進奇妙無比的量子力學世界,並開始探索電子束通過類似於普通食鹽的晶體材料時的行為表現。后來在肖克利開始想辦法色即一種牢固的固體材料器件,來替代通常用於通訊設備的性能極不穩定的電子管轉換器和放大器。他對量子世界的熟悉使他在這種探索中占有明顯的優勢。但是,由於不斷的失敗他放棄了,掉頭轉向其他項目,有巴丁和布拉頓繼續研究。在歷史兩年的研究工作中,巴丁和布拉頓偶然發現了一種不同卻成功的方法,最終研制出了晶體管放大器。多年之后,肖克利回憶道:“我對小組成功的興奮之情因未能成功成為發明者之一而降低,我在這方面所做的努力至少有八年之久,我所經歷的最大挫折就事在該項划時代發明中自己所做的一起都是徒勞。”科學研究中存在許多偶然的因素,雖然肖克利沒能成為晶體管的發明者之一,但他的研究為日后電子學及無線電通訊研究領域突破性的進展奠定了基礎。巴丁、布拉頓、肖克萊也因此而獲得1956年的諾貝爾物理學獎。

半導體放大器的突然問世證明了凱利(當時的貝爾實驗室主任)強調對固體物理進行基礎研究的決策是十分明智的。導致這一重大發現的關鍵就在於認識到了量子力學的重要性,尤其是空穴在半導體材料表面附近運載電荷的過程中扮演的極其重要的角色。用經典物理理論來理解半導體材料的性能是遠遠不夠的。其次凱利堅持多學科交叉研究的做法也同樣被證明是明智的選擇。在貝爾實驗室半導體研究小組里,基礎理論研究、實驗室裝備及技術專長緊緊地結合在一起。正是這種結合導致了巴丁和布拉頓 成功的發明了晶體管。

另外巴丁、布拉特和肖克利三人成長的環境雖然有一定的差異,但有驚人的相似之處。這三個家族均根植於美國中西部和西部,遠離歐化的大西洋中心。盡管在19世紀末荒原已基本開發完畢,但那種拓荒精神在這些邊遠地區仍然興盛,人們崇尚獨立和自信。他們涉足物理學雖然基於各自理由,但這三人均享有共同的實踐視野,這就是托克維爾(A.De Tocqueville[1]所說的美國人的顯著特征。他們都深信科學是社會進步的動因,它在廣泛的領域內為人類謀取福利。歐洲物理學家所追求的純理論的、服務於內在邏輯的知識及思辨式方法至少在20世紀前還未在美國生根,尤其是在阿巴拉契亞山脈西部,也就是美國西部。19世紀末20世紀初涌現的發明浪潮可以看作是美國本土實用主義哲學在推波助瀾,晶體管的發明就是一個很好的例證。

 

集成電路的出現

    晶體管的出現使電子設備體積縮小,耗電減少,可靠性提高。由於晶體管可形成大規模工業化生產,其售價便宜,使電子設備成本也大幅度降低。然而,電子元器件的這些變革,仍然滿足不了電子工業迅速發展的需求,對導彈、火箭、人造衛星和宇宙飛船來說,迫切需要輕便、小巧、可靠的電子設備,晶體管已達不到這個要求。以一台中型電子計算機為例,它的電子元件數高達上百萬個,單機元件增多,暴露出晶體管自身的缺陷。為了克服晶體管的這些弱點,科學家想盡辦法使它的體積變小,與之配套的電阻、電容、線圈、繼電器、開關等元件,也沿着小型化的道路被壓縮成微型電子元器件,晶體管最小的已達到只有小米粒一樣。然而,晶體管本身的小型化當然不是無限的,它達到一定程度后就很難再縮小了,於是人們又轉而着手做改革裝配技術的嘗試,專家們將小型晶體管和其它小型元件,緊密地排在一起裝配在薄薄的帶有槽孔的絕緣基板上,用超聲波或電子束焊接好,再把安裝好的基板一塊塊地重疊起來,構成一個高度密集的立方體,形成高密度裝配的“微模組件”。采用這種方法,最高可以把200多萬個元件封裝在一立方米的體積中,這幾乎達到封裝密度的極限。不過,隨着電子設備中焊接點的增多,出故障的可能性愈大。微模組件雖然縮小了元件所占的空間,但並沒有減少各元件之間的焊接點數目。因此,微模組件也就沒能提高電子設備的可靠性。同時,由於元件過分密集,裝配很不方便,勞動強度增加了,所以電子設備的成本便不可能降低,這樣一來,要想繼續改進電子設備,必須另辟蹊徑。人們發現在晶體管內部結構上蘊藏着小型化的巨大潛力。實際上,晶體管中真正起作用的部分只是芯片,按照理論計算,一個小功率晶體管芯片面積只要數十平方微米就足夠用了。但是,由於操作人員不可能在更小的尺寸范圍內精確處理,芯片往往有05平方毫米大小,這就是說,晶片面積的99%白白浪費了,而且,一個晶體管除了芯片以外,還有引線。支架、管殼和底座,芯片只占整個晶體管總重的003%左右,芯片的體積也只占總體積的002%。為了充分利用這些閑置起來的空間,人們想把幾個晶體管的芯片封裝在一個管殼內,然后把各晶體管的電極引線引出管殼之外。但立刻又發現這種作法有很大的局限性。不僅不能充分利用晶體管內部的有效空間,相反過多的焊接點往往導致晶體管報廢。就整體而言,焊按點並沒減少。可靠性仍沒能提高。至此為止.品體管的小型比的道路似乎面臨了絕境。

