半導體技術發展過程中的基本研究分析

　　摘　要：在當今信息時代，如果說那種技術是必不可少的，那一定是半導體技術�？梢哉f，半導體技術構成了當今計算機技術、信息技術的基礎，沒有半導體技術的蓬勃發展就沒有當今絢麗多彩的世界。半導體發現于 19 世紀，但是在其后的將近一個世紀的時間里，半導體并沒有扮演特別重要的角色。從上世紀 60 年代開始，半導體技術才進入了翻天覆地、日新月異的大發展時期。半導體技術的發展經歷了從萌芽到成熟再到大規模應用的階段，但是在時間上的跨度僅僅有 100 多年，其中針對半導體技術的研究也在日益蓬勃發展。

　　關鍵詞：半導體;技術發展;電子技術

　　0　引言

　　半導體是現代電子技術的基礎，也是基于電子技術發展的計算機技術、網絡技術、信息技術的基礎[1] 。半導體技術的發展規模在很大程度上代表了一個國家高新技術的發展規模，我國半導體技術發展較晚，但是經過近些年的快速推進，也取得了許多令人矚目的成就。半導體技術的發展經歷了發現期、初步應用期、快速發展期、大規模應用期。當今，可以說半導體占據了世界高新技術的半壁江山，半導體后期技術的發展更是各個國家爭相布局的重要方向 [2] 。

　　1　偶遇半導體

　　眾所周知的是，常見的材料要么是導體，要么是絕緣體，所謂導體就是導電性能較好的材料，如金銀銅鋁鐵等常見的金屬材料，絕緣體就是導電性能較差的材料，如塑料、陶瓷、木材等等。而半導體是不同于這兩種材料的，半導體之所以是半導體，并不是說半導體導電性能強或者弱，而是說半導體在一定條件下可以在導體和絕緣體之間進行轉換�？茖W史上一般認為第一個發現半導體的人是著名的科學家法拉第，法拉第是 19 世紀重要的科學家，其對電磁學的發展做出了相當接觸的貢獻，1833年，法拉第在進行實驗匯總發現，加熱的硫化銀的導電性發生巨大的變化，這是半導體第一次進入了人們的視野。單單就這鼓勵的事情而言，法拉第發現半導體現象不能說不是偶然，但是結合當時的環境，發現半導體現象可以說有其必然性。

　　19 世紀中期，隨著電磁學的逐步發展，人們對各種材料的導電性進行了非常廣泛的研究，包括各種固體、液體等，法拉第作為當時重要的電磁學家，他也對各種材料的導電性做了非常深入的研究，這是他首先發現半導體現象的根本原因。試想，一個整日耕作的農夫如何能率先發現半導體現象呢?甚至一個數學家或者說文學家、藝術家也斷然是沒有機會的，因此說， 19世紀中后期人們發現半導體現象具有偶然性的同時，具有不可辯駁的必然性。事實上，在 19 世紀的后期，科學家陸續發現了其他類型的典型半導體現象，如光電導現象、單向導電現象、光生福特效應等等，但是并沒有人能將這些特殊現行整合出統一的半導體理論。事實上，半導體現象發現的初期，人們僅僅將其認為是不同尋常的電磁現象，并無法從源頭分析半導體現象的原因，更無法對半導體進行有針對性的、深入的研究，大規模的應用更是無從談起 [3] 。

　　2　初識半導體

　　在半導體現象被發現后的幾十年中，半導體理論并沒有任何突破，但是基于半導體現象的產品率先出現了。例如，利用半導體的單向導電現象研制應用的礦石檢波器，一度有著相當廣泛的應用。一直到 20 世紀 20 年代后期，利用半導體現象中的單項導電和光伏特效應，陸續出現了整理器和光伏電池等工業產品，但是在這個時期，人們僅僅是利用半導體效應，并不知半導體效應的原理所在。因此，當時的科技工作者花費了相當的經歷在探索半導體原理上。

