专题报告-半导体器件的发展历程及其展望.doc

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多学时电子技术专题报告

时间：

2014春季学期班级：

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半导体器件的发展历程及其展望

摘要：

1947年12月23日第一块晶体管在贝尔实验室诞生，从此人类步入了飞速发展的电子时代。

在晶体管技术日新月异的60年里，有太多的技术发明与突破，也有太多为之作出重要贡献的人，更有半导体产业分分合合、聚聚散散的恩怨情仇，当然其中还记载了众多半导体公司的浮浮沉沉。

半导体器件发明之后，人类的历史正式进入了一个新的时代，也就是硅的时代。

硅所代表的正是半导体元件，包括记忆元件、微处理机、逻辑元件、光电元件与侦测器等等在内，举凡电视、电话、电脑、电冰箱、汽车，这些半导体元件无时无刻都在为我们服务。

纵观半导体器件的发展历程,半导体器件对人类社会发展所产生了深刻影响。

探讨了半导体器件所取得的最新研究成果以及它今天面临的挑战及未来发展趋势。

最后阐述了世界半导体产业重心的转移及其给中国半导体产业发展带来的机遇与挑战。

关键词：

半导体晶体管微电子技术积体电路半导体产业

一、半导体概述

半导体（semiconductor），指常温下导电性能介于导体（conductor）与绝缘体（insulator）之间的材料，例如：

锗、硅、砷化镓等。

半导体材料具有三大特性∶掺杂性，热敏性，光敏性。

具体解释如下：

①掺杂性 

在纯净的半导体物质中适当地掺入微量杂质，其导电能力将会成百万倍地增加，如半导体二极管、三极管等。

②热敏性 

在一些情况下温度变化20倍，电阻率变化可达百万倍以上。

利用这一特性可制成自动控制用的热敏元件，如热敏电阻等。

③光敏性 

在光的照射下，电路中产生电流或电流变化。

半导体光电效应分为两类，一种光照改变电阻值，称为内光电效应，一种光照下产生一定的电动势，称为阻挡层光电效应。

利用半导体材料的光敏特性可制成自动控制用的光敏元件，如光电池、光电管和光敏电阻等。

另外，半导体还具有负电阻率温度特性（半导体材料在受热后电阻率随温度升高而迅速减小，这与金属材料相反），压阻效应（半导体在受到压力后除发生相应的形变外，能带结构发生相应变化，从而电阻发生变化），磁敏感特性（半导体在磁场中会产生霍尔效应、磁阻效应等，热电效应（是指把热能转变为电能的过程，其中最重要的是温差电现象），导电特性（半导体的导电，同时具有两种载流子，即电子和空穴）等其他特性。

在分类上，按照半导体制造技术可以分为：

集成电路器件，分立器件、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类，一般来说这些还会被分成小类。

此外还有以化学组分、应用领域、设计方法等进行分类，虽然不常用，但还是按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其规模进行分类的方法。

此外，还有按照其所处理的信号，可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。

二、半导体器件发展历程

导体的发现实际上可以追溯到很久以前。

1833年，英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。

这是半导体现象的首次发现。

不久，1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特征。

在1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第三种特性。

同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。

1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。

半导体的这四个效应，（jianxia霍尔效应的余绩──四个伴生效应的发现）虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。

而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。

1947年12月23日清晨,威廉·肖克莱（WillamShockley）焦虑不安地驾车穿越纽瓦克境内布满严霜的西部山区,在通往贝尔实验室的那段拥挤不堪的大道上,肖克莱对周围的机动车辆几乎全然不顾,他的心思已经不在这里了。

这天下午,他所在的研究小组要为上司现场演示一种全新的、颇有前途的电子器件,他得提前作好准备。

他深知这种基于半导体的放大器有可能引发一场革命。

二战结束后,贝尔实验室开始研制新一代的固体器件,具体由肖克莱负责。

前两天的一个中午,肖克莱的两位同事理论物理学家巴丁（JohnBardeen）和出生于中国厦门的实验物理学家布拉坦（WalterBrattain）,在一个三角形石英晶体底座上将金箔片压到一块锗半导体材料表面制成两个点接触,当一个接触点为正偏（即相对于第三点加正电压）,而另一个接触点为反偏时,可以观察到把输入信号放大的晶体管行为。

他们把这一发明称为“点接触晶体管放大器”（Point2contacttransistoramplifier）。

它可以传导、放大和开关电流。

图1就是有史以来的第一个晶体管的照片。

图1历史上第一个晶体管图2JohnBardeen（左），WilliamShockley（坐）和WalterBrattain

1949年肖克莱发表了关于PN结理论及一种性能更好的双极型晶体管（BJT）的经典论文,通过控制中间一层很薄的基极上的电流,实现放大作用,次年制成具有PN结的锗晶体管。

由于双极型晶体管是通过控制固体中的电子运动实现电信号的放大和传输功能,比当时的主流产品真空电子管性能可靠、耗电省,更为突出的是体积小得多,因此在应用上受到广泛重视,它很快取代真空管作为电子信号放大组件,成为电子工业的强大引擎,由此引发了一场电子革命,把人类文明带进现代电子时代,被媒体和科学界称为“20世纪最重要的发明”。