1952年,美國雷達研究所的科學家達默(G.W.A.Dummer)在一次電子元件會議上指出:“隨着晶體管的發明和半導體研究的進展,目前看來,可以期待將電子設備制作在一個沒有引線的固體半導體板塊中,這種固體板塊由若干個絕緣的、導電的、整流的以及放大的材料層構成,各層彼此分割的區域直接連接,可以實現某種功能。”把電子線路所需要的整流、放大、絕緣、導電等功能元件,統統制作在一塊半導體晶片上,晶片就得到充分利用,一小塊晶片就變成一個完整電路,組成電路的各種元件——晶體管、電阻、電容及引線集合成一個不可分割的密集整體,從外觀上已不能分辨哪個是晶體管,哪個是電容器,哪個是電阻了。傳統電路中功能各異的分立元件界限消除了,這樣一來,電子線路的體積就大大縮小,可靠性明顯提高,這就是初期集成電路的構想。1956年,美國材料科學專家富勒和賴斯發明了半導體生產的擴散工藝,為研制集成電路提供了具體工藝技術,1958年,美國德克薩斯儀器公司的青年工程師基爾比,受達默思想的啟發,大膽地提出了用一塊半導體硅晶片制作一個完整功能電路的新方案·他在研制微型組件的晶體管中頻放大器時,用一塊硅晶制成了包括電阻、電容在內的分立元件實驗電路、實驗結果非常令人滿意。到1958年底,他們已經解決了半導體阻容元件和電路制作中的許多具體工藝問題,確定了集成電路的標准封裝尺寸,為大規模工業化生產做好了各項准備。1959年,美國仙童公司的諾伊斯研究出一種二氧化硅的擴散技術和PN結的隔離技術,從而完成了集成電路制作的全部工藝。緊接着,光刻技術和其他技術也相繼發明,以致人們可以把晶體管和其它功能的電子元件壓縮到一小塊半導體硅晶片上。1961年,美國德克薩斯公司同美國空軍合作,首先利用集成電路制成第一台試驗性計算機,該機共有587塊集成電路,只有285,體積不到100立方厘米,功耗僅僅16瓦,運行可靠,工作准確無誤,充分顯示了集成電路的技術先進性和強大生命力。單塊晶片上能集成100個以上門電路的集成電路稱為大規模集成電路。而把能在單塊芯片上集成10000個門電路的集成電路稱為超大規模集成電路。隨着制作工藝的進步和新技術的應用,人們把一個線路系統或一台電子設備所包含的所有晶體管和其它電子元件統統制在一塊晶片上,從而大大縮小了體積並提高了可靠性。1969年出現了第一塊大規模集成電路,之后隨着大直徑硅單晶材料性能的提高及離於束和新隔離技術的應用,特別是光刻工藝精度的不斷提高,使制作在晶片上的電子元件的幾何尺寸越來越小,於是在70年代中期,超大規模集成電路問世了。

這些人中任何一個人都沒有獨立的發明過晶體管,但是他們生活在注重多學科交叉的獨特的美國研究機構里。一個特定的歷史時期才使得晶體管的發明成為可能,這一切甚至還帶有一定程度的必然性。在這種多學科交叉的氣氛中,任何人的短處均可以由他人的長處來補償。在晶體管發明的同時,幾乎同它處於等價地位的技術還有晶體生長技術和晶體分區提純技術,這些技術的問世使得人們能夠制作大量超純單晶硅和單晶鍺,沒有這些超純度晶體材料,半導體工業是無法存在的。近代科學技術的飛速發展是個學科交叉的過程,

 

 

 

 

 



[1] 托克維爾:法國著名思想家,著有《論美國的民主》等


注意!

本站转载的文章为个人学习借鉴使用,本站对版权不负任何法律责任。如果侵犯了您的隐私权益,请联系我们删除。



 
粤ICP备14056181号  © 2014-2021 ITdaan.com