半导体技术发展过程中的基本研究分析

　　摘　要：在当今信息时代，如果说那种技术是必不可少的，那一定是半导体技术。可以说，半导体技术构成了当今计算机技术、信息技术的基础，没有半导体技术的蓬勃发展就没有当今绚丽多彩的世界。半导体发现于 19 世纪，但是在其后的将近一个世纪的时间里，半导体并没有扮演特别重要的角色。从上世纪 60 年代开始，半导体技术才进入了翻天覆地、日新月异的大发展时期。半导体技术的发展经历了从萌芽到成熟再到大规模应用的阶段，但是在时间上的跨度仅仅有 100 多年，其中针对半导体技术的研究也在日益蓬勃发展。

　　关键词：半导体;技术发展;电子技术

　　0　引言

　　半导体是现代电子技术的基础，也是基于电子技术发展的计算机技术、网络技术、信息技术的基础[1] 。半导体技术的发展规模在很大程度上代表了一个国家高新技术的发展规模，我国半导体技术发展较晚，但是经过近些年的快速推进，也取得了许多令人瞩目的成就。半导体技术的发展经历了发现期、初步应用期、快速发展期、大规模应用期。当今，可以说半导体占据了世界高新技术的半壁江山，半导体后期技术的发展更是各个国家争相布局的重要方向 [2] 。

　　1　偶遇半导体

　　众所周知的是，常见的材料要么是导体，要么是绝缘体，所谓导体就是导电性能较好的材料，如金银铜铝铁等常见的金属材料，绝缘体就是导电性能较差的材料，如塑料、陶瓷、木材等等。而半导体是不同于这两种材料的，半导体之所以是半导体，并不是说半导体导电性能强或者弱，而是说半导体在一定条件下可以在导体和绝缘体之间进行转换。科学史上一般认为第一个发现半导体的人是著名的科学家法拉第，法拉第是 19 世纪重要的科学家，其对电磁学的发展做出了相当接触的贡献，1833年，法拉第在进行实验汇总发现，加热的硫化银的导电性发生巨大的变化，这是半导体第一次进入了人们的视野。单单就这鼓励的事情而言，法拉第发现半导体现象不能说不是偶然，但是结合当时的环境，发现半导体现象可以说有其必然性。

　　19 世纪中期，随着电磁学的逐步发展，人们对各种材料的导电性进行了非常广泛的研究，包括各种固体、液体等，法拉第作为当时重要的电磁学家，他也对各种材料的导电性做了非常深入的研究，这是他首先发现半导体现象的根本原因。试想，一个整日耕作的农夫如何能率先发现半导体现象呢?甚至一个数学家或者说文学家、艺术家也断然是没有机会的，因此说， 19世纪中后期人们发现半导体现象具有偶然性的同时，具有不可辩驳的必然性。事实上，在 19 世纪的后期，科学家陆续发现了其他类型的典型半导体现象，如光电导现象、单向导电现象、光生福特效应等等，但是并没有人能将这些特殊现行整合出统一的半导体理论。事实上，半导体现象发现的初期，人们仅仅将其认为是不同寻常的电磁现象，并无法从源头分析半导体现象的原因，更无法对半导体进行有针对性的、深入的研究，大规模的应用更是无从谈起 [3] 。

　　2　初识半导体

　　在半导体现象被发现后的几十年中，半导体理论并没有任何突破，但是基于半导体现象的产品率先出现了。例如，利用半导体的单向导电现象研制应用的矿石检波器，一度有着相当广泛的应用。一直到 20 世纪 20 年代后期，利用半导体现象中的单项导电和光伏特效应，陆续出现了整理器和光伏电池等工业产品，但是在这个时期，人们仅仅是利用半导体效应，并不知半导体效应的原理所在。因此，当时的科技工作者花费了相当的经历在探索半导体原理上。

