单向电流

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为什么我们需要单向电流？

1. 电话交换机中使用继电器来自动切换线路。继电器在这里的作用就是产生单向电流；
2. 计算机中存在着大量的逻辑电路，这些逻辑电路也需要单向电流的支持；

但是继电器开关速度慢，反复碰撞的金属弹片容易磨损，甚至打出火星。真空三极管也存在着耗电高、发热大和易碎的问题。

人们迫切需要一种安静、快速、可靠和不会打火星的电子开关 - 晶体管（半导体）。

爱迪生效应

1877 年爱迪生发明碳丝电灯泡，但是灯泡使用过一段时间后，内表面会变黑，导致灯光暗淡。灯泡之所以会变黑是因为在高温下碳纤维灯丝会释放出一些碳微粒，附着在灯泡玻璃内表面，时间久了灯泡会被熏黑。

1883 年爱迪生和助手想到将一枚铜片放置在灯丝和玻璃泡之间，以阻挡碳微粒飞向玻璃，但这个方法并没有奏效。接下来他们又在铜片上施加了一定的电压，期望能改变碳微粒的分布，可是问题还是没有解决。

最后，他们改变了铜片上的电压，奇怪的事情出现，有电流从铜片流向了灯丝，而且只在一个方向上有电流。可是灯丝和铜片没有任何接触，两者之间是真空的。

弗莱明真空管

受汤姆逊发现电子的影响（葡萄干布丁模型），弗莱明明白了爱迪生效应中灯丝通电受热，灯丝原子中的电子逃逸出去，飞向了铜片，从而产生了单向电流。

1904 年弗莱明发明了真空二极管。

猫须整流器

早在 1874 年，德国物理学家布劳恩发现了一种方铅矿石半导体能整流。如果用细金属丝触碰矿石表面，偶尔会在某个点上得到单向电流，这被称为猫须整流器。但这样成功的概率很低，稳定性差，要反复尝试。

1939 年，英国布里斯托尔大学物理学家内维尔·弗朗西斯·莫特用量子物理学解释了半导体和金属界面上的单向整流效应，这时人们才能在理论指导下作出金属-半导体点接触整流器，不仅工作频率高，而且更稳定。

量子力学能带论的出现，第一次从科学角度解释了为什么固体被分为绝缘体、导体、半导体。

PN结

贝尔实验室科学家拉塞尔·奥尔（Russel Ohl）发现在光照后，高纯度的硅晶体熔合体一端表现为正极，另一段表现为负极。且为论如何改变光照角度，硅棒都只在一个方向有电流。

后续的研究中发现，实验用到的硅棒纯度不够，硅中的杂质在加热融化中因为密度不同，重的杂质下沉，轻的杂质上浮，各自占据了硅棒的两端。带正电荷的这一端叫作 P（Positive）型硅，带负电荷的另一端叫作 N（Negative）型硅。

发现了 PN 结，下面就是如何把 PN 结应用在生产中。

点接触晶体管

第二次世界大战后，贝尔实验室继续了晶体管的研究。

1947.12.23 巴丁、布拉顿发明点接触式晶体管。

结晶型晶体管

1948.1.23 肖克利发明结晶型晶体管。

点接触式晶体管太过脆弱，结晶型晶体管这种稳定结构才能够进行大规模制造。

不过仍有几个问题阻碍着结晶晶体管的大规模制造：

  1. 用拉晶法制造结晶型晶体管效率很低；
  2. 制作好的带负电荷的 N 型锗晶圆在加热炉中变成了带正电荷的 P 型锗晶圆；

晶体管的更新换代

  • 贝尔实验室的蒂尔拉出第一根锗单晶棒；
  • 普凡发明了区域精炼法，提高了晶体的纯度；
  • 富勒发明了半导体扩散法解决了上面结晶型锗晶体管的两个问题，实现了大规模制备 P 型半导体和 N 型半导体，降低了制造成本；