　　1939 年，蘇聯、英國、德國的科學家幾乎同時都提出了對半導體效應的理論解釋，這些解釋在當時是有一定的背景基礎的。第一，經過幾十年的發展，半導體作為一種新型的材料，已經得到了共識，其不再被作為是具有特殊效應的傳統材料;第二，當時通過對原子的研究，微觀粒子的很多基礎行為已經被認識到。上述兩個因素的共同作用下，多國科學家都提出了半導體理論的能帶模型。在這個理論的影響下 ,通過以后幾年的基礎實驗研究 ,形成了關于半導體的一些最基本的概念和原理 ,例如 ,半導體可以依靠電子和空穴兩種方式導電 ,電子和空穴的基本運動形式 ( 漂移和擴散 ),半導體內部的雜質以及熱和光如何引起電子和空穴的變化等。針對這個發展階段來講 ,可以說 ,這個時候已經對半導體的共同本質作出了理論上的概括。理論上的進展提供了對半導體導電性、光電導、整流和光生伏特效應等基本現象的初步說明 ,有力地促進了探索光敏電阻、熱敏電阻、溫差電等新的技術應用的活動。但是在理論回到實踐方面也遇到相當嚴重的困難 [1] �？偹�周知，現代的半導體材料對材料的純度等要求非常之高，在當時的技術背景下，半導體研究者們不可能具有如此高質量的研究材料，因此更無法對半導體做出更為深入的應用研究。

　　至此，人們可以說是打開了認識半導體的大門，在理論上對半導體效應做出了相應的解釋，雖然在半導體的應用上遇到了一些困難，但是當時的科學家能夠對半導體的重要性和長遠的應用有非常深入的認識，這為后學半導體的大規模應用打下了堅實的基礎。

　　3　半導體的高速發展

　　晶體管的發明代表著半導體高速發展的開始，也是現代半導體(區別于 19 世紀后期至 20 世紀 20 年代之間的半導體應用行業)行業的開始。1947 年 12 月 23 日，美國貝爾實驗室正式地成功演示了第一個基于鍺半導體的具有放大功能的點接觸式晶體管，從此之后，半導體的應用開始了一個延續數十年的高速發展時期 [4] 。在晶體管發明初期，和其他眾多新型技術一樣，其并不被重視，主要原因是成本過高，產量底下，但是其相對于電子管體積小、能耗低的特點是顯而易見、毋庸置疑的，舉一個大家都熟悉的例子，第一臺通用電子計算機 ENIAC 使用了大約 3 萬支真空電子管，占地 160 平方米，功率 160 千瓦，但是計算能力只有每秒 5000 次加減運算，但是第一臺晶體管電子計算機使用了 1 萬多個晶體管和二極管，計算能力卻可以達到每秒 100 萬次邏輯運算。最開始對晶體管表現出強烈興趣的是美國政府和軍方。在美蘇競爭的大背景下，美國宣布要在 1970 年之前將人類送上月球，但是事實上，美國的火箭技術比蘇聯是要落后的，因此美國更需要在降低火箭等宇航設備的重量上下大工夫，因此晶體管的優勢便顯得極其重要，其昂貴的缺點反而不那么明顯了，最終的結果就是，美國將宇航裝備上能夠替換的位置全部替換上了晶體管，這在客觀上為晶體管的前期發展注入了強大的動力，也為美國后期半導體技術的領先地位打下了堅實的基礎 [5] 。

　　從第一個晶體管被成功演示，到各種不同類型的晶體管逐漸出現，傳統的真空電子管逐漸被晶體管所替代，再到計算機體積的不斷縮小，計算能力的不斷提高，價格的逐漸降低，電子產品的迅速普及，可以說半導體技術像是魔術一般影響了整個人類世界。

　　4　大規模集成電路的研究發展

　　1965 年，仙童公司的摩爾提出了摩爾定律：集成電路上容納的晶體管的數量，每間隔 18-24 月便會增加一倍，性能也會提升一倍。當時的摩爾只是經驗性地總結了半導體技術發展的迅猛程度，不想卻神奇地敲響了大規模集成電路的大門，預言了接下來數十年半導體技術的發展趨勢[6] �？梢哉f，自摩爾定律誕生以來，半導體技術的發展勢頭日新月異，各類電子產品層出不窮，從因特爾的第一個商用微處理器 Intel4004，到如今最高端的 Intel I7/i9 系列，半導體產品的性能成幾何級數增長。2016 年，中國超級計算機“神威·太湖之光”勇奪國際超級計算機算力排名第一，其計算能力到達每秒 9.3 億億次浮點運算，同年，谷歌人工智能 AlphaGo 戰勝圍棋世界冠軍李世石，這在 21 世紀初還是完全無法想象的成就 [7] 。

