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半导体有什么好处?为什么IC(集成电路)要制作在半导体上?

发布时间:2021-03-30 10:14:18 来源:兰圣科技

IC 指集成电路,做在半导体上是因为半导体是最适合实现晶体管的材料,而晶体管正是现在绝大多数电路的核心器件。

物理课上大家都听过麦克斯韦方程预言了电磁波的存在,然后赫兹的尝试证实了电磁波存在,最后马可尼实现了无线电通信。
最初的无线电接收机使用的是一类称为“检波器”的装置,然而检波器作为接收机的性能长短常糟糕的。首先它的频率响应很难控制,导致各种参差不齐的干扰信号城市被触发检波器;另一方面它对信号强度的要求也很高,导致发射端的功率必需非常大。更糟的是当时的发射设备也非常简陋,只有火花塞之类的装置,这种设备只能发送类似方波的信号,而学过信号与系统的都知道方波的频谱有多宽……所以当时的无线电只能通过莫尔斯码交流,调频调幅什么的都是天方夜谭。


为了解决这些问题,人们想了很多的方法,但是除了通过LC谐振电路实现了大功率正弦发生器之外,别的进展都不大。随着这一项改进,到了1907年,人们终于第一次成功实现了AM广播。

然而1907年最主要的进展并不是AM广播,也不是同年发现的LED,而是真空三极管的发明,
这个在灯泡的表亲组成了将来所有电路的基础。


真空三极管的主要性在于这是第一个能够实现放大电路的器件。有了放大电路的插手使得无线通信对于发射机功率的要求一下降低了好几个数量级,同时通信距离也大大增加了。


不外事情当然没有这么简单,真空三极管发明于1907年,但是直到1912年Armstrong (通信电路领域的祖师爷)发明再生接收机之前没有人意识到这个器件的威力。到了1917年Armstrong 终于通过正反馈实现了有实际用途的增益,并在此基础上完成了超外差式接收机,直到今天相当多的RF接收机依然在使用这一布局。


为什么说三极管是放大电路的基础?
中学电路三巨头:电阻、电容、电感都是二端器件,输入端输出端无法分开,必需共享负载。单纯使用这些元件只能组合出分压或是分流电路,而无法放大一个信号。
而有了三极管,输出端与输入端得以分开,可以通过输入端控制输出端信号。再给输入端和输出端分配不同大小的负载,就可以实现大于1的增益。


有了雨燕体育直播_体育直播平台_超清体育赛事直播大全管,无线电终于得以真正的实用化。
但是接下来,另一项需求将电路由真空管时代推向了固体电路时代——那就是计算机。

电路领域大致可以分为两大块,一是通信(发射机、接收机),一是计算(处理器、寄存器)。
大概到了二战的时代,雨燕体育直播_体育直播平台_超清体育赛事直播大全管基本上已经可以满足当时的通信需求了。基于雨燕体育直播_体育直播平台_超清体育赛事直播大全管的无线电设备虽然昂贵娇气,但是究竟消耗量不大(Armstrong的超外差接收机只需要5个雨燕体育直播_体育直播平台_超清体育赛事直播大全管),所以大家用着也没觉得有什么问题。
然而二战期间计算需求急剧增加,传统的机械计算机已经不胜重负,雨燕体育直播_体育直播平台_超清体育赛事直播大全计算机的需求异常迫切。
接下来大家都知道了,美国人搞出了ENIAC,第一台图灵完全的雨燕体育直播_体育直播平台_超清体育赛事直播大全计算机。ENIAC消耗了17000个以上的雨燕体育直播_体育直播平台_超清体育赛事直播大全管,代价是重量接近30吨,以及几乎天天城市有损坏的雨燕体育直播_体育直播平台_超清体育赛事直播大全管需要替换。


这样的开销显然让人蛋疼,于是寻找一种更小、更廉价、更可靠的器件来代替雨燕体育直播_体育直播平台_超清体育赛事直播大全管就成了研究者们的新目标。

实际上金属氧化物晶体二极管早就已经发明了,ENIAC 里也使用了大量的二极管。可惜二极管和电阻电容电感一样,因为是二端器件所以没法单独完成放大或是计算。
在1922年,苏联工程师Losev 操作红锌矿二极管的负阻抗特性成功实现了一个放大电路,可惜由于红锌矿的稀少所以没有实用化。后来据说Losev 曾进行过硅晶体管的研究,不外随后二战爆发,他死于列宁格勒围城战中,相关的研究记录也全部丢失了。
在大洋彼岸,1925年加拿大的Lilienfeld 第一个提出了场效应管(结型场效应管,JFET)的设计理念,提出了在半导体材料上实现类似雨燕体育直播_体育直播平台_超清体育赛事直播大全管功能的想法。然而受限与当时的工艺程度,这个想法一直没有实现。

第一个将晶体三极管变为现实的,是巴丁和布拉顿,他们发明了双极晶体管(BJT),并与发明了P/N结二极管的肖克来一起获得了诺贝尔奖。


最初的双极晶体管是点接触组织的,看过图片就知道这种布局有多复杂:

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不外一年之后(1948年),肖克来操作本身在P/N结二极管上的经验,设计了结型组织的双极性晶体管,这一布局立即成了BJT的尺度布局,并服役至今。

此后,除了少数不凡领域(高温、大功率……)BJT 迅速取代了雨燕体育直播_体育直播平台_超清体育赛事直播大全管,雨燕体育直播_体育直播平台_超清体育赛事直播大全计算机的成本和体积都大大减小了。

经历了这一飞跃之后,人们自然会最先想:

由于雨燕体育直播_体育直播平台_超清体育赛事直播大全计算机大部门器件都是晶体管组成的逻辑门,而晶体管,都是由半导体材料制造的。自然而然地,人们就会希望把所有晶体管集中在同一块半导体上,而不是制造一堆独立的晶体管再手工连接起来。
接下来的测验考试,就是将印刷电路板上做过的事情在半导体上再做一次。不外由于材质和工艺精度的要求,直到1958-1959年,基尔比和诺伊斯才先后实现了集成电路——将晶体管、电阻、电容和导线集成在同一块半导体上。

有点事,剩下的有空再写。


第一代的集成电路和第一代晶体管一样,都是锗基电路。
但是锗有一些很难解决的问题:比如热不变性,比如氧化物不致密,比如界面缺陷很多。这些问题导致锗基电路始终走不出尝试室,只能在论文里刷刷存在感。


于是研究者们顺着元素周期表向上爬了一格,看中了硅。

硅和锗一比,简直就是半导体界的榜样元素。


热不变性不错,有着致密、高介电常数的氧化物,可以轻易制备出界面缺陷极少的硅-氧化硅界面,地表含量极大,提纯非常轻易……

更妙的是,氧化硅不溶于水(氧化锗溶于水),也不溶于大多数的酸,这简直是和印刷电路板的腐蚀印刷技术一拍即合。结合的产物,就是延续至今的集成电路平面工艺。


当然,集成电路的工艺精度要求比印刷电路板高了不止一个量级,直接套用印刷电路板的技术自然是不行的。于是集成电路本身成长出了一套光刻-腐蚀(刻蚀)-扩散(注入)-溅射(淀积)的工艺体系,这就是延续至今的集成电路平面工艺。
所谓平面工艺,是因为所有工艺程序都是对整个硅晶圆表面均匀进行,整个工艺完全是二维图形的操作。

平面工艺制备BJT是有一些困难的:

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BJT是PNP(或是NPN)的三层布局,在使用平面工艺制备的时候,假如把三层纵向放,就需要浪费必然的面积给下面两层引出到表面,并且工艺程序也较复杂。假如三层横向放置,由于BJT的基极(B级)必需非常薄,以当时的光刻和掺杂精度很难实现。

最后工艺界使用的纵向放置来实现BJT,以这个工艺为基础,集成电路进入了TTL(Transistor-Transistor Logic,晶体管-晶体管逻辑电路)时代。

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目前为止最后一次大的变化,是90年代CMOS(互补金属氧化物半导体)取代了TTL占据了市场主流。

CMOS的基础是MOSFET(金属氧化物半导体场效应管),前文提参加效应管的历史可以追溯到20年代,但是MOSFET的诞生要比及1960年。新生的MOSFET很快取代了JFET,成为了场效应管的主流。
60年代到90年代,面对如日中天的BJT,MOSFET始终被压制着。主要原因是BJT的电流更大,速度更快,耐压耐击穿更强。虽然MOSFET因为工艺程序少、占用面积小,所以更便宜一些,但是始终没能占据主流。


不外这将近30年的时间里,集成电路财富跟着戈登·摩尔的预言经历了史无前例的疯狂成长。工艺精度每1-2年就要前进一个节点(特征尺寸*0.7)。
随着电路尺寸越来越小,芯片上集成的晶体管越来越多,芯片的功耗和发热已经成了一个非常严重的问题。这个时候TTL和BJT电路的一个先天劣势就表露了出来。


BJT本质上,是一个输入电流控制输出电流,实现电流放大的三端器件。由于输入信号是电流,输入信号必需消耗功耗。并且BJT的特性和大量使用的电阻负载和偏置以及较高的工作电压,也使得TTL电路的关断漏电和静态功耗很难按捺。


而MOSFET则不同,场效应管是一个通过输入电压控制输出电流的多端器件,它的输入漏电比BJT要小几个数量级。并且MOSFET的沟道电流要小于BJT(这也是MOSFET速度慢的原因之一),关断漏电上按捺非常好。最后,CMOS工艺彻底排除了电阻负载,使用PMOS、NMOS互为负载,实现了近乎于0的静态功耗。

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CMOS的布局也比TTL更简单,实现成本更低。

功耗和成本上的双重优势,最终压倒了TTL那越来越小的性能优势。CMOS占据了集成电路的主流地位。

再之后的成长,更多的是在CMOS的基础上对材料和布局做一点小修小补(双阱工艺、strain、SOI衬底、HK-MG、FIN-FET)来延续摩尔定律。但是硅衬底和CMOS布局两大基础没有再发生变化。


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