半導體與集成電路

現代的汽車安裝了芯片來監控諸多行駛過程參數，例如進入發動機的燃料流量、輪胎抓地力等。芯片還可以控制發光二極管以照亮汽車儀表盤，使汽車行駛更安全。洗衣機、洗碗機和微波爐等家用電器內部都裝有芯片，通過預設程序運行。我們日常生活涉及到各種類似的芯片，但假如沒有半導體，它們將毫無用處。

多數金屬都是電的良好導體，例如，電線通常就用銅制成。另一類包括玻璃、紙和橡膠等在內的物質都是電的不良導體甚至是絕緣體，因此常用做電線的絕緣材料。介于導體和絕緣體之間的第三類材料即半導體。半導體材料很多，按化學成分可分為元素半導體和化合物半導體兩大類。鍺和硅是最常用的元素半導體，另外還有錫、硒、鋅和銻等；化合物半導體包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化鎵、磷化鎵等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物（硫化鎘、硫化鋅等）、氧化物（錳、鉻、鐵、銅的氧化物），以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物組成的固溶體（鎵鋁砷、鎵砷磷等）。所有這些半導體材料中，硅是應用最廣泛的。

一種半導體可能有時是絕緣體，但在一定條件下能使電流通過。19世紀30年代，科學家研究電現象時發現一些材料受熱后會喪失導電的性質，而有些導電性較差的材料當用光照射時，只允許電流朝一個方向通過。

大事記

1874年 布勞恩的整流器問世

1947年 面點接晶體管問世

1948年 音頻放大器問世

1948年 面結型晶體管問世

1958年 集成電路問世

1959年 發展出平面工藝技術

意大利物理學家古列爾莫·馬可尼（1874～1937年）試驗將電流轉化為無線電波時，需借助一種稱做整流器的裝置來檢測進入的無線電信號。整流器只允許電流朝一個方向通過而不允許電流反向通過。1874年，德國物理學家費迪南德·布勞恩（1850～1918年）研制出一種硫化鉛晶體整流器。硫化鉛晶體是第一種用在無線電接收機上的晶體，所以這種接收機也叫“晶體機”，它將電傳導至一根纖細導線的尖端—也就是“貓須”上。布勞恩的整流器也是世界上第一種半導體裝置。由于杰出的成就，他和馬可尼分享了1909年諾貝爾物理學獎。

整流器只有兩個接線端，但是無線電技術的進展需要具有三個接線端的半導體元件，通過加在第三個接線端的電壓或電流控制其他兩接線端間的電壓或電流。第一種三個接線端的半導體元件是真空管三極管，即真空管。后來發展到將幾個三極管密封到同一個真空管中。因為真空管耗電量很大，這樣很容易產生大量的熱而導致金屬部分熔融，最終使真空管燒毀。

1947年，三位物理學家—英裔美國人威廉·肖克利（1910～1989年）和美國人約翰·巴登（1908～1991年）、沃爾特·布拉坦（1920～1987年）——研制出了第一臺固體三接線端整流器裝置，稱作面點接晶體管，利用的是半導體材料—鍺。他們1948年在貝爾電話實驗室研制出了幾種晶體管，并與其他組件結合，制造出了音頻放大器，它與以前的真空管放大器不同，其晶體管不需要預熱就可以工作。三位物理科學家分享了1956年諾貝爾物理學獎。

1948年，肖克利又提出了面結型晶體管概念，這是一種由半導體材料薄片壓縮到一起組成的晶體管。肖克利還發現鍺晶體中的不純物質會提高其半導體特性。

現代的半導體是由摻入濃度為百分之幾的雜質的硅晶體薄片構成的。半導體中的雜質對電阻率的影響非常大。半導體中加入雜質的步驟稱做“半導體摻雜”。如果摻入的雜質為砷，那么在每個砷原子都會與四個硅原子結合，這樣，在砷原子的最外層還剩余一個電子。電子攜帶有一個負電荷，所以這種半導體叫作n-型半導體。如果三價硼摻入硅晶體中，硼原子最外層的三個電子全部與硅電子成鍵，這樣硅晶體為帶正電荷的質子留下了一個空位。空位通常被稱做空穴，所以這一類型的半導體叫作p-型半導體。當半導體加壓通電時，自由電子就會只沿一個方向通過n-型半導體，而空穴則會沿相反的方向通過p-型半導體。

1958年，半導體技術取得了新的突破。美國德州儀器公司的電氣工程師杰克·基爾比研究發現，晶體管并非一次只能摻雜一種雜質，可以通過疊加幾種雜質的手段將它們一起整合到同一塊半導體上。然后，在其上再添加如二極管、電阻器、電容器等元件，這就是基爾比發明的集成電路。

1年后，美國仙童半導體公司的瑞士物理學家瓊·霍爾尼（1924～1997年）和美國電氣工程師羅伯特·諾伊斯（1927～1990年）研制了平面技術。這是一種利用光掩模在硅晶圓內對金屬及化學物質進行層疊和刻蝕的系統。利用這種新技術，工程師們就可以設計出更加復雜、應用范圍更廣的電路。

電腦、數碼相機等所有現代電子產品中的芯片都比郵票小得多，它們是用塑料外殼把多層晶體管及相關組件與連接組件的細微導線一并封裝在一塊條狀的硅晶片上。這就是基于半導體技術的集成電路。