他们3人因此分享了1956年度的诺贝尔物理奖。

1952年,Ebers提出可控硅器件（Thyristor）基本模型。

1954年,贝尔实验室的阙平（Chapin）等人发表PN结硅太阳能电池（Solarcell）。

1957年,Kroemer提出异质结双极型晶体管（HBT）,这种器件具有更快的速度。

1958年,日本的江畸（Esaki）发现重掺杂PN结具有负阻效应,对这种反常现象的理解是能带结构中的隧道效应,这促成了隧道二极管（Tunnelingdiode）的问世,他因此项贡献而获得1973年度的诺贝尔物理奖。

1958年至1959年,德州仪器公司的Kilby和仙童半导体公司的Noyce分别单独发明了在锗和硅衬底上集成数个晶体管和电阻、电容的集成电路（Integratedcircuit）一块集成电路中包含的晶体管数目越多,则可完成更复杂的电路功能。

从此开创了称为微电子技术发展进步和广泛深入应用的新纪元,即微电子革命基尔比因此项贡献获得2000年度的诺贝尔物理奖,诺宜斯可惜已经谢世而无法分享此项殊荣。

1960年,由于表面态问题得到了有限控制,贝尔实验室的Kahng和Atalla成功地研制出第一只实

用型金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。

这种晶体管后来主导了集成电路和微芯片的命运。

自MOSFET研制成功后,它得到了迅猛发展并且成为微处理器（Microprocessor）与存储器（Memory）等先进集成电路中最重要的器件,与其相关的集成电路产品占有半导体市场90%的份额。

1962年,Hall等人研制成功第一个半导体激光二极管。

1963年,Gunn提出转移电子二极管,被称为耿氏隧道二极管。

1963年,贝尔实验室的Wanlass和萨支唐,发明互补式金属氧化物半导体场效应晶体管（CMOS）器件。

它是NMOS和PMOS的一种有机组合,构成逻辑器件。

其优点是该器件只有在逻辑状态转换时（比如,从0到1）才会产生大电流,而在稳定状态时只有极小的电流通过。

对先进的集成电路而言,CMOS器件是最佳的器件,它是当今乃至今后相当长一段时间内最主要的集成电路技术。

1965年,摩尔为纪念《电子学》杂志创刊35周年,发表了集成电路上晶体管数目每18个月至24个

月翻一番的规律,人称摩尔定律。

虽然它是根据1959～1965年的数据归纳的,但至今仍然有效。

1966年,Mead发明金属半导体场效应晶体管MESFET,它是单片微波集成电路的关键器件。

1966年,IBM公司的RobertH.Dennard发明动态随机存储器DRAM,它是一种挥发性半导体存储器（Volatilesemiconductormemory,VSM）,已广泛应用于当今计算机领域。

1967年,贝尔实验室的Kahng和施敏（S.M.Sze）发明非挥发性半导体存储器（Nonvolatilesemiconductormemory,NVSM）。

这是一种非常重要的半导体存储器,它与通常的MOSFET不同之处在于它的控制栅极下面加了一个浮动栅极,如图2所示,它可以在电源关掉以后,仍然保持其储存的电荷。

由于非挥发性半导体存储器具有非挥发性、高器件密度、底功率损耗及可电重写性等特点,它已经成为应用于便携式电子系统如手机、笔记本电脑、数码相机和智能卡方面最主要的存储器。

图3第一个非挥发性半导体存储器（NVSM）示意图

1970年,Boyle和Smith发明电荷耦合器（CCD）。

1970年,英特尔的FedericoFaggin,TedHoff和StanMazor发明第一个微处理器4004,它是由

2300个晶体管组成的一个四位芯片,每秒能处理6万次运算。

此芯片为具备数据处理,存储及输入输出,还可以写入程序的多功能系统,其衍生的后代包括现今最流行的Pentium处理器。

1974年,张立纲等人发明共振隧道二极管,它是大部分量子电子器件的基础。

1980年,Minura等人发明调制掺杂场效应晶体管MODFET,这种器件将成为速度更快的场效应

晶体管。

1980年,K.V.Klitzing从MOSFET结构中发现量子霍尔效应并开发出测定物理常数的新技术,获得了1985年的诺贝尔物理学奖。

1998年诺贝尔物理奖授予HorstStomer、崔琦和RobertLaughlin,以表彰他们发现分数量子霍尔效应及对这一新的量子液体的深刻理解。

1994年,Yano等人发明室温下工作的单电子存储器（Single2electronmemorycell,SEMC）。

它其实就是将浮动栅极的长度缩小到极小的尺寸（如10nm）所产生的极端非挥发性半导体存储器。

在这种尺寸下,只要一个电子进入浮动栅极,浮动栅极的电压就会改变,并且排斥另一个电子的进入。

它可以说成是浮动栅极存储器的极限,因为只需一个电子就可以储存信息。

相信单电子存储器将来可以成为储存1TB最先进的半导体存储器的基础。

1998年,IBM公司与日本NEC公司合作,采用原子力显微镜（AFM）技术研制成功碳纳米管晶体管（Carbonnanotubetransistor,CNT）。

该晶体管的衬底为硅,并作为栅极,源极和漏极是用金做的,研究人员用原子力显微镜（Atomicforcemicroscope,AFM）在三个电极间放置了一根半导体性的碳纳米管,如图3所示。

这只场效应晶体管的性能良好,当栅电压变动时,源极与漏极之间的电导变