半导体与集成电路

现代的汽车安装了芯片来监控诸多行驶过程参数，例如进入发动机的燃料流量、轮胎抓地力等。芯片还可以控制发光二极管以照亮汽车仪表盘，使汽车行驶更安全。洗衣机、洗碗机和微波炉等家用电器内部都装有芯片，通过预设程序运行。我们日常生活涉及到各种类似的芯片，但假如没有半导体，它们将毫无用处。

多数金属都是电的良好导体，例如，电线通常就用铜制成。另一类包括玻璃、纸和橡胶等在内的物质都是电的不良导体甚至是绝缘体，因此常用做电线的绝缘材料。介于导体和绝缘体之间的第三类材料即半导体。半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体，另外还有锡、硒、锌和锑等；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物（硫化镉、硫化锌等）、氧化物（锰、铬、铁、铜的氧化物），以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。所有这些半导体材料中，硅是应用最广泛的。

一种半导体可能有时是绝缘体，但在一定条件下能使电流通过。19世纪30年代，科学家研究电现象时发现一些材料受热后会丧失导电的性质，而有些导电性较差的材料当用光照射时，只允许电流朝一个方向通过。

大事记

1874年 布劳恩的整流器问世

1947年 面点接晶体管问世

1948年 音频放大器问世

1948年 面结型晶体管问世

1958年 集成电路问世

1959年 发展出平面工艺技术

意大利物理学家古列尔莫·马可尼（1874～1937年）试验将电流转化为无线电波时，需借助一种称做整流器的装置来检测进入的无线电信号。整流器只允许电流朝一个方向通过而不允许电流反向通过。1874年，德国物理学家费迪南德·布劳恩（1850～1918年）研制出一种硫化铅晶体整流器。硫化铅晶体是第一种用在无线电接收机上的晶体，所以这种接收机也叫“晶体机”，它将电传导至一根纤细导线的尖端—也就是“猫须”上。布劳恩的整流器也是世界上第一种半导体装置。由于杰出的成就，他和马可尼分享了1909年诺贝尔物理学奖。

整流器只有两个接线端，但是无线电技术的进展需要具有三个接线端的半导体元件，通过加在第三个接线端的电压或电流控制其他两接线端间的电压或电流。第一种三个接线端的半导体元件是真空管三极管，即真空管。后来发展到将几个三极管密封到同一个真空管中。因为真空管耗电量很大，这样很容易产生大量的热而导致金属部分熔融，最终使真空管烧毁。

1947年，三位物理学家—英裔美国人威廉·肖克利（1910～1989年）和美国人约翰·巴登（1908～1991年）、沃尔特·布拉坦（1920～1987年）——研制出了第一台固体三接线端整流器装置，称作面点接晶体管，利用的是半导体材料—锗。他们1948年在贝尔电话实验室研制出了几种晶体管，并与其他组件结合，制造出了音频放大器，它与以前的真空管放大器不同，其晶体管不需要预热就可以工作。三位物理科学家分享了1956年诺贝尔物理学奖。

1948年，肖克利又提出了面结型晶体管概念，这是一种由半导体材料薄片压缩到一起组成的晶体管。肖克利还发现锗晶体中的不纯物质会提高其半导体特性。

现代的半导体是由掺入浓度为百分之几的杂质的硅晶体薄片构成的。半导体中的杂质对电阻率的影响非常大。半导体中加入杂质的步骤称做“半导体掺杂”。如果掺入的杂质为砷，那么在每个砷原子都会与四个硅原子结合，这样，在砷原子的最外层还剩余一个电子。电子携带有一个负电荷，所以这种半导体叫作n-型半导体。如果三价硼掺入硅晶体中，硼原子最外层的三个电子全部与硅电子成键，这样硅晶体为带正电荷的质子留下了一个空位。空位通常被称做空穴，所以这一类型的半导体叫作p-型半导体。当半导体加压通电时，自由电子就会只沿一个方向通过n-型半导体，而空穴则会沿相反的方向通过p-型半导体。

1958年，半导体技术取得了新的突破。美国德州仪器公司的电气工程师杰克·基尔比研究发现，晶体管并非一次只能掺杂一种杂质，可以通过叠加几种杂质的手段将它们一起整合到同一块半导体上。然后，在其上再添加如二极管、电阻器、电容器等元件，这就是基尔比发明的集成电路。

1年后，美国仙童半导体公司的瑞士物理学家琼·霍尔尼（1924～1997年）和美国电气工程师罗伯特·诺伊斯（1927～1990年）研制了平面技术。这是一种利用光掩模在硅晶圆内对金属及化学物质进行层叠和刻蚀的系统。利用这种新技术，工程师们就可以设计出更加复杂、应用范围更广的电路。

电脑、数码相机等所有现代电子产品中的芯片都比邮票小得多，它们是用塑料外壳把多层晶体管及相关组件与连接组件的细微导线一并封装在一块条状的硅晶片上。这就是基于半导体技术的集成电路。