自從有人類以來,已經過了上百萬年的歲月。社會的進步可以用當時人類使用的器物來代表,從遠古的石器時代、到銅器,再進步到鐵器時代現今,以矽為原料的電子元件產值,則超過了以鋼為原料的產值,人類的歷史因而正式進入了一個新的時代,也就是矽的時代。矽所代表的正是半導體元件,包括記憶元件、微處理機、邏輯元件、光電元件與偵測器等等在內,舉凡電視、電話、電腦、電冰箱、汽車,這些半導體元件無時無刻都在為我們服務。

    矽是地殼中最常見的元素,許多石頭的主要成分都是二氧化矽,然而,經過數百道製程做出的積體電路,其價值可達上萬美金;把石頭變成矽晶片的過程是一項點石成金的成就,也是近代科學的奇蹟!

    在日本,有人把半導體比喻為工業社會的稻米,是近代社會一日不可或缺的。在國防上,惟有紮實的電子工業基礎,才有強大的國防能力,1991年的波斯灣戰爭中,美國已經把新一代電子武器發揮得淋漓盡致。從1970年代以來,美國與日本間發生多次貿易摩擦,但最後在許多項目美國都妥協了,但是為了半導體,雙方均不肯輕易讓步,最後兩國政府慎重其事地簽訂了協議,足證對此事的重視程度,這是因為半導體工業發展的成敗,關係著國家的命脈,不可不慎。在台灣,半導體工業是新竹科學園區的主要支柱,半導體公司也是最賺錢的企業,台灣如果要成為明日的科技矽島,半導體工業是我們必經的途徑。

 

    在二十世紀的近代科學,特別是量子力學發展知道金屬材料擁有良好的導電與導熱特性,而陶瓷材料則否,性質出來之前,人們對於四周物體的認識仍然屬於較為巨觀的瞭解,那時已經介於這兩者之間的,就是半導體材料

    英國科學家法拉第(Michael Faraday, 1791~1867),在電磁學方面擁有許多貢獻,但較不為人所知的,則是他在1833年發現的其中一種半導體材料:硫化銀,因為它的電阻隨著溫度上升而降低,當時只覺得這件事有些奇特,並沒有激起太大的火花;然而,今天我們已經知道,隨著溫度的提升,晶格震動越厲害,使得電阻增加,但對半導體而言,溫度上升使自由載子的濃度增加,反而有助於導電,這也是半導體一個非常重要的物理性質。

    1874年,德國的布勞恩(Ferdinand Braun,1850~1918),注意到硫化物的電導率與所加電壓的方向有關,這就是半導體的整流作用。但直到1906年,美國電機發明家匹卡(G. W. Pickard1877~1956),才發明了第一個固態電子元件:無線電波偵測器(cats whisker),它使用金屬與矽或硫化鉛相接觸所產生的整流功能,來偵測無線電波。在整流理論方面,德國的蕭特基(Walter Schottky,1886~1976)在1939年,於「德國物理學報」發表了一篇有關整流理論的重要論文,做了許多推論,他認為金屬與半導體間有能障(potential barrier)的存在,其主要貢獻就在於精確計算出這個能障的形狀與寬度。至於現在為大家所接受的整流理論,則是1942年,由索末菲(Arnold Sommerfeld, 1868~1951)的學生貝特(Hans Bethe,1906~    )所發展出來,他提出的就是熱電子發射理論(thermionic emission),這些具有較高能量的電子,可越過能障到達另一邊,其理論也與實驗結果較為符合。

    在半導體領域中,與整流理論同等重要的,就是能帶理論。布洛赫(Felix Bloch,1905~1983)在這方面做出了重要的貢獻,其定理是將電子波函數加上了週期性的項,首開能帶理論的先河。另一方面,德國人佩爾斯(Rudolf Peierls, 1907~    ) 於1929年,則指出一個幾乎完全填滿的能帶,其電特性可以用一些帶正電的電荷來解釋,這就是電洞概念的濫觴;他後來提出的微擾理論,解釋了能隙(Energy gap)存在。

 

    早在1930與1940年代,使用半導體製作固態放大器的想法就持續不絕;第一個有實驗結果的放大器是1938年,由波歐(Robert Pohl, 1884~1976)與赫希(Rudolf Hilsch)所做的,使用的是溴化鉀晶體與鎢絲做成的閘極,儘管其操作頻率只有一赫茲,並無實際用途,卻證明了類似真空管的固態三端子元件的實用性

    二次大戰後,美國的貝爾實驗室(Bell Lab),決定要進行一個半導體方面的計畫,目標自然是想做出固態放大器,它們在1945年7月,成立了固態物理的研究部門,經理正是蕭克萊(William Shockley, 1910~1989)與摩根(Stanley Morgan)。由於使用場效應(field effect)來改變電導的許多實驗都失敗了,巴丁(John Bardeen,1908~1991)推定是因為半導體具有表面態(surface state)的關係,為了避開表面態的問題,1947年11月17日,巴丁與布萊登(Walter Brattain 1902~1987)在矽表面滴上水滴,用塗了蠟的鎢絲與矽接觸,再加上一伏特的電壓,發現流經接點的電流增加了!但若想得到足夠的功率放大,相鄰兩接觸點的距離要接近到千分之二英吋以下。12月16日,布萊登用一塊三角形塑膠,在塑膠角上貼上金箔,然後用刀片切開一條細縫,形成了兩個距離很近的電極,其中,加正電壓的稱為射極 (emitter),負電壓的稱為集極 (collector),塑膠下方接觸的鍺晶體就是基極 (base),構成第一個點接觸電晶體 (point contact transistor),1947年12月23日,他們更進一步使用點接觸電晶體製作出一個語音放大器,該日因而成為電晶體正式發明的重大日子