　　1939 年，苏联、英国、德国的科学家几乎同时都提出了对半导体效应的理论解释，这些解释在当时是有一定的背景基础的。第一，经过几十年的发展，半导体作为一种新型的材料，已经得到了共识，其不再被作为是具有特殊效应的传统材料;第二，当时通过对原子的研究，微观粒子的很多基础行为已经被认识到。上述两个因素的共同作用下，多国科学家都提出了半导体理论的能带模型。在这个理论的影响下 ,通过以后几年的基础实验研究 ,形成了关于半导体的一些最基本的概念和原理 ,例如 ,半导体可以依靠电子和空穴两种方式导电 ,电子和空穴的基本运动形式 ( 漂移和扩散 ),半导体内部的杂质以及热和光如何引起电子和空穴的变化等。针对这个发展阶段来讲 ,可以说 ,这个时候已经对半导体的共同本质作出了理论上的概括。理论上的进展提供了对半导体导电性、光电导、整流和光生伏特效应等基本现象的初步说明 ,有力地促进了探索光敏电阻、热敏电阻、温差电等新的技术应用的活动。但是在理论回到实践方面也遇到相当严重的困难 [1] 。总所周知，现代的半导体材料对材料的纯度等要求非常之高，在当时的技术背景下，半导体研究者们不可能具有如此高质量的研究材料，因此更无法对半导体做出更为深入的应用研究。

　　至此，人们可以说是打开了认识半导体的大门，在理论上对半导体效应做出了相应的解释，虽然在半导体的应用上遇到了一些困难，但是当时的科学家能够对半导体的重要性和长远的应用有非常深入的认识，这为后学半导体的大规模应用打下了坚实的基础。

　　3　半导体的高速发展

　　晶体管的发明代表着半导体高速发展的开始，也是现代半导体(区别于 19 世纪后期至 20 世纪 20 年代之间的半导体应用行业)行业的开始。1947 年 12 月 23 日，美国贝尔实验室正式地成功演示了第一个基于锗半导体的具有放大功能的点接触式晶体管，从此之后，半导体的应用开始了一个延续数十年的高速发展时期 [4] 。在晶体管发明初期，和其他众多新型技术一样，其并不被重视，主要原因是成本过高，产量底下，但是其相对于电子管体积小、能耗低的特点是显而易见、毋庸置疑的，举一个大家都熟悉的例子，第一台通用电子计算机 ENIAC 使用了大约 3 万支真空电子管，占地 160 平方米，功率 160 千瓦，但是计算能力只有每秒 5000 次加减运算，但是第一台晶体管电子计算机使用了 1 万多个晶体管和二极管，计算能力却可以达到每秒 100 万次逻辑运算。最开始对晶体管表现出强烈兴趣的是美国政府和军方。在美苏竞争的大背景下，美国宣布要在 1970 年之前将人类送上月球，但是事实上，美国的火箭技术比苏联是要落后的，因此美国更需要在降低火箭等宇航设备的重量上下大工夫，因此晶体管的优势便显得极其重要，其昂贵的缺点反而不那么明显了，最终的结果就是，美国将宇航装备上能够替换的位置全部替换上了晶体管，这在客观上为晶体管的前期发展注入了强大的动力，也为美国后期半导体技术的领先地位打下了坚实的基础 [5] 。

　　从第一个晶体管被成功演示，到各种不同类型的晶体管逐渐出现，传统的真空电子管逐渐被晶体管所替代，再到计算机体积的不断缩小，计算能力的不断提高，价格的逐渐降低，电子产品的迅速普及，可以说半导体技术像是魔术一般影响了整个人类世界。