　　5　中國半導體技術發展

　　中國半導體技術發展起步晚，速度慢，但是在一大批前輩半導體科學家的不倦努力下，也取得了相當的成績。1957 年，我國第一次制備出了單晶鍺，研制出鍺晶體管;1959 年，制備出硅單晶，1962 年，研制出硅晶體管。雖然在晶體管高速發展的前期，我國處在戰火連天的抗日戰爭和解放戰爭時期，但是一進入和平年代，就立即認識到半導體技術無可替代的重要地位，作為國家重要技術發展方向進行引導和投入 [8] 。

　　6　半導體技術的發展趨勢探討

　　6.1　突破極限，進一步提高晶體管密度

　　在 2018 年的今天，半導體的制造工藝已經到了 7 納米級別，由于當前半導體材料一般都是硅基的，在 7 納米級別很快就會接近理論極限。在接近極限時，如何開發下一代技術，避免出現的器件頻率、速度等限制，將是眾多半導體廠商首先遇到的問題。為解決上述問題，半導體研究應用人員提出了 3D 堆疊，開發應用其他半導體材料，開發光量子計算機等等，以解決上述問題。

　　6.2　跨學科研發半

　　導體制造技術作為高速發展的技術領域，其深厚的技術積累也可以為其它行業提供可行的解決方案。對于微電子制造技術而言，半導體制造中使用的各項技術有著非常重要的應用，例如汽車工業中常見的加速度傳感器，此種傳感器的外形尺寸非常之小，如同芯片一般安裝在汽車上，在如此小的部件上需加工出各種形狀的內腔和運動物體，傳統的加工方法顯然是難以做到的。利用半導體加工技術中的光蝕刻技術，能夠很好地解決上述問題，因此，半導體技術在其他技術領域也能有相當多的應用，這是半導體技術進行跨學科研發的簡單例子，事實上在此領域還有這相當大的發展空間 [9] 。

　　7　結論

　　半導體現象在實驗室首次發現是在 19 世紀 30 年代，至今也僅僅 180 余年，但是這短短不到 200 年的時間里，半導體技術對世界的影響卻是其他任何技術所不能比擬的。但是應該清楚的是，半導體技術的發展不僅僅是半導體技術本身的發展，而是量子力學、電磁學、工藝制造等各方面科學技術協調發展的結果，這中間既有理論科學家對基礎理論的不懈追求，也有應用層面的科學家、實業家對產品的不斷打磨 [10] 。由此可見，任何科學技術均有著其深厚的歷史背景，這種背景既是基石，也是方向，因此，無論是半導體技術，還是其他技術都應該遵循規律，不懈追求，才能有所斬獲。

　　參考文獻

　　[1]　黃昆 . 半導體技術發展過程中的基本研究 [J]. 自然辯證法研究通訊 ,1966(01):52-56+40. 　　HUANG Kun. Basic Research on Semiconductor Technology Development [J]. Natural Dialectics Research Communication, 1966 (01): 52-56+40.

　　[2]　王峰 瀛 . 泛半導 體 技術的發 展 [J]. 電子技術與軟件工程 ,2018(01):85. 　　WANG Feng-ying. Development of Pan-Semiconductor Technology [ J]. Electronic Technology and Software Engineering, 2018 (01): 85.

　　[3]　彭強 . 半導體技術發展過程中的基本研究分析 [J].電子制作 ,2018(Z2):140-141. 　　PE NG Q i a n g. B a s ic Re s e a rch a nd A n a l y s i s of Semiconductor Technology Development [J]. Electronic Production, 2018 (Z2): 140-141.

　　《半導體技術發展過程中的基本研究分析》發表在《電子元器件與信息技術》雜志，如需了解期刊信息請點擊期刊名稱查看。

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