硅晶体管

1954年，德州仪器的蒂尔和贝尔实验室的塔嫩鲍姆用拉晶法做出了耐高温、高频率的硅晶体管。

1955年，塔嫩鲍姆又用扩散法做出了成本更低的硅晶体管，更适合大规模制备。

至此，这种在地壳上储量极其丰富的元素硅与一种能够大规模地生产晶体管的扩散技术完美地结合起来。这意味着业界能够以非常经济的手段、极高的效率和极大的规模来制造晶体管。

集成电路

1958年，德州仪器基尔比提出了单片集成技术。

1959年，诺伊斯提出了集成电路互连技术。同年，莱霍韦茨提出了电气隔离技术。

这三项技术组合起来，成为集成电路技术的基石。

河狸眺望着巨大的胡佛水坝，对身边的兔子说：「不，它不是我独自建造的，但它确实建立在我的一个想法之上。」

MOS 场效晶体管

1926年，利林菲尔德提出了场效晶体管的概念。

1945年，肖克利再一次独立提出了这个概念。

1960年，贝尔实验室的阿塔拉和姜大元做出了 MOS 场效晶体管。

1963年，万拉斯发明 CMOS 场效晶体管。

MOS 场效晶体管刚被造出时，并没有引起大家的关注，只有一些新兴的半导体公司还在继续探索 MOS 场效晶体管的应用。直到 20 世纪 70 年代末， MOS 场效晶体管的销售额才完全超越结型晶体管。

20世纪80年代，处理器芯片中的晶体管数量达到几十万个，芯片中使用的 NMOS 场效晶体管功耗增大，芯片发热严重，低功耗的 CMOS 场效晶体管派上了用场，逐渐成为半导体器件的主流直到今天。

芯片发展中的里程碑

1966年 IBM 公司的罗伯特·登纳德发明了单晶体管的 DRAM，极大地提高了存储密度。
1971年 英特尔公司发布了第一颗通用的 CPU 芯片 4004，拉开了微处理器时代的序幕。
1972年 低温离子注入法问世，替代了使用近 20 年的高温扩散法。
1974年 等离子干法刻蚀问世，替代了传统的湿法刻蚀，从而实现了更精细的加工。
1977年 在米德和林恩·康韦（Lynn Conway）的推动下，用计算机辅助设计芯片开始成为主流。电子设计自动化（EDA）工具登上舞台。
1980年 IBM 公司成功研制深紫外准分子激光光刻技术。
1982年 一种对紫外光高灵敏的化学放大光阻剂研制成功，大大地加速了芯片制造过程。
1987年 第一家专门做晶圆代工的企业——中国台湾积体电路制造股份有限公司（简称 TSMC 或台积电）成立，开创了一种新的半导体制造模式。
1992年 美国半导体行业协会制定了第一幅半导体发展路线图，7 年后发布了国际半导体技术发展路线图（简称ITRS）。
1997年 IBM 公司和摩托罗拉公司提出用铜互连替代铝互连，大大降低了线间时延。
2002年 英特尔公司开始采用 12 英寸晶圆量产芯片。
2004年 浸没式 193 纳米光刻设备问世，使得摩尔定律继续朝着 150 纳米以下的节点推进。
2007年 英特尔公司发布了处理器发展的「嘀-嗒」（Tick-Tock）模式，分别对应于工艺升级和结构升级。这一年，苹果发布第一代 iPhone。
2011年 英特尔采纳胡正明教授（Chenming Hu）发明的 FinFET，帮助业界将工艺推进到 22 纳米以下。
2016年 随着摩尔定律放缓，「嘀-嗒」模式被改进为“工艺—结构—优化”模式，处理器的升级周期变长。
2018年 EUV 光刻机开始由荷兰阿斯麦尔公司（简称 ASML）发货，13.5 纳米的极紫外光 EUV 成了 5 纳米及一下工艺的光刻技术。
2020年 台积电公司和三星公司用 FinFET 工艺量产 5 纳米制程的晶体管。
2020年 三星公司宣布将在 3 纳米工艺中采用新的围栅场效晶体管（简称 GAAFET）替代 FinFET。