　　4　大规模集成电路的研究发展

　　1965 年，仙童公司的摩尔提出了摩尔定律：集成电路上容纳的晶体管的数量，每间隔 18-24 月便会增加一倍，性能也会提升一倍。当时的摩尔只是经验性地总结了半导体技术发展的迅猛程度，不想却神奇地敲响了大规模集成电路的大门，预言了接下来数十年半导体技术的发展趋势[6] 。可以说，自摩尔定律诞生以来，半导体技术的发展势头日新月异，各类电子产品层出不穷，从因特尔的第一个商用微处理器 Intel4004，到如今最高端的 Intel I7/i9 系列，半导体产品的性能成几何级数增长。2016 年，中国超级计算机“神威·太湖之光”勇夺国际超级计算机算力排名第一，其计算能力到达每秒 9.3 亿亿次浮点运算，同年，谷歌人工智能 AlphaGo 战胜围棋世界冠军李世石，这在 21 世纪初还是完全无法想象的成就 [7] 。

　　5　中国半导体技术发展

　　中国半导体技术发展起步晚，速度慢，但是在一大批前辈半导体科学家的不倦努力下，也取得了相当的成绩。1957 年，我国第一次制备出了单晶锗，研制出锗晶体管;1959 年，制备出硅单晶，1962 年，研制出硅晶体管。虽然在晶体管高速发展的前期，我国处在战火连天的抗日战争和解放战争时期，但是一进入和平年代，就立即认识到半导体技术无可替代的重要地位，作为国家重要技术发展方向进行引导和投入 [8] 。

　　6　半导体技术的发展趋势探讨

　　6.1　突破极限，进一步提高晶体管密度

　　在 2018 年的今天，半导体的制造工艺已经到了 7 纳米级别，由于当前半导体材料一般都是硅基的，在 7 纳米级别很快就会接近理论极限。在接近极限时，如何开发下一代技术，避免出现的器件频率、速度等限制，将是众多半导体厂商首先遇到的问题。为解决上述问题，半导体研究应用人员提出了 3D 堆叠，开发应用其他半导体材料，开发光量子计算机等等，以解决上述问题。

　　6.2　跨学科研发半

　　导体制造技术作为高速发展的技术领域，其深厚的技术积累也可以为其它行业提供可行的解决方案。对于微电子制造技术而言，半导体制造中使用的各项技术有着非常重要的应用，例如汽车工业中常见的加速度传感器，此种传感器的外形尺寸非常之小，如同芯片一般安装在汽车上，在如此小的部件上需加工出各种形状的内腔和运动物体，传统的加工方法显然是难以做到的。利用半导体加工技术中的光蚀刻技术，能够很好地解决上述问题，因此，半导体技术在其他技术领域也能有相当多的应用，这是半导体技术进行跨学科研发的简单例子，事实上在此领域还有这相当大的发展空间 [9] 。

　　7　结论

　　半导体现象在实验室首次发现是在 19 世纪 30 年代，至今也仅仅 180 余年，但是这短短不到 200 年的时间里，半导体技术对世界的影响却是其他任何技术所不能比拟的。但是应该清楚的是，半导体技术的发展不仅仅是半导体技术本身的发展，而是量子力学、电磁学、工艺制造等各方面科学技术协调发展的结果，这中间既有理论科学家对基础理论的不懈追求，也有应用层面的科学家、实业家对产品的不断打磨 [10] 。由此可见，任何科学技术均有着其深厚的历史背景，这种背景既是基石，也是方向，因此，无论是半导体技术，还是其他技术都应该遵循规律，不懈追求，才能有所斩获。

　　参考文献

　　[1]　黄昆 . 半导体技术发展过程中的基本研究 [J]. 自然辩证法研究通讯 ,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 . 泛半导 体 技术的发 展 [J]. 电子技术与软件工程 ,2018(01):85. 　　WANG Feng-ying. Development of Pan-Semiconductor Technology [ J]. Electronic Technology and Software Engineering, 2018 (01): 85.

　　[3]　彭强 . 半导体技术发展过程中的基本研究分析 [J].电子制作 ,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.

　　《半导体技术发展过程中的基本研究分析》发表在《电子元器件与信息技术》杂志，如需了解期刊信息请点击期刊名称查看。

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