    另一方面,就在點接觸電晶體發明整整一個月後,蕭克萊想到使用p-n接面來製作接面電晶體 (junction transistor) 的方法,在蕭克萊的構想中,使用半導體兩邊的n型層來取代點接觸電晶體的金屬針,藉由調節中間p型層的電壓,就能調控電子或電洞的流動,這是一種進步很多的電晶體,也稱為雙極型電晶體 (bipolar transistor),但以當時的技術,還無法實際製作出來。

    電晶體的確是由於科學發明而創造出來的一個新元件,但是工業界在1950年代為了生產電晶體,卻碰到許多困難。1951年,西方電器公司(Western Electric)開始生產商用的鍺接點電晶體,1952年4月,西方電器、雷神(Raytheon)、美國無線電(RCA) 與奇異(GE)等公司,則生產出商用的雙極型電晶體。但直到1954年5月,第一顆以矽做成的電晶體才由美國德州儀器公司(Texas Instruments)開發成功;約在同時,利用氣體擴散來把雜質摻入半導體的技術也由貝爾實驗室與奇異公司研發出來;在1957年底,各界已製造出六百種以上不同形式的電晶體,使用於包括無線電、收音機、電子計算機甚至助聽器等等電子產品。

    早期製造出來的電晶體均屬於高台式的結構。1958年,快捷半導體公司 (Fairchild Semiconductor)發展出平面工藝技術(planar technology),藉著氧化、黃光微影、蝕刻、金屬蒸鍍等技巧,可以很容易地在矽晶片的同一面製作半導體元件。1960年,磊晶(epitaxy)技術也由貝爾實驗室發展出來了。至此,半導體工業獲得了可以批次(batch)生產的能力,終於站穩腳步,開始快速成長。

 

    積體電路就是把許多分立元件製作在同一個半導體晶片上所形成的電路,早在1952年,英國的杜默 (Geoffrey W. A. Dummer) 就提出積體電路的構想。1958年9月12日,德州儀器公司(Texas Instruments)的基爾比 (Jack Kilby, 1923~    ),細心地切了一塊鍺作為電阻,再用一塊pn接面做為電容,製造出一個震盪器的電路,並在1964年獲得專利,首度證明了可以在同一塊半導體晶片上能包含不同的元件。1964年,快捷半導體(Fairchild Semiconductor)的諾宜斯(Robert Noyce,1927~1990),則使用平面工藝方法,即藉著蒸鍍金屬、微影、蝕刻等方式,解決了積體電路中,不同元件間導線連結的問題。

    積體電路的第一個商品是助聽器,發表於1963年12月,當時用的仍是雙極型電晶體;1970年,通用微電子(General Microelectronics)與通用儀器公司 (General Instruments),解決了矽與二氧化矽界面間大量表面態的問題,開發出金氧半電晶體 (metal-oxide-semiconductor, MOS);因為金氧半電晶體比起雙極型電晶體,功率較低、集積度高,製程也比較簡單,因而成為後來大型積體電路的基本元件。

    60年代發展出來的平面工藝,可以把越來越多的金氧半元件放在一塊矽晶片上,1960年的不到十個元件,倍數成長到1980年的十萬個,以及1990年約一千萬個,這個每年加倍的現象稱為莫爾定律 (Moores law),是莫爾(Gordon Moore)在1964年的一次演講中提出的,後來竟成了事實。

 

    1970年代,決定半導體工業發展方向的,有兩個最重要的因素,那就是半導體記憶體 (semiconductor memory) 與微處理機 (micro processor)。在微處理機方面,1968年,諾宜斯和莫爾成立了英代爾 (Intel) 公司,不久,葛洛夫 (Andrew Grove) 也加入了,1969年,一個日本計算機公司比吉康 (Busicom) 和英代爾接觸,希望英代爾生產一系列計算機晶片,但當時任職於英代爾的霍夫 (Macian E. Hoff) 卻設計出一個單一可程式化晶片,1971年11月15日,世界上第一個微處理器4004誕生了,它包括一個四位元的平行加法器、十六個四位元的暫存器、一個儲存器 (accumulator) 與一個下推堆疊 (push-down stack),共計約二千三百個電晶體;4004與其他唯讀記憶體、移位暫存器與隨機存取記憶體,結合成MCS-4微電腦系統;從此之後,各種集積度更高、功能更強的微處理器開始快速發展,對電子業產生巨大影響。三十年後的今天,英代爾的Pentium III已經包含了一千萬個以上的電晶體

    毫無疑問的,記憶體晶片與微處理器同等的重要,1965年,快捷公司的施密特 (J. D. Schmidt) 使用金氧半技術做成實驗性的隨機存取記憶體。1969年,英代爾公司推出第一個商業性產品,這是一個使用矽閘極、p型通道的256位元隨機存取記憶體。記憶體發展過程中最重要的一步,就是1969年,IBM的迪納 (R. H. Dennard) 發明了只需一個電晶體和一個電容器,就可以儲存一個位元的記憶單元;由於結構簡單,密度又高,現今半導體製程的發展常以動態隨機存取記憶體的容量為指標。大致而言,1970年就有1K的產品;1974年進步到4K (閘極線寬十微米);1976年16K (五微米);1979年64K (三微米);1983年256K (一點五微米);1986年1M (一點二微米);1989年4M (零點八微米);1992年16M (零點五微米);1995年64M (零點三五微米);1998年到256M (零點二五微米),大約每三年進步一個世代,2001年就邁入十億位元大關。

    根據國際半導體科技進程 (International Technology Roadmap for Semiconductor) 的推估,西元2014年,最小線寬可達0.035微米,記憶體容量更高達兩億五千六百萬位元,儘管新製程、新技術的開發越形困難,但半導體業在未來十五年內,相信仍會迅速的發展下去。